【Applied Physics Letters】滨松QCL助力超灵敏腔增强光声光谱研究-光电汇

【Applied Physics Letters】滨松QCL助力超灵敏腔增强光声光谱研究

2023-09-05

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2023年7月31日，香港中文大学任伟教授团队与意大利国家光学研究所Paolo De Natale团队合作利用滨松研发的量子级联激光器（QCL，点击了解详情）作为中红外光源，在Applied Physics Letters发表了题为“Mid-infrared swept cavity-enhanced photoacoustic spectroscopy using a quartz tuning fork”的文章。

研究人员利用滨松研发的QCL作为中红外光源，基于双反馈Pound–Drever–Hall锁频方法，将QCL频率锁定在连续扫描的光腔中，在法布里-珀罗腔中放置石英增强光声光谱模块，实现双共振光声效应的超灵敏气体检测，在150 s的积分时间内对一氧化碳（CO）实现了375万亿分之一（ppt）的最小检测极限，该文章通讯作者为香港中文大学研究助理教授王震，第一作者为博士生聂沁雪。

石英增强光声光谱技术（QEPAS）自2002年莱斯大学发明以来，已经发展成为一种成熟的技术，通过使用小型而廉价的石英音叉（QTF）结合半导体激光器研制的各种紧凑型和便携式的气体传感器应用越来越广泛。例如，使用QCL作为光源的中红外QEPAS传感器已被证明可以极高的灵敏度检测NO、CO、N₂O、SF₆等气体。

研究人员采用滨松的HHL封装QCL激光器（L12004-2190H-E）作为光源来激发位于2190.02 cm^-1处的CO吸收谱线，如下图所示。

光学隔离器ISO用于防止由腔镜反射的光反馈对激光器损伤，48 mm长的法布里-珀罗腔由两个反射镜组成，在4.56 μm的激光器波长和125 mm的曲率半径下，反射率为99.84%。函数发生器以4 MHz频率对QCL注入电流进行调制，通过声光调制器（AOM）在QTF的谐振频率下来调制激光强度。通过使用偏振分束器（PBS）和四分之一波片（QWP），来自腔的反射拍频信号通过光电探测器探测，并由定制的PDH模块解调。

由于光声信号与激光输出功率成正比，开发具有高功率的激光器更有使用价值。

滨松激光器保证不低于20 mW的输出功率，实际上很多出厂测试数据都在50 mW以上，实验中用到的激光器出厂测试数据详见下图。通过电流调谐输出功率可以达60 mW以上。最为值得一提的是滨松的QCL具有业内领先的超窄线宽，实验室实测约为450 kHz，这也是高效的光腔锁定的重要前提。图4是实验测得的滨松QCL频率噪声功率谱密度，图5为根据图4数据计算得到的QCL线宽数据。

【喜讯】滨松最新推出的低功耗蝶形封装BTF QCL输出功率最高可达140 mW以上，敬请期待后续文章。

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