Abstract
Oberflächenemittierende Diodenlaser (engl. VCSEL, Vertical-cavity surface-emitting laser) werden zur raschen direkten In-situ-Molekülspektroskopie eingesetzt. Nach dem Verfahren der Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser wird Sauerstoff bei 760 nm, Ammoniak bei 1540 nm, Methan bei 1680 nm sowie Chlorwasserstoff und Wasser bei 1810 nm detektiert. Druckverbreiterte und hochaufgelöste Spektren werden gezeigt und das Prinzip eines langzeitstabilen Spektrometers vorgestellt. Die Wellenlängenmodulation der VCSEL mit der Temperatur und dem Strom wird untersucht. Während der Temperaturkoeffizient in etwa derselbe ist wie für herkömmliche Diodenlaser im nahen Infrarot (DFB-Laser), lassen sich VCSEL deutlich weiter mit dem Strom durchstimmen. Darüber hinaus können VCSEL thermisch wesentlich schneller moduliert werden als konventionelle Kantenemitter. Repetitionsraten bis 5 MHz werden demonstriert. Die neu eröffneten Anwendungsfelder im Hinblick auf den weiten, modensprungfreien Durchstimmbereich (Messung bei hohem Druck, mehrere Spezies, Temperaturverteilungen) und die rasche Modulierbarkeit (Messung extrem transienter Prozesse) werden diskutiert. Weiter werden spektroskopisch interessante Eigentümlichkeiten der VCSEL (geringer Schwellstrom und Strombedarf als Vorteil für batteriebetriebene mobile Geräte, Austestmöglichkeit auf der Waferebene) beleuchtet. Die langwelligen VCSEL mit λ > 1 μm auf InP-Basis existieren noch nicht lange. Es wird angenommen, dass diese demnächst verstärkten Einzug in die Molekülspektroskopie halten werden und das Einsatzgebiet von auf Diodenlasern basierenden Geräten beträchtlich nach höheren Drücken und schwierigen Bedingungen hin erweitern werden.
Abstract
Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are used for rapid in-situ direct molecular spectroscopy. The method of tunable diode laser spectroscopy (TDLS) is applied to measure oxygen at 760 nm, ammonia at 1540 nm, methane at 1680 nm, and hydrochloric acid plus water at 1810 nm. Atmospheric pressure broadened and subatmospheric high resolution spectra are recorded. The principle of a spectrometer with long term stability is presented. The wavelength modulation properties of the VCSELs with temperature and injection current are investigated. While the temperature tuning coefficient is essentially the same as for conventional (edge emitting) diode lasers in the near infrared spectral region (DFB lasers), VCSELs can be wavelength tuned by the injection current much further. Also, VCSELs can be wavelength tuned much faster than edge emitters. Repetition rates up to 5 MHz are demonstrated. New fields of applications with respect to the wide mode hopping free single frequency tuning range (measurements at high pressures, of multiple species, and of temperature distributions) and to the rapid wavelength tunability (investigation of extremely transient processes) are discussed. Particularities of the VCSELs of special interest for the spectroscopist (low threshold and operating current as a benefit for battery powered portable devices, potential for on wafer testability) are addressed. The long wavelength InP based VCSELs with λ > 1 μm have become available just recently, yet it is expected that they will quickly find their way into molecular spectroscopy and extend the field of use for diode laser based sensors and systems to high pressure and difficult environments.
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