高分辨率光谱仪的高品质红外（8μm）半导体激光源设计及其温度、电流的高精度控制外文翻译资料

 2022-09-05 17:37:45

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高分辨率光谱仪的高品质红外（8mu;m）半导体激光源设计及其温度、电流的高精度控制

D. Weidmann , D. Courtois

空气的分子光谱组，UMR CNRS 6089，兰斯大学香槟学院，U.F.R.精密科学和自然科学，B.P.1039,51687兰斯Cedex 2，法国

2000年6月19日收文

摘要

可调谐半导体激光器（DL）光谱仪的性能是直接由DL品质及其可调性控制来确定的。其发射特性对电流和温度漂移非常敏感。为了获得用于光谱仪的高质量光源，我们自主设计了具有液态氮的低温恒温器的DL。此外，通过比较电流和温度控制我们发现，温度的调节效果更显著。我们通过检查并记录SO2在1168-1169cm-1区域的光谱证实了该结论。2000年Elsevier科学B.V.公司保留所有权利。

PACS:42.55.Px;42.62.Fi

关键词：高分辨率光谱仪;半导体激光器;温度调节

1.简介

中红外可调谐半导体激光器是用于高分辨率吸收光谱[1]和微量气体检测的有力工具。半导体激光器（DL）光谱仪需使用具有窄线宽和低强度噪声得高功率光源。这种极致的性能无法由多模发射获得，只有从单模发射[2]中才能获得。事实上，这种光谱仪的装置功能主要是由DL的发射线宽给出的。为了获得最窄发射线宽，我们必须实现半导体温度和电流两个参数的精细调节控制，通过增加温度和电流的稳定性增强的光谱仪的谐振。

随着异质铅盐的DL的发展，中红外的发射可在LN2温度下连续工作，使得比闭环冷却器或氦蒸发低温恒温器更轻，更昂贵的系统建设成为可能。此外，闭环冷却器可以诱发DL发射光谱显著变宽[3]。

为了获得良好的温度稳定性，我们设计了LN2低温恒温器。相关的温度控制系统以及电流源对系统的影响将在下文进行讨论和说明。为了进行测试，我们已经记录了SO2在1168cm-1的区域中光谱。

2. LN2低温恒温器设计

为了设计一种用于DL的低温恒温器，我们对市面上的设备进行了修改。 图1展示了系统的示意图。

有机玻

璃隔离

热缓冲

购买部分

添加部分

冷板

液氮水箱

图1 DL低温恒温器示意图

我们增加了LN2罐下方的空间。并在冷板处增加了一个庞大的铜圆柱体，起到散热的作用，冷板和气缸之间的铟箔增加了热量交换。

DL的保持器是由一个有机玻璃板（热传导率0.18W M-1 K-1）进行隔离。我们特别小心地限制了有机玻璃板和外部金属壳之间的接触面积，以限制热量泄漏。

DL的保持器由铜制成。在DL两侧，分别安装了光刻限定铂金Pt1000的传感器。我们决定从DIN 43760标准曲线的温度开始。该DL的背后，有一个15Omega;电阻箔为温度调节提供热量。

缓冲器和DL保持器之间的热链路由一组的25微米厚的60铜箔来确保的，这种联系是柔性的，因此DL保持器与液氮罐是机械上相对独立的。

在DL中，温度传感器和加热器通过12针密封的连接器相连。通常，低温恒温器的动态真空度为约5times;10-6毫巴。不需重新抽气即可连续使用几个月。发射的辐射将经过一个氟化钡窗口。

液氮在大气压力下使系统能够达到的下限温度为79K。我们采用向上抽液氮，降低了液氮沸点，并使低限温度下降到65K，在氮的三相点附近。该系统能够保持18个小时气压和12个小时的液氮持续上抽。在的实验中，我们采用异质铅盐DL（PbSnTe）提供激光光子。

3.DL的控制

3.1 温度控制

我们检测两种不同的温度控制器，一种是模拟型，另一种是数字型。通过下文所述的实验对比测试它们之后，我们选择了数字型的温度控制器：由LakeShore公司生产的340型号。该控制器允许接收两路传感器输入（包括四个主要测量）。传感器可为Pt1000提供1mA的电流。输入信号（传感器电阻）通过24位AD转换器采样;具有每秒20次的采样频率。加热器的输出电路的最大功率100W，输出信号是由一个18位的DA转换器产生。该控制器采用比例-积分-微分算法计算反馈。数字控制器的另一个非常有用的功能是它具有产生温度的线性斜坡的能力。我们能从下面看到此功能的效率。

我们需要知道系统的响应以便调节PID性能参数。为了确定这些参数，我们需要把系统通过特定加热步骤。然后，热薄系统模型将可用于计算响应时间。当系统的升温和冷却集中在一个平面时可被称为热薄膜系统。此时温度梯度则可以忽略不计。验证这一假设的决定性参数是Biot数：

其中，lambda;是热导率，L是系统通过其整个交换面分割的体积，h是热交换系数。当Bile;1时符合热薄模型。这里，该系统是在DL保持器。它是由铜制成的，所以lambda;的值约为400W M-1K-1。由于在低温恒温器的真空外壳限制了对流，热交换系数h将非常小。L的值约为几个厘米。因此，在Bi是非常小的情况下，热薄膜系统模型是有效的。它的的响应时间经测试为63s。LakeShore公司的340型设备的积分项系数是由以秒为单位的响应时间除以1000而得到的。我们通过反复试验和误差校正，将比例项系数调整至600，并将微分项系数调至0，实现了良好的系统稳定性。

图2显示了在没有任何调节的情况下系统在30分钟内的变化情况，在大气压力力下，在没有完全达到系统的平衡温度之前。在很长的响应时间内存在20mu;K s-1的温度漂移。我们通过记录实际的温度曲线并减去平均值来估计这个无调节系统的温度不稳定性。最终确定的系统的不稳定性为每分钟plusmn;0.30 mK左右。

温度（K）

时间（S）

图2 自由状态下DL的温度变化

从图3中可以看出系统的温度稳定性在调节过程中为10K，在低限温度之上。该图所展示的是A和B两个铂传感器所记录的温度数据，A传感器用于反馈，它的信号的标准偏差为每分钟plusmn;0.15 mK。B传感器则是独立的。在B传感器是免费的。其中一个数据存在轻微的漂移是由于DL保持器的温度不均匀性造成的。这温度漂移约为5mu;K，相对于整个系统而言这是微不足道的。

传感器B

传感器A

时间（S）

传感器B的温度（K）

传感器A的温度（K）

图3 调节过程中两个传感器的温度变化，其中传感器A用于反馈

连续向上抽取液氮允许我们将系统工作在79 K以下，此时的温度稳定性是小于没有抽取工作的，这可以通过一个非恒定的抽取速率的情况进行说明。 图4显示了在67.5ķ温度调节下100分钟内的温度数据。此时标准偏差超过每分钟plusmn;0.6mK。

时间（S）

温度（K）

图4 向上抽取LN2时LD的温度变化

3.2 恒流源

和温度一样，驱动电流也应该具有高稳定性以减少DL的发射线宽。我们通过测量两个电流源的不稳定性水平的方式进行检测。第一个是与主电源直接相连，并在100mA范围内具有plusmn;7uA稳定性的恒流源。第二个是既可以直接连接主电源也可以使用电池的恒流源。在100mA范围内其稳定性为plusmn;2uA。两个恒流源均配有EXT连接器，可以通过外部的数字系统产生电流斜坡，但是第一个恒流源在产生电流斜坡时会引入较为严重的电流噪声。在我们的实验中，我们选用第二个恒流源，它是由ILX Lightwave公司生产的（型号LDX3620）。

我们记录所选择的恒流源在40KHz光谱范围下的两种工作模式的的噪声频谱。 图5显示了这些噪声频谱。其较为明显的噪声频率低于500Hz。它们是由于主电源或者电池模式电量大大减少而引起的。很显然，恒流源在使用电池模式时会产生特别的现象，因为甚至所有的50Hz谐波会消失，而且奇次谐波虽然存在但会大大减少。这些都归咎于环境的EMI。

频率（Hz）

噪声功率（W）

电源

电池

图5电源和电池供电下的电流源噪声谱

4. 实验装置

图6展示了该光谱实验装置的光学装置简图。由LD发射的光线被一个90°偏轴轴抛物面反射镜（PM）（F=50毫米）收集。通过改变翻转反光镜的位置，平行光束可轻易的通过一个光栅光谱仪（车尔尼特纳式）。这对获得发射的波长的粗略测量值是非常有效的。光束在光谱仪的输出时进行调制。我们使用两个相同的透镜L1和L2在一个共焦点上排列以创建DL的图像。斩波器也安装在在这一点上。将频率调节为2800Hz。接着光束被一个25％的反射光束分离器（BS）分为两部分。

图6 吸收光谱实验实验装置

第一光束经过一个建造在实验室的共焦点法布里 - 珀罗（GFP）设计[4]。镜子是250毫米分离的ZnSe半月平行板。半月镜凹面涂覆有电介质，该涂层在我们工作波长条件下的反射率是89％。半月镜的凸侧涂覆有抗反射涂层。反射镜的表面的参数约为lambda;/ 70=8.5mu;m。辐射穿过CFP后，由液氮冷却的光敏HgCdTe检测。CFP用作相对频率参考，其自由光谱范围（FSR）为10-2cm-1。通常使用的标准器是一个简单的法布里 - 佩罗特装置，就像一块低精细度的锗板。但是，高精细度装置也非常有效，实际上，这样的条纹精度已经能够满足对装置线宽功能的检测[4]。而且DL的单模辐射会立即被表面的条纹进行检查。

光束的另一部分首先经过一个21cm长，充满3脱SO2的氟化钡窗。然后该信号通过与第一个检测器类似的装置进行测量。

如图7所示，检测到的信号将以每3ms的固定周期发送给两个锁相放大器。该信号由一个数字采集系统（每秒100次测量，10ms数字积分时间）采集。频谱采集时间为40秒。

锁相放大器1

锁相放大器1

断路器

温度

控制器

电流源

获得

斜坡

发生器

电脑

图7 整体系统框图

5. 结论

光谱实验是在1168-1169cm-1（V1振动）的SO2吸收区域内进行的。

5.1.恒温控制与电流调整

我们先采用传统的方式记录频谱。恒温控制一个电流斜坡用于DL的波长调谐。所记录数据如图8所示。

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