Marcus Braun

Fast gas spectroscopy using pulsed quantum cascade lasers

Laser spectroscopy has found many industrial applications, e.g., control of automotive exhaust and process monitoring. The midinfrared region is of special interest because it has stronger absorption lines compared to the near infrared (NIR). However, in the NIR high quality reliable laser sources, detectors, and passive optical components are available. A quantum cascade laser could change this situation if fundamental advantages can be exploited with compact and reliable systems. It will be shown that, using pulsed lasers and available fast detectors, lower residual sensitivity levels than in corresponding NIR systems can be achieved. The stability is sufficient for industrial applications.

Linewidth measurement of free-running, pulsed, distributed feedback quantum cascade lasers

In gas spectroscopy with distributed feedback quantum cascade lasers (DFB-QCLs), linewidth is an important measurement parameter. However, in standard usage, these lasers are used in pulsed operation, so that the laser linewidth can no longer be assumed to remain constant over the length of the pulse. For the instantaneous measurement of such dynamic linewidths, a suitable measurement technique was still lacking. Frequently, pulse lengths of 5 to 10 ns are used to obtain laser linewidths that will be suitable for gas measurements. In these experiments, standard photoconductive or photovoltaic mid-infrared detectors with bandwidths in the 1 MHz range are employed, so that the linewidth is averaged over the tuning range of the QCL. The linewidth averaging could be reduced by shorter pulses, but for pulses shorter than 5 ns, the Fourier limitation increases the linewidth again. We present a technique to measure the dynamic laser linewidth continuously within a laser pulse of 30 ns to several μs. Due to the u...

Single-mode InP-based quantum cascade lasers for applications in trace-gas sensing

We present pulsed operation of index-coupled distributed feedback quantum cascade lasers based on the GaInAs/AlInAs/InP materials system emitting at a wavelength around 5.4 μm. The emission is single mode in the entire investigated temperature range between 240K and 350K with a side mode suppression ratio larger than 27 dB. These devices are employed in a fast gas detection experiment for the quantitative detection of nitric oxide. With the present measurement system minimum noise equivalent concentrations between 16.7 ppbv and 23.3 ppbv are obtained, corresponding to minimum detectable optical densities between 4.7•10-5 and 6.5•10-5.

New infrared sources for breath analysis

Infrared breath analysis is used in diagnostics of respiratory diseases, pulmonary function testing, and for metabolic studies. With selective and highly sensitive instruments exhaled trace gas concentrations can be related to specific diseases. For many applications also a time resolution below 0.1s is needed. Frequently, performance is limited by the IR source. New developments offer solutions even for compact instruments. Different setups employing quantum cascade lasers (QCL), VCSELs, and a new optically pumped IR emitter are compared focusing on CO2 measurements as an example.

Schnelle Gasspektroskopie mit gepulsten Quantenkaskadenlasern für die Luftgütemessung (Fast Gas Spectroscopy with Pulsed Quantum Cascade Lasers for Air Quality Measurement)

Abstract Quantenkaskadenlaser (QCL) sind neuartige Laserstrahlquellen im mittleren Infrarot (MIR, 3–30μm). Damit können kompakte und hochempfindliche Laserspektroskopiesysteme ohne aufwändige Kühlung aufgebaut werden. Mit gepulsten QCLs sind Messraten im Bereich 10–100 kHz möglich. Bei Messungen mit den Gasen CO2, NO und NH3 werden Nachweisgrenzen unter 1 ppm·m erreicht. Das Verfahren eignet sich für offene Messstrecken und liefert eine simultane Wegmessung.

Charakterisierung von QCLs und Aufbau von QCL-Modulen für die Gasmesstechnik (Characterisation of QCLs and Development of QCL-Modules for Gas Sensing Applications)

Abstract 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, CO2, NO, N2O und NH3 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.

Industrielle Sauerstoffmessung mit einem neuartigen oberflächenemittierenden Laser (Oxygen Measurements by Using a Novel Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)

Abstract Oberflächenemittierende Halbleiterlaser (VCSEL) werden zur spektroskopischen Sauerstoffmessung im Wellenlängenbereich bei 762 nm eingesetzt. Hierfür wurden besonders polarisationsstabile Laserdioden auf der Basis von AlGaAs entwickelt. Im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern lassen sich VCSELs deutlich besser über den Betriebsstrom abstimmen, während sich die Temperaturmodulation in der gleichen Größenordnung bewegt. Bei dem konventionellen Verfahren der Abstimmung über Stromrampen wurde 1 kHz als Messfrequenz gewählt. Weiterhin wurde der Einsatz besonders schneller Peltierelemente für die schnelle Abstimmung durch Temperaturrampen über mehrere Gasabsorptionslinien gezeigt.