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QCL显微术指南
QCL红外光谱学
什么是QCL或量子级联激光器？
简而言之，它是一种可调谐的中红外激光器——但让我们来深入了解更多细节。
量子级联激光器是一种异质二极管激光器，与任何二极管激光器一样，辐射是通过施加电压产生的。与传统的只产生单一波长的同质二极管激光器不同，QCL可以发出中远红外波长范围内的光。为了做到这一点，QCL被放置在一个所谓的外腔中，其中发射波长可以通过倾斜光栅来选择。这个过程称为“调优”。
在QCL中，不同的半导体层相互堆叠形成二极管。激光二极管的总长度达到几毫米，尽管每一层只有几纳米厚。根据各个层的厚度，一堆层可以形成一个“有源区”或一个掺杂的电子注入器。典型地，QCL由一系列活动区域和注入器组成。
如何选择QCL的光谱范围?
基本上，QCL光谱利用了量子物体(例如电子)在势阱中必须采用离散态这一事实。这些势阱以及其中的量子物体的能量可以通过QCL的异质半导体结构的各个层的设计来定义。因此，通过专门设计QCL的每个有源区域，我们可以确定在电子跃迁过程中发射的波长。
如果QCL旨在在广谱范围内用于光谱学，则必须相应地调节有源区的设计。例如，所谓的“绑定到连续性”设计将在宽频谱范围内创建一种准连续光子。通过将QCL放置在外腔中，可以将激光的发射波长设置为在有源区域的光谱内的任何波长，形成可调谐的中红外源。
量子级联激光器是如何产生光子的?
在QCL中，辐射不是由电子从导带与价带空穴的经典重组产生的。如果在QCL上施加适当的偏置电压，半导体导带中的电子将开始通过有源区和注入器堆栈进行“级联”。每个电子将在有源区域进行激光跃迁，产生中红外光子。
由于电子在每次激光跃迁后仍停留在导带内，每个电子将产生多个光子，每个光子对应于QCL的每个活动区域。近年来，可调谐qcl的平均输出功率显著提高，可达光谱范围显著扩大。其核心性能的改进是基于改进的量子力学计算，该计算描述了活跃区域和注入器中电子的能量状态。
QCL与FT-IR光谱的区别
要理解为什么QCL为红外光谱这条令人兴奋的道路打开了一扇新的大门，我们必须首先仔细看看黄金标准:FT-IR。请记住，量子级联激光器与用于傅里叶变换红外的传统热源有着本质的不同。
传统的热源在宽光谱范围内发射光子。因此，每个波长的光子数是相当小的，因此，傅里叶变换红外光谱探测器必须是高灵敏度的。
特别是在显微镜下，这通常需要液氮来冷却。此外，探测器需要非常快，以便能够在光谱仪中记录干涉图。另一方面，QCL将以近似相同的波长发射所有光子。这意味着QCL的光谱功率密度通常比热源的高几个数量级。
这种准单色特性使得使用相对缓慢的、未冷却的探测器成为可能，这并不适合于傅里叶变换红外光谱。然而，当与QCL相结合时，我们可以利用这些探测器的全动态范围，并在单个波长检测信号，从而获得良好的信噪比。
这将我们带回最初的问题：为什么要使用QCLS光谱检查？
当然，更好的信噪比是一个大加，但最重要的是，与其FT-IR对应相比，QCL显微镜不需要为每个像素录制全反照频谱 - 与其FT-IR对应物不同。
在某些情况下，如实时红外成像，这使得基于qcl的仪器比基于ft - ir的仪器更高效。
QCL红外显微镜
什么是QCL显微镜?
就像传统的FT-IR显微镜一样，QCL红外显微镜通过获取空间分辨率的光谱信息，可以对微观样品进行化学成像。但它不需要花时间在每个测点捕捉完整的红外光谱，而是使您能够聚焦在特定的光谱范围，从而将成像速度提高一个数量级。
简而言之，当你用量子级联激光器替换标准宽频带热源和用于傅里叶变换红外光谱仪，用室温微测辐射热计阵列切换傅里叶变换红外成像显微镜的n2冷却fpa探测器时，你就得到了一个QCL红外成像显微镜。
并不是每一台QCL显微镜都是一样的
宽视场设置是QCL显微镜的多种设计之一。在这里，一个更大的样品区域立即被照亮，然后通过微辐射热计阵列检测透射或反射的辐射。由于QCL源提供更高的光谱功率密度，我们可以使用这些探测器来获取视频帧率的红外图像。
当然，将QCL技术应用到红外显微镜中存在一些技术挑战。首先也是最重要的是，激光源的相干特性导致了所谓相干伪影。红外图像和光谱中的条纹和斑点通常被认为对化学成像有害。事实上，将样本的化学信息与描述散射光子相位关系的物理信息分开并不是一件简单的事情。
然而，布鲁克已经解决了这个问题，很快(10月28日-保存日期!）将在任何测量模式下允许美观，连贯的人工制品自由化学成像。
QCL显微镜的优点:
基于qcl的红外显微技术可以显著增强FT-IR微光谱，因为这两种技术的互补性质。虽然现代qcl覆盖了整个光谱指纹区域，但是整个中红外区域还不能访问。这一点尤其明显，因为宽光谱范围是FT-IR的固有优势，而扩展QCL系统的范围需要付出巨大的成本。
另一方面，FT-IR显微镜的主要缺点仍然是有限的采集速度，这反过来对基于qcl的宽视场设置不是问题。将这两种技术结合起来，既可以避免缺点，又可以将优点结合起来，提高两者的效率。
这恰恰是科学家需要在真实的情景中仔细比较FT-IR和QCL。这是可持续地转移和改进已建立的IR应用的唯一途径。同样，必须通过FT-IR验证新的QCL方法，使它们更可靠和强大。
QCL显微镜的优点:
- 通过聚焦在特定的光谱范围，减少了采集时间
(例如单个吸收峰) - 单波长实时红外成像
(在视频帧率) - 利用化学数据进行ROI实时选择，而不仅仅是视觉效果
- 超快速创建大型红外概述图像与高化学对比度
QCL显微镜的局限性：
- 与FT-IR相比，光谱范围有限(只有MIR可访问)
- 高功率红外激光辐射对眼睛和皮肤有危害。这就是为什么布鲁克开发了1级激光外壳与安全联锁，以保护用户免受有害的激光辐射。
关于QCL红外显微镜的常见问题
关于QCL IR的常见问题
什么是激光?
激光器是一种由受激辐射产生相干辐射的装置。(激光:通过受激辐射进行的光放大)
QCL代表什么?
QCL是量子级联激光器的缩写。
什么是量子级联激光器?
量子级联激光器(QCL)是一种异质二极管激光器，可以发射波长范围内的辐射，特别是在电磁波谱的中红外(MIR)区域。
qcl能做什么?
qcl可作为红外光谱的红外辐射源。这种QCL红外仪器不需要干涉仪，但提供有限的光谱范围。
什么是QCL红外显微镜?
QCL红外显微镜可用于生成显微样品的化学图像。它获取化学图像中每个像素的光谱信息，揭示样品化学成分的分布。
什么是QCL红外成像?
对于QCL红外成像，QCL显微镜被设计成一个宽视场装置，其中微辐射热计阵列以视频帧率记录显微样品的完整图像。通过使用阵列探测器，可以实现很高的数据采集率。
QCL比FT-IR好吗?
这完全取决于具体的实验，因为这两种技术都有独特的优点和局限性。QCL具有有限的光谱范围，但提供了高成像速度，FT-IR在有限的采集速度下提供了完整的MIR光谱范围。
QCLs应用于何处?
目前主要应用于QCL红外显微镜、光谱仪和痕量气体检测系统中。
我可以结合FT-IR和QCL吗?
Bruker很快就会在一个有条件中提供两种技术的无缝集成。这样，您可以通过避免任何限制来获得两种益处。