Резонансно перестраиваемые квантово-каскадные лазеры (ККЛ) — это высокоэффективные источники лазерного излучения для широкого спектра применений в спектроскопии в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне. Их высокая яркость позволяет сократить время измерений для более точной и эффективной характеризации процессов и может использоваться, например, в химической и фармацевтической промышленности, медицине или технологиях безопасности.
Однако до сих пор производство модулей ККЛ было относительно сложным и дорогостоящим. Поэтому Институт прикладной физики твёрдого тела имени Фраунгофера (IAF) разработал полуавтоматический процесс, который значительно упрощает производство модулей ККЛ с использованием сканера решётки MOEMS (микрооптоэлектромеханическая система) во внешнем оптическом резонаторе (ВОР), делая его более экономичным и привлекательным для промышленности.
Технология MOEMS-EC-ККЛ была разработана Институтом Фраунгофера для фотонных микросистем (IPMS) в сотрудничестве с Институтом прикладной физики твёрдого тела имени Фраунгофера (IAF).
«Потенциал рынка для MOEMS-EC-ККЛ огромен. Высокая яркость в сочетании со спектральной перестройкой благодаря использованию дифракционных решёток MOEMS позволяет развивать методы измерений на основе ИК-спектроскопии Фурье и использовать их для технологий встроенных измерений», — объясняет доктор Марко Хартельт, руководитель группы лазерных измерительных технологий в IAF.
«Мы смогли довести технологию до уровня, готового к промышленному применению, с точки зрения стоимости и доступности: с одной стороны, разместив производство модулей MOEMS-EC-ККЛ на полуавтоматической производственной основе; с другой стороны, используя масштабируемый подход для объединения модулей с дополнительными спектральными диапазонами», — подчёркивает Хартельт.
«Последний значительно сокращает количество различных модулей, необходимых для покрытия всего диапазона среднего ИК от 4 до 11 мкм, тем самым достигая необходимой экономии за счёт масштаба», — подчёркивает Хартельт.
Высокие производственные затраты являются основным препятствием для широкого использования MOEMS-EC-ККЛ: до сих пор модули можно было собирать только вручную, поскольку их приходилось активно настраивать. Разработанный процесс автоматизирует процесс сборки MOEMS-EC-ККЛ в существенных частях с помощью системы pick-and-place, что значительно снижает производственные затраты.
Кроме того, Институт Фраунгофера имени прикладной физики твёрдого тела разработал гибкий и масштабируемый метод для эффективного объединения нескольких лазерных источников в многоядерную систему. Отдельные модули ККЛ имеют лишь ограниченную спектральную ширину. Объединяя модули с дополнительными спектральными диапазонами, можно настроить специализированные многоядерные системы, которые достигают эффективной скорости спектральных измерений более 1 миллиона волновых чисел в секунду.
Благодаря более эффективным процессам сборки и комбинирования преимущества технологии ККЛ впервые станут широко доступными, особенно для малых и средних предприятий (МСП).
Характеристики MOEMS-EC-ККЛ
MOEMS-EC-ККЛ характеризуются широкой спектральной перестройкой в диапазоне длин волн среднего ИК от 4 до 11 мкм и высокой спектральной яркостью. Они подходят для широкого спектра методов спектроскопии (пропускание, обратное рассеяние, ATR, микрофлюидика, спектроскопия точек интереса) и позволяют записывать полные инфракрасные спектры всего за 1 мс.
Потенциальные области применения MOEMS-EC-ККЛ разнообразны: их можно использовать, например, в технологии измерения полупроводников для определения толщины эпитаксиальных слоёв и их состава, в технологической аналитике для оптимизации химических реакций, в технологическом контроле для тестирования покрытий, в технологиях безопасности для обнаружения опасных веществ или интоксикантов, а также в фармацевтической промышленности для обеспечения качества.
Для демонстрации новых разработанных производственных и комбинированных процессов для модулей MOEMS-EC-ККЛ Институт Фраунгофера имени прикладной физики твёрдого тела представит многоядерную систему, состоящую в общей сложности из четырёх полуавтоматически изготовленных модулей MOEMS-EC-ККЛ и сопутствующих периферийных устройств, на выставке Laser World of Photonics в Мюнхене с 24 по 27 июня этого года. Она будет выставлена вместе с другими яркими экспонатами из подразделения оптоэлектроники на объединённом стенде Фраунгофера в зале A3, стенд 431.
Результаты были получены в рамках проекта AIRLAMet (Электрооптическая измерительная система для встроенного контроля производства при изготовлении микросхем). В этом проекте партнёры Fraunhofer IAF, Fraunhofer IPMS и Sacher Lasertechnik GmbH работают под координацией sentronics metrology GmbH над созданием устройства для измерения толщины и состава тонких функциональных слоёв в полупроводниковом производстве. Предоставление высокопроизводительного и экономически эффективного лазерного источника света для измерительной системы знаменует собой первый этап на пути к достижению целей проекта.
Предоставлено Институтом прикладной физики твёрдого тела имени Фраунгофера.