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QCL显微镜指南
QCL红外光谱学
QCL或量子级联激光器是什么?
简而言之，它是一种可调谐的中红外激光器——但让我们来了解更多细节。
量子级联激光器是一种异质半导体激光器，与任何半导体激光器一样，辐射是通过施加电压产生的。与只产生单一波长的经典均质半导体激光器不同，QCL激光器可以发射中远红外波段的波长范围内的光。为了做到这一点，QCL被放置在一个所谓的外部腔中，在这个外部腔中可以通过倾斜光栅来选择发射波长。这个过程被称为“调优”。
在QCL中，不同的半导体层彼此堆叠以形成二极管。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“有源区”或掺杂电子注入器。通常，QCL由一系列成对的活性区和注入器组成。
如何选择QCL的光谱范围?
基本上，QCL光谱学利用了量子物体（例如电子）必须在势阱中采用离散态这一事实。这些势阱以及其中量子物体的能量可以通过设计QCL的异质半导体结构的各个层来定义。因此，通过具体设计QCL的每个活动区域，我们可以确定电子跃迁期间将发射的波长。
如果QCL用于宽光谱范围的光谱分析，活性区域的设计必须相应地调整。例如，所谓的“结合到连续体”设计将在广泛的光谱范围内创造准连续的光子光谱。通过将QCL放置在外部腔中，激光器的发射波长可以设置为有源区域光谱范围内的任何波长，从而创建一个可调谐的中红外源。
量子级联激光器如何产生光子？
在QCL中，电子从导带与价带空穴的经典复合不会产生辐射。如果向QCL施加适当的偏置电压，半导体导带中的电子将开始“级联”通过有源区和注入器的堆栈。每一个电子都会在一个活跃区域进行激光跃迁，产生一个中红外光子。
因为电子在每次激光跃迁后都留在导带中，所以每个电子都会产生多个光子，QCL的每个活跃区域都有一个光子。近年来，可调谐QCL的平均输出功率增加，可调谐QCL的光谱范围显著拓宽。其核心的性能改进基于改进的量子力学计算，该计算描述了有源区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QCL为何开启了红外光谱的新大门，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FT-IR中使用的传统热源根本不同。
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，探测器的傅里叶变换红外光谱必须高度敏感。
特别是在显微镜下，这通常需要液氮冷却。此外，探测器需要非常快才能在光谱仪中记录干涉图。另一方面，QCL将以几乎相同的波长发射其所有光子。这意味着QCL的光谱功率密度通常比热源的光谱功率密度高几个数量级。
这种准单色性质使我们能够使用相对较慢的非制冷探测器，这不适用于FT-IR光谱。但是，当与QCL结合时，我们可以利用这些探测器的全动态范围，并在单个波长下检测信号，从而获得优异的信噪比。
这让我们回到最初的问题:为什么在光谱学中使用qcl ?
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——不像它的FT-IR对应物。
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的同类仪器效率更高。
QCL红外显微镜
QCL显微镜是什么?
就像传统的FT-IR显微镜一样，QCL IR显微镜可以通过获取空间分辨光谱信息来对微观样品进行化学成像。但它不需要花费时间在每个测量点捕捉完整的红外光谱，它可以让你聚焦于一个特定的光谱范围，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代替标准的宽带热源和用于FT-IR的光谱仪，并用室温微辐射热计阵列切换成像FT-IR显微镜的n2冷却fpa探测器时，你就得到了QCL红外成像显微镜。
并非每个QCL显微镜都是相同的
广域设置是QCL显微镜的各种设计之一。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获取视频帧率的红外图像。
但当然，将QCL技术应用到红外显微镜中还存在一些技术挑战。首先，激光源的相干特性导致了相干效应。这些条纹和斑点在红外图像和光谱通常被认为是有害的化学成像。的确，将样品的化学信息与描述散射光子相位关系的物理信息分离开来并非易事。
然而，布鲁克很快就解决了这个问题(10月28日——拯救这个日子吧!)将允许美丽，相干性自由化学成像在任何测量模式。
QCL显微镜的优点：
由于两种技术的互补性，基于qcl的红外显微镜可以显著增强FT-IR显微光谱。尽管现代qcl覆盖了整个光谱指纹区域，但还不能访问完整的中红外区域。这一点变得尤其明显，因为广泛的光谱范围是FT-IR的固有优势，而扩大QCL系统的范围需要大量的成本。
另一方面，FT-IR显微镜的主要缺点仍然是采集速度有限，这对于基于QCL的宽场设置来说不是问题。通过结合这两种技术，可以避免缺点，并结合它们的优点来提高两者的效率。
这就是为什么科学家需要在现实场景中仔细比较FT-IR和QCL。这是可持续地转移和改进已建立的IR应用的唯一方法。同样，新的QCL方法必须通过FT-IR进行验证，以使其更加可靠和可靠。
QCL显微镜的优点：
- 通过聚焦特定的光谱范围来减少采集时间
（例如，单个吸收峰） - 单波长实时红外成像
(在视频帧率) - 通过化学数据实时选择投资回报率，而不仅仅是视觉效果
- 超快速创建具有高化学对比度的大型红外概览图像
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Bruker已经开发了1级激光外壳与安全连锁，以保护用户免受有害的激光辐射。
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
关于QCL IR的常见问题
什么是激光?
激光是一种发射由受激发射产生的相干辐射的装置。（激光：通过受激辐射进行光放大）
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可以用作红外光谱中的红外辐射源。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 IR显微镜?
QCL红外显微镜可用于创建显微样品的化学图像。它获取化学图像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显微镜被设计为广域设置，其中一个微辐射热计阵列以视频帧率记录微观样本的完整图像。通过使用阵列探测器，可以实现非常高的数据采集率。
QCL比FT-IR好吗？
这完全取决于具体的实验，因为两种技术都有独特的优点和局限性。QCL的光谱范围有限，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。
QCLs应用于何处?
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？
Bruker很快就会在一个工具中提供两种技术的无缝集成。通过这种方式，你可以避免任何限制，同时获得两方面的好处。