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QCL显微术指南
QCL红外光谱
什么是QCL或量子级联激光器?
简而言之，这是一个可调谐的中红外激光器-但让我们更详细地介绍。
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，通过对其施加电压来产生辐射。与只产生单一波长的经典均匀二极管激光器相反，QCL可以发射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，其中发射的波长可以通过倾斜光栅来选择。这个过程叫做“调优”。
在QCL中，不同的半导体层彼此堆叠在一起形成二极管。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“有源区域”或一个掺杂电子注入器。通常，QCL由一系列对活性区域和注入器组成。
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)必须在势阱中采用离散状态这一事实。这些潜在的阱以及其中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，通过具体设计QCL的每个活性区域，我们可以确定在电子跃迁过程中发射的波长。
如果QCL要用于宽光谱范围的光谱分析，则必须相应地调整活性区域的设计。例如，所谓的“绑定连续”设计将在宽光谱范围内创建光子的准连续光谱。通过将QCL放置在外部腔体中，激光的发射波长可以设置为活跃区域光谱内的任何波长，从而创建可调的中红外源。
量子级联激光器是如何产生光子的?
在QCL中，辐射不是由导带电子与价带空穴的经典重组产生的。如果对QCL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域和注入器的堆栈“级联”。每个电子将在一个活跃区域进行激光跃迁，产生一个中红外光子。
由于电子在每次激光跃迁后都停留在导带中，每个电子将产生多个光子，每个光子对应QCL的每个活性区域。近年来，可调谐QCLs的平均输出功率显著提高，可达光谱范围显著拓宽。其核心性能改进是基于改进的量子力学计算，该计算描述了活性区域和注入器中电子的能量状态。
QCL光谱与FT-IR光谱的区别
要理解为什么QCL为令人兴奋的红外光谱之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，量子级联激光器从根本上不同于用于FT-IR的传统热源。
传统的热源发射光子的光谱范围很广。因此，每个波长的光子数量非常小，因此，用于FT-IR光谱的探测器必须具有很高的灵敏度。
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将以大约相同的波长发射所有光子。这意味着QCL的谱功率密度通常比热源的高几个数量级。
这种准单色性质使得使用相对缓慢，非冷却的探测器，这将不适合FT-IR光谱。然而，当与QCL结合使用时，我们可以利用这些探测器的全动态范围，并检测单波长的信号，从而获得优异的信噪比。
这把我们带回到最初的问题:为什么使用qcl进行光谱学?
当然，更好的信噪比是一个很大的优势，但最重要的是，QCL显微镜不需要为化学图像的每个像素记录完整的红外光谱，这与FT-IR不同。
在某些情况下，例如实时红外成像，这使得基于qcl的仪器比基于ft - ir的仪器更有效。
QCL红外显微术
QCL显微镜是什么?
就像传统的FT-IR显微镜一样，QCL IR显微镜允许通过获取空间分辨光谱信息对微观样品进行化学成像。但是，它不需要花费时间在每个测量点捕获完整的红外光谱，而是使您能够专注于特定的光谱范围，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FT-IR的光谱仪，并用室温微辐射热计阵列替换成像FT-IR显微镜的n2冷却fpa探测器时，你就得到了一台QCL红外成像显微镜。
并不是每个QCL显微镜都是一样的
宽视场设置是QCL显微镜的各种设计之一。在这里，一个更大的样本区域被一次照亮，然后通过微辐射热计阵列检测传输或反射辐射。由于QCL源提供了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技术应用于红外显微镜也存在一些技术上的挑战。首先，激光源的相干特性导致了相干人工效应。这些条纹和斑点在红外图像和光谱中通常被认为是有害的化学成像。事实上，将样品的化学信息从描述散射光子相位关系的物理信息中分离出来并不是一件简单的事情。
然而，Bruker已经用HYPERION II解决了这个问题(以及更多问题)。最终有可能在任何测量模式下收集漂亮的、无相干伪影的化学红外图像。
QCL显微镜的优点:
基于qcl的红外显微镜可以显著增强FT-IR显微光谱，因为这两种技术具有互补性。尽管现代的qcl覆盖了整个光谱指纹区域，但是完整的中红外区域还不能访问。这一点尤其明显，因为宽广的光谱范围是FT-IR的固有优势，而扩展QCL系统的范围需要付出巨大的代价。
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的宽视场设置来说不是问题。通过结合这两种技术，可以避免缺点，并将它们的优点结合起来，提高两者的效率。
这正是为什么科学家需要在现实场景中仔细比较FT-IR和QCL。这是可持续转让和改进现有IR应用程序的唯一途径。同样，新的QCL方法必须通过FT-IR验证，以使其更加可靠和健壮。
QCL显微镜的优点:
- 通过专注于特定的光谱范围，减少了采集时间
(如单个吸收峰) - 单波长实时红外成像
(以视频帧率计算) - 通过化学数据实时选择ROI，而不仅仅是视觉效果
- 具有高化学对比度的超大IR全景图像的超快速创建
QCL显微镜的局限性:
- 与FT-IR相比，光谱范围有限(只有MIR可用)
- 高功率红外激光对眼睛和皮肤有危害。这就是为什么Bruker开发了具有安全联锁的1级激光外壳，以保护用户免受有害激光辐射的影响。
QCL红外显微镜视频
QCL显微镜5分钟解释
QCL红外显微镜常见问题
QCL IR常见问题
什么是激光?
激光是一种由受激发射产生相干辐射的装置。(激光:通过受激辐射放大光)
QCL代表什么?
QCL代表量子级联激光器。
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，可以在一定波长范围内发射辐射，特别是在电磁波谱的中红外(MIR)区域。
qcl能做什么?
qcl可以作为红外光谱研究中的红外辐射源。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红外显微镜可用于创建微观样品的化学图像。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显微镜被设计为宽视场设置，其中微辐射热计阵列以视频帧率记录微观样品的完整图像。通过使用阵列探测器，可以实现非常高的数据采集速率。
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，而FT-IR在有限的采集速度下提供了完整的MIR光谱范围。
qcl适用于哪里?
目前，它们主要用于QCL红外显微镜，光谱仪和痕量气体检测系统。
我可以结合FT-IR和QCL吗?
布鲁克很快将在一台仪器中提供两种技术的无缝集成。通过这种方式，您可以避免任何限制，从而获得两方面的好处。