Band 72, Heft 6 - 6

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf, der Herstellung sowie der Charakterisierung von einmodigen DFB-Quantenkaskadenlasern für Anwendungen in der Spurengasanalytik. Die Laser eignen sich zur Detektion der fundamentalen Rotations-Schwingungs-Übergänge von Stickstoffmonoxid im Wellenlängenbereich um 5,35 μm (1870 cm −1 ) und von Kohlenmonoxid um 4,67 μm (2140 cm −1 ) mittels hochauflösender Absorptionsspektroskopie. Im Pulsbetrieb ist die Seitenmodenunterdrückung >27dB und die maximale Betriebstemperatur > 400K (127 °C). Typische Linienbreiten liegen bei etwa 100MHz.

Es wurden Quantenkaskaden-Laser für den 10-μm-Spektralbereich hergestellt. Zur Miniaturisierung, Verbesserung der Bauelementeigenschaften und Erzielung monomodiger Emission wurden Laser mit eindimensionalen photonischen Kristallstrukturen in Form von tiefgeätzten Bragg-Spiegeln entwickelt. Es wurde erstmals erfolgreich nahezu gitterangepasstes GaInNAs auf GaAs-Substraten bei 590 °C aufgewachsen, womit eine wesentliche Erhöhung des Ladungsträgereinschlusses ermöglicht wird.

Auf der Basis von GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen wurden monomodige Quantenkaskadenlaser im Wellenlängenbereich von 9–11 μm entwickelt. Die Rotations-Schwingungs-Grundzustände vieler industriell wichtiger Gase fallen in diesen Spektralbereich im mittleren Infrarot. Daher eignen sich diese Laser in besonderem Maße für den sensitiven Nachweis von beispielsweise CO 2 (9,5 μm Wellenlänge), O 3 (9,7 μm) und NH 3 (10,7 μm). Die Laser werden auf standardisierte c-mounts montiert, die sehr einfach in komplexere Optikmodule eingebaut werden können. Im gepulsten Betrieb liefern die hergestellten Bauteile bei Peltiertemperaturen Ausgangsleistungen von einigen mW und erweisen sich aufgrund ihres kontinuierlichen Durchstimmbarkeitsverhaltens der Emissionswellenlänge insbesondere für spektroskopische Anwendungen als geeignet.

Quantenkaskadenlaser (QCLs) repräsentieren die jüngste Generation von Halbleiterlasern, die viel versprechende Lichtquellen für die Gasanalytik darstellen. Wir untersuchen ihr Intensitätsrauschen und finden ein neues Skalierungsverhalten als Funktion der emittierten optischen Leistung. Im Hinblick auf Anwendungen in Laserspektroskopie-Systemen charakterisieren wir das Verhalten eines QCL in Externer-Resonator-Konfiguration. Schließlich zeigen wir, dass moderne Hohlleiter-Fasern geeignete Lichtwellenleiter für die Laserspektroskopie im mittleren infraroten Spektralbereich darstellen.

Quantenkaskadenlaser (QCLs) sind neuartige Laserstrahlquellen im mittleren Infrarot (MIR, 3–30 μm). Damit können kompakte und hochempfindliche Laserspektroskopiesysteme ohne aufwändige Kühlung aufgebaut werden. Mit gepulsten QCLs sind Messraten im Bereich 10–100kHz möglich. Bei Messungen mit den Gasen CO, CO 2 , NO, N 2 O und NH 3 werden Nachweisgrenzen weit unter 1ppm·m erreicht. Das Verfahren eignet sich für offene Messstrecken mit simultaner Wegmessung ebenso wie für extraktive und In-situ-Messanordnungen.

Die Anwendung des Beer–Lambert’schen Gesetzes bietet die Möglichkeit, eine kalibrationsfreie, direkt rückführbare Gasanalytik mit Hilfe von Laserspektrometriesystemen aufzubauen. Mit einem mit direkter Absorptionsspektroskopie arbeitenden Messsystem konnten CO 2 -Stoffmengenanteile mit Wiederholbarkeiten um 0,5% bei einer Gesamtmessunsicherheit von ±4% gemessen werden.

Für zahlreiche Anwendungen in der industriellen Messtechnik werden durchstimmbare Laser im mittleren infraroten Spektralbereich benötigt. Aufgrund charakteristischer Spektren vieler umwelt- und medizinisch relevanter Moleküle ist dieser Bereich von besonderem Interesse. Um einen Laser mit einem großen monomodig spektral durchstimmbaren Wellenlängenbereich zu realisieren, sind Quantenkaskadenlaser entspiegelt und in einem externen Resonator betrieben worden.

Quantenkaskadenlaser stellen in der Gasanalytik eine ideale Strahlungsquelle dar. Sie erlauben im mittleren Infrarot sensitive und selektive Messungen. Die Detektion von Brandgasen zur frühen Branderkennung repräsentiert ein interessantes Anwendungsfeld, in der weitere technologische Vorteile der Laser zur Geltung kommen. In dem Vorhaben lagen die Schwerpunkte in der technischen Umsetzung des Demonstrators und seiner elektronischen Komponenten.