GaSb Halbleiterlaser im Wellenlängenbereich 1, 9 µm - 2, 2 µm, deren Anwendungen in der QEPAS sowie deren Miniaturisierung

Milde, Tobias

Die Messung von Spurengasen ist für viele Bereiche essentiell. So werden beispielsweise industrielle Verfahren anhand der Konzentration von Prozessgasen gesteuert oder ärztliche Diagnosen durch den Befund von Spurengasen im menschlichen Atem gefällt. Viele moderne Spurengasanalysen setzen auf optische Messmethoden. Hierfür wird i.A. ein Laser als Lichtquelle verwendet. Für die Bestimmung von Gaskonzentrationen werden die wellenlängenabhängigen Absorptionslinien der Atome/Moleküle verwendet. Viele Moleküle haben ihre stärksten Absorptionslinien im NIR (780 nm < λ < 3 µm). Eine nahezu vollständige Abdeckung von Laserquellen im Spektrum von 250 nm bis 10 µm wurde bereits erreicht. Hierdurch verschieben sich nun auch die Ziele der modernen Laserchip Forschung. Es werden jetzt Optimierungen an bestehenden Materialsystemen angestrebt. Einer dieser zu überarbeitenden Bereiche liegt bei λ ~ 2 µm. Hier ist momentan Indiumphosphid (InP) als aktives Medium Stand der Technik. An der höherwelligen Grenze verliert InP stark an optischer Leistungsfähigkeit (z.B. P < 3 mW). Deshalb wird in dieser Arbeit der Ansatz untersucht, GaSbbasierte Laser an deren unterer Wellenlängengrenze weiter zu verbessern. Die Galliumantimonid-Laserchips konnten erfolgreich prozessiert und in Lasersystemen aufgebaut werden. Die Eigenschaften dieser Lasersysteme zeigen Verbesserungen bezüglich der Ausgangsleistung sowie des Einzelmodenverhaltens im Vergleich zu den bisher gängigen Indiumphosphid-basierten Lasersystemen. Die anvisierten Laserleistungen von PDFB > 5-10 mW bzw. PFP > 30 mW wurden erreicht. Die aus diesem Ansatz resultierenden Laserdioden wurden dann auch im weiteren Verlauf der Arbeit an einer spektroskopischen Anwendung getestet. Eine recht junge und vielversprechende Anwendung ist die Quarz-verstärkte photoakustische Spektroskopie (engl. quartz enhanced photoacoustic spectroscopy, kurz QEPAS). Bei der QEPAS wird der photoakustische Effekt an Gasen ausgenutzt. Akustische Wellen werden hierbei mit einer Quarzstimmgabel detektiert. Dadurch können sehr kleine Messkammern mit entsprechend kleinen Probenvolumina realisiert werden. Die neuen GaSb Laserdioden sind entscheidend, da in der Photoakustik die Signalstärke proportional zur eingestrahlten Lichtleistung ist. Durch die hohe Leistung der neuen GaSb Laser konnte moderne photoakustische Spektroskopie an relevanten Treibhausgasen und an medizinisch relevanten Gasen (CO2, N2O) durchgeführt werden. Desweiteren wurden vergleichende Messungen an Methan (1650 nm, 2300 nm, 3300 nm, 7900 nm) durchgeführt. Für die QEPAS Messungen wurden reine Gase im Laborumfeld verwendet. Außerdem konnte eine Miniaturisierung eines QEPAS-Sensors realisiert werden. Zu ersten Mal erfolgte eine Zusammenführung einer Quarzstimmgabel mit der Anregungsquelle in einem ButterflyGehäuse. Dies schafft neue Möglichkeiten der Spurengasdetektion im mobilen Einsatz. Hier konnte Methan bei 1650 nm gemessen werden.

Trace gases measurements are essential for many areas. For example, industrial manufacturing is controlled based on the concentration of process gases or medical diagnoses are made based on trace gases found in human breath. Many modern trace gas analyzes rely on optical measurement methods. Lasers are used as a light source for optical techniques generally. The wavelength-dependent absorption lines of the atoms / molecules are used to determine gas concentrations. Many molecules have their strongest absorption lines in the NIR (780 nm <λ <3 μm). Almost complete coverage of laser sources in the spectrum from 250 nm to 10 μm has already been achieved. As a result, the goals of modern laser chip research are now also shifting. Optimizations of existing material systems are now being sought. One of these areas to be revised is λ ~ 2 μm. Indium Phosphide (InP) is currently state of the art as the active medium. At the higher wavelength limit, InP loses a lot of its optical performance (e.g. P <3 mW). Therefore, in this thesis the approach is investigated to further improve GaSb based lasers at their lower limit. The Gallium Antimonide laser chips were successfully processed and built into laser systems. The properties of these laser systems show improvements in terms of output power and single mode behaviour compared to the previously common one Indium Phosphide-based laser systems. The targeted laser powers of PDFB> 5-10 mW or PFP> 30 mW were achieved. For this thesis the resulting laser diodes were then also tested for spectroscopic application. A very recent and very promising application is quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS). QEPAS uses the photoacoustic effect of gases. Acoustic waves are detected with a quartz tuning fork. As a result, very small measuring chambers with correspondingly small sample volumes can be realized. The new GaSb laser diodes are crucial because in photoacoustics the signal strength is proportional to the radiated light input. Thanks to the high performance of the new GaSb laser, modern photoacoustic spectroscopy could be performed on relevant greenhouse gases and medically relevant gases (CO2, N2O). Furthermore, comparative measurements on methane (1650 nm, 2300 nm, 3300 nm, 7900 nm) were carried out. Pure gases in the laboratory environment were used for the QEPAS measurements. In addition, a miniaturization of a QEPAS sensor was realized. For the first time, a quartz tuning fork was combined with the excitation source in a butterfly housing. This creates new possibilities for trace gas detection in mobile use. Here methane was measured at 1650 nm.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Milde, Tobias: GaSb Halbleiterlaser im Wellenlängenbereich 1, 9 µm - 2, 2 µm, deren Anwendungen in der QEPAS sowie deren Miniaturisierung. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export