Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser bei 671 nm für die Shifted Excitation Raman Differenz Spektroskopie
Abb. 1: Schema eines Zwei-Wellenlängen-DBR-Diodenlasers mit Y-Koppler bei 671 nm.
Abb. 2: Optische Spektren bei P = 0,1 W und einer Wärmesenkentemperatur T =25°C.
Abb. 3: Raman-Spektren von Polystyrol (PS) angeregt mit beiden Laserkavitäten des Zwei-Wellenlängen-DBR-Diodenlasers mit Y-Koppler bei 671 nm.
Diodenlaser sind etablierte Anregungslichtquellen für die Raman-Spektroskopie. Bei der Untersuchung von z.B. biologischen Proben können die eher schwachen Raman-Signale von einem Fluoreszenzsignal überlagert werden. Die sogenannte „Shifted Excitation Raman Differenz Spektroskopie (SERDS)“ ist hier ein vielversprechender Ansatz mit der sich die Raman-Signale von einem Störsignal trennen lassen. Hierfür benötigt man eine Laserlichtquelle die für Raman-spektroskopische Untersuchungen von festen und flüssigen Proben auf zwei Anregungswellenlängen mit einem spektralen Abstand von 10 cm-1 emittiert. Halbleiterlaser basierte Mikrosystemlichtquellen bei 671 nm wurden für SERDS erfolgreich demonstriert [1]. Diese kompakten Lasermodule haben auf einer Mikrobank einen Grundriss von 20 mm x 5 mm.
Das Ferdinand-Braun-Institut hat dieses Konzept weiterentwickelt und monolithische Zwei-Wellenlängen ditributed Bragg reflector (DBR) Diodenlaser mit einer Emission bei 671 nm realisiert. Der Halbleiterchip hat eine Grundfläche von 0,5 mm x 3 mm und beinhaltet zwei Laserkavitäten. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung der Laserdiode mit zwei Rippenwellenleiter (RW) -sektionen und deren tief geätzten Oberflächen DBR-Gittern. Beide DBR-Laserspiegel wurden in Hinblick auf den notwendigen spektralen Abstand von 10 cm-1 gefertigt. Ein im Halbleiterlaser integrierter Y-Koppler verbindet beide RW-Sektionen für eine gemeinsame Ausgangsapertur an der Frontfacette. Separate Kontakte Gain 1, Gain 2 und Gain 3 ermöglichen ein individuelles Schalten beider Emissionswellenlängen. Für beide Laserkavitäten wurde eine optische Ausgangsleistung von 0,1 W erreicht – optische Spektren befinden sich in Bild 2. Beide Spektren zeigen eine spektrale Breite kleiner 0,02 nm (0,5 cm‑1). Der spektrale Abstand beider Emissionslinien beträgt 0,45 nm (10 cm-1) und ist daher ideal geeignet für SERDS.
Die Anwendbarkeit dieser Diodenlaser wurde mit deren Einsatz als Anregungslaser in Raman-spektroskopischen Untersuchungen verifiziert. Raman-Spektren von festem, transparenten Polystyrol sind mit beiden Laserkavitäten eines Zwei-Wellenlängen-Diodenlasers erzeugt worden und im spektralen „Fingerprint“-Bereich in Bild 3 dargestellt. Die x-Achse (Raman Shift) ist hierbei auf die Raman-Signale von PS_1 und deren Literaturwerte spektral kalibriert. PS_2 wurde mit der zweiten Laserkavität angeregt. Das Raman-Spektrum von PS_2 zeigt hierbei die angestrebte spektrale Verschiebung von 10 cm-1.
Diese monolithisch integrierte Halbleiterlichtquelle ist ideal für den Einsatz in mobilen Sensorsystemen z.B. in Handgeräten geeignet. Die Eigenschaften dieser Lichtquellen und erste Raman‑spektroskopische Ergebnisse werden in Kürze auf der Konferenz “Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies X at the 2013 SPIE Defence Security and Sensing" [8718-8], 29. April - 3. Mai 2013, Baltimore, USA gezeigt.
Die Arbeiten werden im Projekt DiLaRa im Rahmen des BMBF-Programms "Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP" vom BMBF unterstützt (03V0207).
Publikation:
[1] M. Maiwald, Schmidt, B. Sumpf, G. Erbert, H.-D. Kronfeldt, G. Tränkle: "Microsystem 671 nm light source for shifted excitation Raman difference spectroscopy" Appl. Opt., vol. 48, no. 15, pp. 2789-2792 (2009)
FBH-Forschung: 19.02.2013