Semiconductor laser based microsystem light sources for Raman spectroscopy

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung kompakter Halbleiterlaser basierter Mikrosystemlichtquellen für die Raman-Spektroskopie. Anhand von Anforderungen aus der Raman-Spektroskopie werden Zielspezifikationen für eine Anregungslichtquelle bei 671 nm und 488 nm erarbeitet. Eine Anregung im visuellen Spektralbereich beinhaltet jedoch ein zusätzliches Risiko einer Maskierung von Raman-Signalen, beispielsweise durch einen Fluoreszenzuntergrund. Techniken zur Untergrund reduzierten Raman-Spektroskopie werden diskutiert. Elektro-optische und spektrale Eigenschaften der Lasermodule werden darauf hin für die shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) erweitert. Die Lasermodule bei 671 nm basieren auf einer externen Laserkavität, die sich auf einer mikro-optischen Bank befindet. Innerhalb der Kavität befindet sich als aktives Lasermedium ein Halbleiterlaser. Zur Strahlformung werden zylindrische Mikrooptiken eingesetzt. Ein Reflexions-Bragg-Gitter befindet sich, als Wellenlängen selektiver Resonatorspiegel, auf der Rückseite des Diodenlasers. Alle Komponenten sind auf einer Aluminium-Nitrid (AlN)-Mikrobank aufgebaut und fixiert. Das Konzept einer Lichtquelle bei 488 nm basiert auf der optisch nichtlinearen Frequenzverdopplung (second harmonic generation - SHG). Ein DFB-RW Laser mit einer Emission bei 976 nm wird als Wellenlängen stabilisierte Pumplichtquelle eingesetzt. Das Licht wird über zylindrische Mikrooptiken in ein SHG-Wellenleiter Kristall eingekoppelt. Zwei weitere Mikrooptiken kollimieren das frequenzverdoppelte Licht am Austritt des Moduls. Wie auch bei den Lasermodulen bei 671 nm werden alle Komponenten auf einer AlN-Mikrobank montiert. Es werden für die Lasermodule bei 671 nm als auch für die SHG-Mikrosystemlichtquellen bei 488 nm die Konzepte und der Aufbau vorgestellt und erläutert. Eine Herausforderung besteht in der präzisen Justage und Montage der mikro-optischen Komponenten bis in den Sub-Mikrometerbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierzu ein speziell entwickelter Messplatz mit einer 6-Achsen-Verstelleinheit zur Montage von Mikrosystemlichtquellen realisiert, der diese Herausforderung erfüllt. Charakteristische Eigenschaften realisierter Module werden im Hinblick auf die erarbeiteten Zielspezifikationen diskutiert. Eigenschaften von Mikrosystemlichtquellen bei 671 nm werden mit BA-Lasern unterschiedlicher Streifenbreite als Gewinnmedium gegenüber Referenzlasern verglichen und bewertet. Bis zu einer optischen Leistung von 1,5 W im Dauerstrichbetrieb zeigen die Module eine spektral stabilisierte Emission mit ΔλFWHM ≤ 100 pm. Ein zuverlässiger Betrieb der Module wird bis zu einer optischen Leistung von 1 W mit einer Betriebszeit über 8000 Stunden demonstriert. Basierend auf dem Verständnis zur Entwicklung dieser Mikrosystemlichtquellen wird ein Konzept für die Realisierung neuartiger Lasermodule bei 671 nm mit zwei spektral stabilisierten Emissionswellenlängen für SERDS präsentiert. Der Einsatz eines Moduls als Anregungslichtquelle demonstriert die Eignung dieser Mikrosystemlichtquellen für die Raman-Spektroskopie und SERDS. Als Testsubstanz wurde Ethanol in einer fluoreszierenden Störumgebung gewählt. Mit diesem Lasermodul und SERDS kann, im Verhältnis zur Raman-Spektroskopie, das Signal-zu-Untergrundrauschen um den Faktor 10 verbessert werden. Die Entwicklung einer SHG-Mikrosystemlichtquelle bei 488 nm beinhaltet in dieser Arbeit, auf Grund der spektralen Eigenschaften des Pumplasers und des SHG-Kristalls, ein Konzept mit einer gemeinsamen Temperierung der Komponenten. Dies ermöglicht eine spektrale Durchstimmung des Lasermoduls über die Temperatur und erhöht dessen Temperaturunempfindlichkeit. Mit einem DFB-RW Laser als Pumplichtquelle und 220 mW bei 976 nm kann ein SHGLasermodul mit einer frequenzverdoppelten optischen Leistung von 56 mW bei 488 nm im Dauerstrichbetrieb präsentiert werden. Die Leistungsschwankung liegt bei < 1%. Mit einer Konversionseffizienz von 26% bleibt die elektrische Leistungsaufnahme des Moduls bei < 1 W. Mit einer realisierten SHG-Mikrosystemlichtquelle wird so erstmals der Einsatz einer Anregungslichtquelle bei 488 nm für die shifted excitation resonance Raman difference spectroscopy (SERRDS) erfolgreich demonstriert. Die SHG zeigt zudem eine Unterdrückung der spontanen Emission des Pumplasers. Dies ermöglicht Raman-spektroskopische Untersuchungen bei 488 nm, bei denen auf einen Laserbandpassfilter im Messaufbau verzichtet werden kann. Als Testsubstanz für SERRDS wurde der künstliche Lebensmittelfarbstoff Tartrazin (E 102) gewählt. Mit der in dieser Arbeit vorgestellten SHG-Mikrosystemlichtquelle und SERRDS als kontaktfreie spektroskopische Methode kann für den Analyten E 102 in destilliertem Wasser eine Nachweisgrenze von 0,4 µmol l-1 (≈ 214 ppb) erzielt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Halbleiterlaser basierten Lasermodule sind auf andere Anregungswellenlängen übertragbar und als Anregungslichtquelle für die Raman-Spektroskopie und SERDS geeignet.In this doctoral thesis the development of compact semiconductor laser based microsystem light sources for Raman spectroscopy will be presented. Specifications for excitation light sources at 671 nm and 488 nm will be derived from the requirements for Raman spectroscopy. However, an excitation in the visual spectral range leads to an excessive risk of generating fluorescence and thus masking the Raman signals. Techniques for background reduced Raman spectroscopy will be discussed. Electro-optical and spectral properties of the laser modules will also be detailed for the shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS). To realize compact excitation light sources which meet these requirements two concepts using microsystem technology, will be presented. Laser modules at 671 nm are based on an external laser cavity on a micro-optical bench. A semiconductor laser is used as a gain medium. Cylindrical micro-optics are used for beam shaping. As a wavelength selective resonator mirror are reflection-Bragg-grating is placed at the rear side of the diode laser. All components are fixed on an aluminium-nitride (AlN) microbench. The 488 nm light source is based on second harmonic generation (SHG). A DFB-RW laser with an emission at 976 nm is applied as a wavelength stabilized pump light source. Cylindrical micro-optics are implemented for beam shaping and coupling of the pump light into a SHG-waveguide crystal. Two additional micro-optics collimate the frequency doubled beam at the exit. As like as the laser modules at 671 nm all components are fixed on an aluminium-nitride (AlN) microbench. The concepts and the assembling will be presented and discussed for both laser modules. The precise adjustment and mounting of micro-optical components down to the sub-micrometer range is one challenge. To meet this, a special developed laboratory setup using a 6-axes alignment stage was realized. Characteristic properties of the realized modules will be discussed with respect to the defined specifications. Electro-optical and spectral properties of microsystem light sources at 671 nm using BA lasers with different stripe width will be evaluated and compared with reference lasers. The modules show a wavelength stabilized emission with ΔλFWHM ≤ 100 pm up to an output power of 1.5 W in continuous wave operation. Reliable operation of the modules over more than 8000 h is demonstrated up to an optical power of 1 W. Based on the understanding of these microsystem light sources a concept of new laser modules at 671 nm with two spectral stabilized emission wavelengths for SERDS will be presented. The application of a module as an excitation light source for Raman spectroscopy and SERDS will be demonstrated. Ethanol in a fluorescent environment was used as a test sample. Using SERDS a signal-to-background noise can be improved by a factor of 10 compared to Raman spectroscopy. The understanding of the spectral properties of pumplaser and SHG-crystal leads to a concept for a combined temperature management for both components of a SHG microsystem light source at 488 nm. This opens the possibility of spectral tuning by changing the temperature and improves the temperature insensitivity of the laser module. A SHG laser module with a continuous wave frequency doubled optical power of 56 mW at 488 nm using a DFB-RW laser as a pump light source with 220 mW at 976 nm can be presented. The power fluctuation is < 1%. With a conversion efficiency of 26% the power consumption is < 1 W. For the first time the successful application of a SHG microsystem light source at 488 nm for shifted excitation resonance Raman difference spectroscopy (SERRDS) will be presented. Additionally the SHG shows a suppression of the spontaneous emission of the pumplaser. This allows Raman spectroscopic investigations at 488 nm without using a laser bandpass filter in the setup. The artificial colorant Tartrazine (E 102) was used as a test sample for SERRDS. For E 102 in distilled water a limit of detection of 0.4 µmol l-1 (≈ 214 ppb) was achieved using the presented SHG microsystem light source and SERRDS. Semiconductor laser based laser modules presented in this thesis are transferable to other excitation wavelength and are well-suited as excitation light sources for Raman spectroscopy and SERDS