Weißbuch: Periodisch gepoltes µm im Mikrometerbereich in der Spektroskopie

Einführung

Die Spektroskopie untersucht die Absorption und Emission von Licht und anderer Strahlung durch Materie in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung. Sie spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen, indem sie wertvolle Einblicke in die Zusammensetzung, Struktur und Dynamik von Materialien liefert. Spektroskopische Verfahren finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, darunter Chemie, Physik, Biologie, Umweltwissenschaften, Materialwissenschaften, Pharmazie und viele andere. Der globale Markt für Spektroskopie erreichte im Jahr 2022 ein Volumen von 16 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2032 auf rund 31 Milliarden US-Dollar anwachsen, bedingt durch die zunehmende Nutzung spektroskopischer Methoden zu Testzwecken. Die Nachfrage von Laboren nach neu entwickelten Technologien steigt, und der Markt wächst mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,3 % ^[1].

Effizienz und Vielseitigkeit sind in der Spektroskopie entscheidendecto, da Forscher bestrebt sind, zeitnah präzise und detaillierte Informationen zu gewinnen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, besteht ein ständiger Bedarf an innovativen und fortschrittlichen Spektroskopieverfahren mit erhöhter Empfindlichkeit, breiter Abstimmbarkeit und verbesserter Signalgenerierung. Periodisch gepoltes µm (PPLN) hat sich als wertvolle Plattform für verschiedene Spektroskopieverfahren etabliert und ermöglicht die effiziente und vielseitige Manipulation von Licht-Materie-Wechselwirkungen. Durch die Nutzung seiner einzigartigen Eigenschaften und seiner periodischen Polungsstruktur bietet PPLN verbesserte Wellenlängenkonversionsmöglichkeiten, breite Abstimmbarkeit und erhöhte Detektionsempfindlichkeit. Dieses Whitepaper untersucht das Potenzial von PPLN in spektroskopischen Anwendungen, darunter nichtlineare optische Spektroskopie, µm Frequenzgenerierungsspektroskopie und Raman-Spektroskopie.

Eigenschaften von PPLN für die Spektroskopie

PPLN bietet einen hohen nichtlinearen Koeffizienten, der eine effiziente Wellenlängenkonvertierung und die Erzeugung nichtlinearer optischer Signale ermöglicht. Sein breiter Transparenzbereich deckt ein großes Spektrum ab und erlaubt Forschern den Zugang zu verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums µm . Darüber hinaus weist PPLN eine hohe Zerstörschwelle auf und ist daher für den Umgang mit intensiven Laserstrahlen geeignet. Diese Eigenschaften, kombiniert mit der Flexibilität von PPLN, durch periodische Polung quasi-Phasenanpassungsbedingungen zu erreichen, machen es zu einem attraktiven Material für spektroskopische Anwendungen.

Großer nichtlinearer Koeffizient : PPLN besitzt einen großen nichtlinearen Koeffizienten. Der höchste nichtlineare Koeffizient beträgt d₃₃ = 25 pm/V, was Wechselwirkungen parallel zur z-Achse entspricht, d. h. Phasenanpassung vom Typ 0. Für periodisch gepoltes MgO:LN beträgt der effektive nichtlineare Koeffizient d _{_eff} typischerweise 14 pm/V und ist damit deutlich höher als bei traditionellen nichtlinearen Kristallen wie Lithiumtriborat µm LBO, 0,85 pm/V), Beta-Bariborat µm BBO, 2,5 pm/V) oder µm (KTP, 3,4 pm/V). Diese Eigenschaft ermöglicht effiziente Frequenzumwandlungsprozesse wie die Frequenzverdopplung (SHG), µm (SFG), die Differenzfrequenzerzeugung (DFG) sowie die optische parametrische Oszillation (OPO) und die optische parametrische Verstärkung (OPA), die für verschiedene spektroskopische Anwendungen unerlässlich sind.

Breiter Transparenzbereich : PPLN weist einen breiten Transparenzbereich auf, der sich vom Ultraviolett- (UV) bis zum mittleren Infrarotbereich (MIR) erstreckt µm . Dank dieses breiten Transparenzbereichs eignet sich PPLN für spektroskopische Untersuchungen über ein breites Wellenlängenspektrum.

Hohe Zerstörschwelle : PPLN besitzt eine hohe Zerstörschwelle und ist daher beständig gegen hochintensive Laserstrahlung. Diese Eigenschaft ist entscheidend für spektroskopische Anwendungen mit intensiven Laserstrahlen, da sie die Stabilität und Langlebigkeit des Kristalls unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen gewährleistet. Bei Femtosekundenlaserquellen kann PPLN eine Leistungsdichte von ^cm²

Flexibilität bei der Wellenlängenkonvertierung : PPLN kann durch periodisches Polung des Kristalls so gestaltet werden, dass es eine Quasi-Phasenanpassungsstruktur (QPM) aufweist. Dabei entstehen abwechselnde Bereiche mit entgegengesetzter Polarisationsrichtung. Durch Wahl der geeigneten Polungsperiode lässt sich die QPM-Wellenlänge an spezifische Anwendungsanforderungen anpassen. Diese Flexibilität bei der Wellenlängenkonvertierung ermöglicht die effiziente und präzise Abstimmung der erzeugten oder konvertierten Frequenzen für spektroskopische Untersuchungen.

Breiter Abstimmbereich : Die QPM-Struktur von PPLN ermöglicht einen breiten Abstimmbereich der erzeugten oder konvertierten Wellenlängen. Durch Anpassen der Kristalltemperatur lässt sich die Phasenanpassungsbedingung gezielt einstellen, was zu einem abstimmbaren Ausgangssignal über einen weiten Wellenlängenbereich führt. Diese Abstimmbarkeit ist vorteilhaft für Spektroskopieverfahren, die das Scannen oder den Zugriff auf verschiedene Wellenlängen erfordern.

PPLN wird in der Spektroskopie verwendet

Die Zwei-Photonen-Absorptionsspektroskopie (2PD-Spektroskopie) ist eine nichtlineare optische Technik, die die simultane Absorption zweier Photonen durch ein Molekül oder Material nutzt. Dieser Prozess findet statt, wenn die kombinierte Energie zweier Photonen niedrigerer Energie der Energie entspricht, die für einen elektronischen Übergang benötigt wird, der typischerweise ein einzelnes Photon höherer Energie erfordert. Bei dieser Technik wird eine gepulste Laserquelle mit relativ langer Pulsdauer und einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich (NIR) zur Anregung der Probe verwendet. Die längere Pulsdauer trägt dazu bei, dass zwei Photonen gleichzeitig absorbiert werden, was zu Fluoreszenz oder anderen messbaren Signalen führt. PPLN wird in der 2PD-Spektroskopie als Frequenzverdoppler eingesetzt, um die NIR-Laserwellenlänge in eine kürzere Wellenlänge, typischerweise im sichtbaren Bereich, zu konvertieren ^[2] . Der hohe nichtlineare Koeffizient von PPLN und die Flexibilität bei der Wellenlängenkonvertierung ermöglichen eine effiziente Frequenzverdopplung (SHG) des NIR-Laserlichts. Durch die Nutzung der QPM-Eigenschaften von PPLN kann die Konversionseffizienz deutlich gesteigert werden, was zu einem stärkeren und besser detektierbaren Signal für die 2PD-Spektroskopie führt ^[3] .

S µm Frequency Generation) ist eine leistungsstarke, nichtlineare optische Technik zur Untersuchung der Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Materialien ^[4] . Sie liefert wertvolle Informationen über Molekülschwingungen und -wechselwirkungen an Grenzflächen, die für das Verständnis des Verhaltens von Oberflächen, Dünnschichten und Grenzflächen in verschiedenen Anwendungen wie Katalyse, Biointerfaces und Materialwissenschaften unerlässlich sind. Bei der SFG-Spektroskopie wechselwirken zwei einfallende Photonen und erzeugen eine neue Frequenz (S µm Frequenz), die dem Produkt der Frequenzen der beiden einfallenden Photonen entspricht µm und kann die Molekülschwingungen an der Grenzfläche oder Oberfläche selektiv und ohne Störungen durch das umgebende Material untersuchen. Dadurch eignet sie sich besonders gut zur Untersuchung von Molekülstrukturen und -dynamiken an tieferliegenden Grenzflächen. Die SFG-Spektroskopie liefert Schwingungsinformationen über die an der Grenzfläche vorhandenen Moleküle und ermöglicht so die Untersuchung von Molekülorientierungen, Wasserstoffbrückenbindungen und anderen Wechselwirkungen. Die SFG-Spektroskopie ist eine zerstörungsfreie Technik, die Oberflächen und Grenzflächen untersuchen kann, ohne die Probe zu verändern. Die Methode reagiert äußerst empfindlich auf Molekülstrukturen und -orientierungen und ermöglicht so die Untersuchung von Monolagen oder sehr dünnen Filmen. Dank ihrer Oberflächenselektivität eignet sich die SFG ideal zur Untersuchung verborgener Grenzflächen, wie sie beispielsweise in Biomembranen oder Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen vorkommen. Die SFG kann mit zeitaufgelösten Messungen kombiniert werden, wodurch dynamische Prozesse an Grenzflächen im Femtosekundenbereich untersucht werden können ^[5] .

PPLN eignet sich hervorragend zur Erzeugung kohärenter SFG-Signale mit hoher Empfindlichkeit und Abstimmbarkeit. PPLN-Kristalle lassen sich mit unterschiedlichen Periodizitäten herstellen, wodurch das erzeugte SFG-Signal über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist. Die Quasi-Phasenanpassungsbedingung in PPLN steigert die Effizienz des SFG-Prozesses erheblich und führt zu stärkeren und besser detektierbaren Signalen. PPLN-Kristalle können so designt werden, dass sie einen breiten Bereich von Infrarot- und sichtbaren Wellenlängen abdecken und sind somit mit einer Vielzahl von Laserquellen kompatibel. PPLN liefert kohärente SFG-Signale, die phasensensitive Messungen und verschiedene kohärenzbasierte spektroskopische Verfahren ermöglichen. Dank der hohen Konversionseffizienz erreichen PPLN-basierte SFG-Systeme eine exzellente Empfindlichkeit und ermöglichen so die Untersuchung von Monolagen oder schwach wechselwirkenden Grenzflächen.

PPLN hat auch großes Potenzial bei der Verbesserung der Raman-Spektroskopie , einer weit verbreiteten Technik zur Molekülidentifizierung und -analyse. Die Raman-Spektroskopie liefert wertvolle Informationen über Molekülschwingungen und die chemische Zusammensetzung, leidet jedoch häufig unter schwachen Signalen, was ihre Empfindlichkeit und Anwendbarkeit in bestimmten Szenarien einschränkt. PPLN kann diese Einschränkungen überwinden und Raman-Signale durch Prozesse wie die stimulierte Raman-Streuung (SRS) und die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CAST) verstärken ^[6] . SRS ist ein nichtlinearer optischer Prozess, der schwache Raman-Signale durch die Anregung von Raman-Übergängen mit einem leistungsstarken pµm-Laser deutlich verstärken kann µm Der Prozess beinhaltet die Wechselwirkung des pµm µm Lasers mit der Probe, was zu einer Verstärkung des Raman-Signals bei einer anderen Frequenz führt. PPLN kann aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaft der Quasi-Phasenanpassung, die eine effiziente Energieumwandlung vom pµm-Laser zum Raman-verschobenen Signal ermöglicht, als nichtlinearer pµm-Laser für SRS µm µm . Forscher nutzten PPLN-Kristalle, um ein Festkörperlasersystem für die SRS-Mikroskopie zu entwickeln. Sie demonstrierten SRS-Mikroskopie mit einer Pixelverweilzeit von 30 µs, hohem chemischem Kontrast, einem Signal-Rausch-Verhältnis von über 45 und ohne Notwendigkeit einer symmetrischen Detektion ^[7] .

Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) ist eine leistungsstarke nichtlineare optische Technik zur markierungsfreien chemischen Bildgebung und Schwingungsspektroskopie. Sie ermöglicht die Detektion und Charakterisierung von Molekülschwingungen durch Ausnutzung des Raman-Streuphänomens. Bei der CARS-Spektroskopie interagieren drei Laserstrahlen: ein µm p-Strahl, ein Stokes-Strahl und ein Messstrahl. Der µm µm p-Strahl und der Stokes-Strahl werden kombiniert, um ein kohärentes Anti-Stokes-Signal bei niedrigerer Frequenz zu erzeugen, das anschließend mit dem Messstrahl detektiert wird. Die Frequenzdifferenz zwischen dem µm p-Strahl und dem Stokes-Strahl entspricht einer interessierenden Schwingungsmode. Ein PPLN-basiertes OPA-System kann das emittierte Bildgebungssignal aus der SHG- und CARS-Mikroskopie verstärken. Das verstärkte optische Signal ist stark genug, um mit einer vorgespannten Fotodiode unter normalen Raumlichtbedingungen detektiert zu werden ^[8] .

PPLN für die Wellenlängenumwandlung

(auch Zweite-Harmonische-Erzeugung , SHG) ist der am häufigsten verwendete nichtlineare Prozess zweiter Ordnung. Bei der SHG werden zwei Eingangsphotonen p µm p mit der gleichen Wellenlänge λ _{P SHG} zu erzeugen , wobei λ _SHG = λ _P /2 (oder in Bezug auf die Frequenz f _SHG = 2f _P ) gilt.

MGO: PPLN -SHG -Kristalle können mit qpm -Gitterperioden hergestellt werden, die für einen weiten Bereich von im Handel erhältlichen P µm -P -Laserwellenlängen von 976 nm bis 2100 nm geeignet sind, wodurch die Erzeugung von Frequenzdoppellicht zwischen 488 nm und 1050 nm erzeugt wird.

der S µm Frequenzerzeugung (SFG) werden zwei Eingangsphotonen bei λ _P und λ _S , um ein Ausgangsphoton bei λ _SFG , wobei λ _SFG = (1/ λ _P + 1/ λ _S ) ^-1 (oder in Bezug auf die Frequenz f _SHG = f _P + f _S ).

Durch die Kombination leicht verfügbarer fester Fix (z. B. 1550 nm) und abstimmbar ( µm

Die Differenzfrequenzerzeugung (DFG) tritt auf, wenn zwei Eingangsphotonen mit den Wellenlängen λ_{_P} und λ_{_S} auf einen Kristall treffen. Das niederfrequente Signalphoton λ_{_S} regt das p µm -Photon λ_{_P} zur Emission eines Signalphotons λ<sub> _S und eines Idlerphotons mit der Wellenlänge λ _i , wobei λ <sub>_i = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} ) ^{^-1} (oder, ausgedrückt in Frequenzen, f <sub> = f_{_P} – f_{_S} ). Dabei verlassen zwei Signalphotonen und ein Idlerphoton den Kristall, was zu einem verstärkten Signalfeld führt. Dies wird als optische parametrische Verstärkung (OPA) optischer parametrischer Oszillator (OPO) genannt , lässt sich die Effizienz deutlich steigern.

Referenzen

1. https://www.precedenceresearch.com/spectroscopy-market.
2. D. Xu et al., „Weit abstimmbare synchronisationsfreie Pikosekundenlaserquelle für multimodale CARS, SHG und Zwei-Photonen-Mikroskopie“, Biomedical Optics Express, Bd. 12, Nr. 2, S. 1010, 2021.
3. H. He et al., „Tiefengewebe-Zwei-Photonen-Mikroskopie mit einem frequenzverdoppelten, vollständig faseroptischen Moden-gekoppelten Laser bei 937 nm“, Advanced Photonics Nexus, Bd. 1(2), S. 026001, 2022.
4. A. Morita, Theorie der S µm Frequenzgenerierungsspektroskopie, Springer.
5. A. Ghosh et al., „Femtosekunden-zeitaufgelöste und zweidimensionale Schwingungsfrequenzspektroskopische µm zur µm Strukturdynamik an Grenzflächen“, Review of Scientific µm , Bd. 79, S. 093907, 2008.
6. D. Polli et al., „Breitbandige kohärente Raman-Streuungsmikroskopie“, Laser & Photonics Reviews, Bd. 12, Nr. 9, 2018.
7. T. Steinle et al., „Synchronisationsfreies Festkörperlasersystem für die stimulierte Raman-Streuungsmikroskopie“, Light: Science & Applications, Bd. 5, 2016.
8. Y. Sun et al., „Nichtlineare optische Bildgebung durch Detektion mit optischer parametrischer Verstärkung (eingeladener Beitrag)“, Journal of Innovative Optical Health Sciences, Bd. 16, Nr. 1, S. 2245001, 2023.