Guide sur la microscopie QCL
Qu'est-ce qu'un laser QCL ou à cascade quantique ?
En bref, il s'agit d'un laser MoyenIR accordable - mais entrons plus en détail.
Un laser à cascade quantique est un laser à diode hétérogène et, comme pour tout laser à diode, le rayonnement est généré en lui appliquant une tension. Contrairement à un laser à diode homogène classique qui ne produit qu'une seule longueur d'onde, un QCL peut émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'onde dans l'infrarouge moyen et lointain. Pour ce faire, le QCL est placé dans une cavité dite externe, dans laquelle la longueur d'onde émise peut être sélectionnée en inclinant un réseau. Ce processus est appelé "tuning".
Dans un QCL, différentes couches semi-conductrices sont empilées les unes sur les autres pour former la diode. La longueur totale de la diode laser atteint plusieurs millimètres, bien que chaque couche individuelle ne fasse que quelques nanomètres d'épaisseur. Selon l'épaisseur des couches individuelles, une pile de couches peut former soit une "région active", soit un injecteur d'électrons dopé. En règle générale, un QCL se compose d'une série de paires de régions actives et d'injecteurs.
Comment pouvons-nous sélectionner la gamme spectrale d'un QCL ?
Basiquement, la spectroscopie QCL utilise le fait que les objets quantiques (par exemple les électrons) doivent adopter des états discrets dans un puits de potentiel. Ces puits de potentiel et donc l'énergie des objets quantiques qu'ils contiennent peuvent être définis par la conception des couches individuelles de la structure semi-conductrice hétérogène du QCL. Ainsi, en concevant spécifiquement chaque région active d'un QCL, nous pouvons déterminer quelle longueur d'onde sera émise pendant la transition de l'électron.
Si un QCL est destiné à être utilisé pour la spectroscopie dans une large gamme spectrale, la conception des régions actives doit être ajustée en conséquence. Par exemple, les conceptions dites « liées au continuum » créeront un spectre quasi continu de photons dans une large gamme spectrale. En plaçant le QCL dans une cavité externe, la longueur d'onde d'émission du laser peut être réglée sur n'importe quelle longueur d'onde comprise dans le spectre de la région active, créant ainsi une source infrarouge moyenne accordable.
Comment un laser à cascade quantique crée-t-il des photons ?
Dans un QCL, le rayonnement n'est pas généré par la recombinaison classique d'un électron de la bande de conduction avec un trou de la bande de valence. Si une tension de polarisation appropriée est appliquée au QCL, les électrons de la bande de conduction du semi-conducteur commenceront à « cascader » à travers la pile de régions actives et d'injecteurs. Chaque électron effectuera une transition laser dans une région active, créant un photon infrarouge moyen.
Comme les électrons restent dans la bande de conduction après chaque transition laser, chaque électron générera plusieurs photons, un pour chaque région active du QCL. Au cours des dernières années, la puissance de sortie moyenne des QCL accordables a augmenté et la plage spectrale accessible s'est considérablement élargie. Les améliorations de performances à leur base sont basées sur des calculs de mécanique quantique améliorés décrivant les états énergétiques des électrons dans les régions actives et les injecteurs.
La différence entre la spectroscopie QCL et l'IRTF
Pour comprendre pourquoi la QCL ouvre une nouvelle voie vers une voie passionnante de la spectroscopie infrarouge, nous devons d'abord examiner de plus près la référence absolue : La spectroscopie IRTF. Gardez à l'esprit que les lasers à cascade quantique diffèrent fondamentalement des sources thermiques conventionnelles utilisées pour la FT-IR.
Une source thermique traditionnelle émet des photons sur une large plage spectrale. Par conséquent, le nombre de photons par longueur d'onde est assez faible et, par conséquent, les détecteurs pour la spectroscopie IRTF doivent être très sensibles.
En particulier en microscopie, cela nécessite souvent de l'azote liquide pour le refroidissement. De plus, les détecteurs doivent être très rapides pour pouvoir enregistrer des interférogrammes dans un spectromètre. Un QCL, en revanche, émet tous ses photons sur à peu près la même longueur d'onde. Cela signifie que la densité de puissance spectrale d'un QCL est généralement de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d'une source thermique.
Cette nature quasi monochromatique permet l'utilisation de détecteurs relativement lents et non refroidis, qui ne seraient pas adaptés à la spectroscopie IRTF. Cependant, lorsqu'ils sont combinés avec un QCL, nous pouvons profiter de toute la plage dynamique de ces détecteurs et détecter des signaux à une seule longueur d'onde, ce qui se traduit par d'excellents rapports signal/bruit.
Cela nous ramène à la question initiale : pourquoi utiliser des QCL pour la spectroscopie ?
Bien sûr, le meilleur rapport signal/bruit est un gros avantage, mais surtout, un microscope QCL n'a pas besoin d'enregistrer un spectre IR complet pour chaque pixel de l'image chimique - contrairement à son homologue IRTF.
Dans certains scénarios, comme l'imagerie infrarouge en temps réel, cela rend l'instrument basé sur QCL beaucoup plus efficace que son homologue basé sur l'IRTF.
Qu'est-ce qu'un microscope QCL ?
Tout comme un microscope IRTF classique, un microscope IR QCL permet l'imagerie chimique d'échantillons microscopiques en acquérant des informations spectrales résolues spatialement. Mais au lieu de passer du temps à capturer un spectre IR complet à chaque point de mesure, il vous permet de vous concentrer sur une plage spectrale spécifique et d'augmenter ainsi la vitesse d'imagerie d'un ordre de grandeur.
En bref, vous obtenez un microscope d'imagerie IR QCL lorsque vous remplacez la source thermique à large bande standard et le spectromètre utilisés pour IRTF par un laser à cascade quantique et que vous remplacez les détecteurs FPA refroidis au N2 d'un microscope d'imagerie IRTF par un réseau de microbolomètres à température ambiante.
Tous les microscopes QCL ne sont pas identiques
La configuration à champ large est l'une des différentes conceptions des microscopes QCL. Ici, une zone d'échantillon plus grande est éclairée en une seule fois et le rayonnement transmis ou réfléchi est ensuite détecté par un réseau de microbolomètres. Et comme les sources QCL offrent une densité de puissance spectrale beaucoup plus élevée, nous pouvons utiliser ces détecteurs pour acquérir des images infrarouges à des fréquences d'images vidéo.
Mais bien sûr, la mise en œuvre de la technologie QCL dans un microscope IR s'accompagne de certains défis techniques. Tout d'abord, la nature cohérente de la source laser conduit à ce que l'on appelle des artefacts de cohérence. Ces franges et taches dans les images et spectres IR sont généralement considérées comme nuisibles pour l'imagerie chimique. En effet, il n'est pas anodin de séparer les informations chimiques de l'échantillon des informations physiques décrivant la relation de phase des photons diffusés.
Cependant, Bruker a abordé ce problème (et bien d'autres) avec HYPERION II. Il est enfin possible de collecter de belles images IR chimiques sans artefacts de cohérence dans n'importe quel mode de mesure.
Le avantages de la microscopie QCL :
La microspectroscopie IR basée sur la QCL peut être considérablement améliorée par la microscopie IR basée sur la QCL, en raison de la nature complémentaire des deux techniques. Bien que les QCL modernes couvrent toute la région des empreintes spectrales, la région IR moyenne n'est cependant pas encore accessible. Cela devient particulièrement évident car une large plage spectrale est une force innée de la IRTF et l'extension de la portée des systèmes QCL a un coût important.
D'un autre côté, le principal inconvénient d'un microscope IRTF reste la vitesse d'acquisition limitée, qui n'est pas un problème pour une configuration à champ large basée sur la QCL. En combinant les deux techniques, les inconvénients peuvent être évités et leurs avantages combinés pour augmenter l'efficacité des deux.
C'est précisément la raison pour laquelle les scientifiques doivent comparer soigneusement la IRTF et la QCL dans des scénarios réels. C'est la seule façon de transférer et d'améliorer durablement les applications IR établies. De même, il est essentiel que les nouvelles méthodes QCL soient vérifiées par IRTF pour les rendre plus fiables et plus robustes.
Le avantages de la microscopie QCL :
- Temps d'acquisition réduit en se concentrant sur une plage spectrale spécifique (par exemple, un seul pic d'absorption)
- Imagerie infrarouge en temps réel à une seule longueur d'onde
(à des fréquences d'images vidéo) - Sélection de "Region Of Interest" en temps réel par données chimiques au lieu de uniquement des visuels
- Création ultra-rapide de grandes images d'aperçu IR avec un contraste chimique élevé
Limitations de la microscopie QCL:
- La portée spectrale est limitée par rapport à la spectroscopie IRTF (seul le MIR est accessible)
- L'émission laser IR de haute puissance est dangereuse pour les yeux et la peau. C'est pourquoi Bruker a développé un boîtier laser de classe 1 avec verrouillage de sécurité pour protéger l'utilisateur des rayonnements laser nocifs.
La microscopie QCL expliquée en 5 minutes
Questions fréquemment posées sur QCL IR
Qu'est-ce qu'un laser ?
Un laser est un appareil qui émet un rayonnement cohérent créé par émission stimulée. (LASER : amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement)
Que signifie QCL ?
QCL signifie laser à cascade quantique.
Qu'est-ce qu'un laser à cascade quantique ?
Un laser à cascade quantique (QCL) est un laser à diode hétérogène qui peut émettre un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde, en particulier dans la région infrarouge moyenne (MIR) du spectre électromagnétique.
Que peuvent faire les QCL ?
Les QCL peuvent être utilisés comme source de rayonnement infrarouge en spectroscopie IR. Ces instruments QCL IR ne nécessitent pas d'interféromètre mais offrent une plage spectrale limitée.
Qu'est-ce qu'un microscope IR QCL ?
Un microscope IR QCL peut être utilisé pour créer des images chimiques d'échantillons microscopiques. Il acquiert des informations spectrales dans chaque pixel d'une image chimique, révélant la distribution des composants chimiques de l'échantillon.
Qu'est-ce que l'imagerie IR QCL ?
Pour l'imagerie IR QCL, un microscope QCL est conçu comme une configuration à champ large, où un réseau de microbolomètres enregistre des images complètes d'un échantillon microscopique à des fréquences d'images vidéo. En utilisant un détecteur matriciel, des taux d'acquisition de données très élevés peuvent être atteints.
Le QCL est-il meilleur que l'IRTF ?
Cela dépend entièrement de l'expérience spécifique, car les deux techniques ont des avantages et des limites uniques. Alors que le QCL a une plage spectrale limitée mais offre des vitesses d'imagerie élevées, l'IRTF offre la plage spectrale MIR complète à une vitesse d'acquisition limitée.
Où sont utilisés les QCL ?
Actuellement, ils sont principalement utilisés dans les microscopes IR QCL, les spectromètres et dans les systèmes de détection de gaz traces.
Puis-je combiner l'IRTF et QCL ?
Bruker proposera bientôt une intégration transparente des deux techniques dans un seul instrument. De cette façon, vous bénéficiez des deux avantages en évitant toute limitation