Characterization of single-mode emitting interband cascade lasers and their application in 2f-wavelength modulation spectroscopy

Abstract

Spektroskopische Anwendungen im Bereich der Spurengasanalyse, wie die Kontrolle industrieller Prozesse, die medizinische Diagnostik, zum Beispiel mittels der Methode der Atemgasanalyse, die Umweltüberwachung und die Erkennung und Kontrolle von Verschmutzungen, verlangen nach geeigneten Lichtquellen im mittleren Infrarot-Bereich des Spektrums. Diese Lichtquellen müssen dafür sehr oft mehrere Vorraussetzungen erfüllen. Die Operation im Dauerstrich-Betrieb muss bei Raumtemperatur und bei einer selektierbaren Wellenlänge, die zudem noch durchstimmbar sein muss, gewährleistet sein. Interbandkaskadenlaser stellen auf Grund ihres geringen Leistungsverbrauchs und ihrer niedrigen Laserschwelle hierfür vielversprechende Kandidaten dar, insbesondere im Hinblick auf tragbare, miniaturisierte und Batteriebetriebene Anwendungen. Sie kombinieren das Prinzip der Interband-Übergänge, so wie sie in konventionellen Laserdioden zur Anwendung kommen, mit dem Konzept kaskadierender Strukturen, wie es z.B. in Quantenkaskadenlasern verwendet wird. Das Kaskaden-Prinzip ermöglicht die Emission mehrerer Photonen pro Ladungsträger durch einen speziellen Recycling-Mechanismus. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung solcher multiund monomodiger Interbandkaskadenlaser und ihrer Anwendung in spektroskopischen Messungen. Die elektrische und optische Charakterisierung dieser, in unserer Arbeitsgruppe hergestellten, optischen Bauelemente, sowie kommerzieller monomodiger Laser wird im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Zwei experimentelle Versuchsaufbauten, die diese Charakterisierung ermöglichen werden demonstriert und für den Betrieb der Interbandkaskadenlaser genutzt. Diese Charakterisierung erlaubt den Rückschluss auf die idealen Parameter, wie die Betriebstemperatur und den eingespeisten Strom, um z.B. die passende Wellenlänge für die spektroskopische Anwendung zu selektieren. Der monomodige Laser wird dann für sogenannte 2f -Wellenlängen-Modulations-Messungen, also Messungen bei der zweiten Harmonischen unter Modulation der Wellenlänge des Lasers verwendet. Für exemplarische Messungen werden zwei unterschiedliche klimarelevante Gasproben analysiert, nämlich Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdisulfid (CS2). Diese Messungen zeigen, dass solche Interbandkaskadenlaser in der Tat für Anwendungen in der hochsensitiven state-of-the-art Gasspektroskopie geeignet sind.

Spectroscopic trace gas sensing applications such as industrial process control, medical diagnostics, for example by means of breath analysis, environmental monitoring and pollution detection demand for suitable light sources in the mid-infrared spectral region. These sources are very often required to emit in continuous wave operation at room temperature and with designable, possibly tunable wavelengths. Interband cascade lasers are promising candidates, especially for mobile, miniaturized and battery-powered applications due to their low power consumption and low lasing threshold. They combine the principles of interband transitions, like in conventional diode lasers, and the cascading scheme as in quantum cascade lasers, allowing a single carrier to emit multiple photons due to a "recycling mechanism". The focus of this thesis lies in the investigation of such singleand multimode emitting interband cascade devices and their application in spectroscopic measurements. The electrical and optical characterization of devices fabricated in our group as well as a commercial single-mode emitting device is performed within the scope of this work. Two experimental setups allowing for such characterization are demonstrated and used for the operation of the interband cascade lasers. This characterization of the devices then allows to choose the ideal operating conditions, including temperature and injected current, for appropriate wavelength selection, for spectroscopic applications. The single-mode laser is then featured in 2f -wavelength modulation measurements of two di˙erent climate-relevant gas samples, i.e. carbon monoxide (CO) and carbon disul˝de (CS2). These measurements prove that the device is indeed suitable for highly-sensitive state-of-the-art gas spectroscopy techniques.