21、中红外可调谐二极管激光光谱仪的原理与应用

中红外可调谐二极管激光光谱仪的原理与应用

在光谱学领域，中红外可调谐二极管激光光谱仪是一种重要的工具。下面将详细介绍其原理、组成部分以及相关应用。

1. 引言

半导体二极管激光的运行最早在1963年被报道。当时，Butler等人报道了铅盐（II - VI材料）的激光运行，而Hall等人则报道了砷化镓（III - V材料）的激光运行。半导体激光器具有独特的输出可调性，这是由于材料折射率随温度变化的特性。1969年，Hinkley和Freed发现半导体激光器的固有线宽约为50 kHz （在2000 cm⁻¹处为0.0000017 cm⁻¹），而使用标准电流源和温度控制器的“自由运行”激光器的发射线宽通常在5到50 MHz （0.00017到0.0017 cm⁻¹）之间，这取决于激光的温度和电流调谐速率。1983年，Freed等人测量到线宽为20 kHz。这种可调性和窄发射线宽使其成为分子光谱学中有趣的光源。

同时，高灵敏度探测器也在这一时期得到发展。长波长探测器具有背景受限的性能，而接近3 µm工作的探测器则接近量子噪声受限的性能。可调谐半导体激光器与这些探测器结合，即使激光的连续波功率只有10到100 µW，也能提供具有高分辨率和信噪比（S/N）的实时光谱，这是使用光栅光谱仪时难以实现的。

III - V激光材料主要用于近红外（NIR）光纤通信应用，因此在许多光谱学感兴趣的区域，这些激光器目前还无法使用。而II - VI材料则主要用于光谱学应用，包括环境监测痕量气体、超精细结构或未解析Q分支结构的光谱学以及分子吸收线强度的测量。如今，虽然对平流层中臭氧等气体监测的研究应用仍在继续，但大多数“常规”基于激光的气体监测器现在使用近红外激光器，因为它们可以在室温下工作