Weißbuch: MgO:PPLN-Anwendungen

Einführung

Heutzutage konzentrieren sich Wissenschaftler auf die Entwicklung schmalbandiger, leistungsstarker und stabiler Laser, die auf kompakten experimentellen Aufbauten und kleinen Bauteilen basieren. Diese Laser sind beliebt für Anwendungen wie hochauflösende Spektroskopie, Umweltwissenschaften, optische Uhren, Grundlagenforschung und Quantentechnologie im µm . Aufgrund seines hohen nichtlinearen Koeffizienten ist µm (LN) einer der wichtigsten Kristalle für die Frequenzkonversion vom Infrarot- in den sichtbaren Bereich in einer einfachen, kompakten Konfiguration. Verschiedene Mechanismen, wie z. B. Frequenzverdopplung, µm -Frequenzerzeugung, spontane parametrische Abwärtskonversion, Differenzfrequenzerzeugung oder optische parametrische Oszillation, können genutzt werden, um schmalbandige, hochqualitative und stabile Lichtquellen über das breite Transmissionsfenster zu erzeugen.

Mit MgO dotiertes, periodisch gepoltes Lithium µm Niobat (MgO:PPLN) ist ein nichtlinearer optischer Kristall für die hocheffiziente Wellenlängenumwandlung im Bereich von 400 nm bis 5100 nm. Die Zugabe von 5 % MgO zu Lithium µm Niobat erhöht den optischen und photorefraktiven Widerstand des Kristalls signifikant, während sein hoher nichtlinearer Koeffizient erhalten bleibt. Dies ermöglicht einen stabileren Betrieb im sichtbaren Spektralbereich und niedrigere Betriebstemperaturen als bei einem vergleichbaren undotierten Kristall. MgO:PPLN kann bei Umgebungstemperatur und in manchen Fällen sogar ohne Temperaturstabilisierung betrieben werden. Mit Temperaturen von Umgebungstemperatur bis 200 °C bietet MgO:PPLN einen deutlich größeren Wellenlängenbereich als undotiertes PPLN.

Anwendungen

Covesion bietet PPLN-Lösungen zur effizienten Frequenzumwandlung von Lasern an, die es Anwendern ermöglichen, Wellenlängen zu erreichen, die mit herkömmlichen Festkörper- oder Diodenlasern nicht realisierbar sind. MgO:PPLN kann verwendet werden für:

• Frequenzverdopplung eines 1064-nm-Lasers auf 532 nm zur Verwendung in Joduhren oder Meeresbodenvermessungsgeräten¹.
• Konvertierung von 1064 nm in 3 µm , verwendet für Gasdetektions- oder Mikroskopie-Bildgebungsverfahren.
• Erzeugung einer Laserquelle mit schmaler Linienbreite zur gezielten Anregung spezifischer Atomübergänge für Anwendungen zur Atomkühlung und -einfang.

Alternativ wird PPLN häufig zur Frequenzverdopplung einer leistungsstarken, abstimmbaren 1550-nm-Faserlaserquelle eingesetzt und stellt somit eine kostengünstige und kompakte Alternative zum Ti:Saphir-Laser dar. Eine solche Quelle kann in Mikroskopiesystemen für die Lebendzellbildgebung oder in der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden, wo chemische Fingerabdrücke für Anwendungen im Bereich der inneren Sicherheit identifiziert werden können.

PPLN-Bauelemente werden häufig zur Erzeugung von Hochleistungs-Mittel-Infrarotlicht in optischen parametrischen Oszillatoren eingesetzt. Abstimmbare Mittel-Infrarot-Systeme finden Anwendung in einer Vielzahl mikroskopischer Bildgebungsverfahren sowie in spektroskopischen Anwendungen zur Umweltbildgebung. Mit Pulsenergien von über 1 mJ werden diese Mittel-Infrarot-Quellen auch in der Verteidigungsindustrie für Laserabwehrsysteme und LIDAR-Systeme verwendet.

Terahertz-Erzeugung

Terahertz- Strahlung (1–10 THz) findet in unserem Alltag wichtige Anwendungen, beispielsweise in Sicherheitskontrollen, der Biomedizin und der Qualitätskontrolle. Aufgrund seiner starken Nichtlinearitäten, der hohen photorefraktiven Zerstörschwelle und des geringen Absorptionskoeffizienten im Infrarotbereich ist LN eines der am besten geeigneten Materialien zur THz-Erzeugung. Diese kann mit ultrakurzen Femtosekunden-Pulslasern oder CW-Quellen erzeugt werden µm Weise zur THz-Erzeugung eingesetzt, beispielsweise durch optische Gleichrichtung in periodisch gepolten Kristallen sowie durch phasenangepassten Betrieb in einem Terahertz-Parametrischen Oszillator oder in einem injektionsgespeisten Terahertz-Parametrischen Generator. MgO:PPLN ist ein vielversprechender Kandidat, da seine Phasenanpassungsbedingung durch anwendungsspezifisches Design der periodisch gepolten Struktur optimiert werden kann. In diesem Fall werden Mehrzyklus-THz-Pulse aus MgO:PPLN mittels optischer Gleichrichtung ^erzeugt . MgO:LN-Wellenleiter können auch für CW-THz-DFG verwendet werden, indem die Phasenanpassung in einem nicht-kollinearen Emissionsschema innerhalb eines LN-Oberflächenwellenleiters realisiert wird. Wellenleiter bieten den Vorteil einer Reduzierung der Fläche interagierender Wellenfronten, wodurch die THz-Absorptionsverluste minimiert werden³ ^.

Femtosekundenlaser

Ein optischer Frequenzkamm ist eine Breitband- µm Quelle, die aus äquidistanten, schmalen Linien besteht. Ursprünglich für die Frequenzmetrologie entwickelt, wird er heute auch für die Spektroskopie über breite Spektralbänder eingesetzt, was insbesondere für die Untersuchung von Molekülen relevant ist. Das µm im sichtbaren und nahen Infrarotbereich weist eine gute Überlappung mit den elektronischen Übergängen optischer Uhren und Alkalimetallatomen auf, während Frequenzkämme im mittleren Infrarotbereich die Schwingungsspektroskopie zur Moleküldetektion ermöglichen ^. Frequenzkämme im mittleren Infrarotbereich werden typischerweise durch nichtlineare Optik erzeugt, z. B. durch Differenzfrequenzerzeugung (DFG) und optische parametrische Oszillation (OPO). Diese Verfahren bieten eine hohe mittlere Leistung, eine hohe Leistung pro Kammlinie und eine geringe Kammlinienbreite. Eine effiziente Variante der DFG besteht darin, das µm µm -Signal und als µm-Signal für die DFG verwendet werden Forscher haben eine einfache und leistungsstarke Methode zur Erzeugung von Breitband-Frequenzkämmen im atmosphärischen mittleren Infrarotfenster von µm ^. Synchrone p- µm -ped-OPOs mit MgO:PPLN bieten eine weitere effiziente Möglichkeit, Femtosekunden-NIR-Frequenzkämme in den mittleren Infrarotbereich zu ^{übertragen⁵} .

Biophotonik

Laserbasierte Spektroskopie und Mikroskopie entwickeln sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug in biochemischen und medizinischen Anwendungen. Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) ist ein nichtlineares Verfahren, das nicht nur dieselben Schwingungssignaturen von Molekülen erfasst wie die Raman-Spektroskopie, sondern auch mehrere Photonen nutzt, um die Molekülschwingungen anzuregen. Durch die Verwendung von ap µm p und einer Sonde wird ein kohärentes Signal erzeugt, das Stokes-Wellen zur Wechselwirkung mit der Probe anregt und eine Anti-Stokes-Welle generiert, welche Informationen über die Molekülschwingungen enthält ^. CARS lässt sich zudem mit anderen nichtlinearen Bildgebungsverfahren wie der Zwei-Photonen-Anregungsfluoreszenzmikroskopie (TPEF) und der Frequenzverdopplung (SHG) auf einem einzigen Mikroskopsystem mittels eines Mehrkanal-Ausgangsschemas kombinieren. Diese Kombination von Bildgebungsverfahren wird als multimodale CARS bezeichnet und findet Anwendung in verschiedenen Bereichen, die einen struktur- und chemikalienspezifischen Bildkontrast erfordern. Forscher haben einen MgO:PPLN-Kristall verwendet, um einen kompakten und zuverlässigen, abstimmbaren, kontinuierlichen, synchronisationsfreien optischen Leistungsverstärker (OPA) mit einem robusten, kommerziellen Pikosekunden-pµm-p-Laser zu entwickeln µm Ein weiterer MgO:PPLN-Frequenzverdopplerkristall dient zur Erzeugung sichtbarer Spektren zur Anregung der CARS-Anti-Stokes-Signale. Diese Laser-OPA-Kombination hat sich als gut geeignet für markierungsfreie CARS-Spektroskopie sowie für die gleichzeitige SHG- und TPEF-Mikroskopie in einer Epi-Detektionsgeometrie erwiesen^⁷ .

Die Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM) ist eine leistungsstarke Bildgebungstechnik, die auf den Unterschieden in der exponentiellen Abklingrate der Photonenemission eines Fluorophors in einer Probe basiert. FLIM ist ein nützliches Werkzeug zur Beobachtung der Lokalisierung und Migration spezifischer Moleküle und Proteine ​​in Zellen und Gewebe. Die Fluoreszenzlebensdauer wird durch die Art der fluoreszierenden Moleküle und deren Umgebung bestimmt und ist weitgehend unabhängig von der Konzentration der fluoreszierenden Moleküle, Photobleichung und der Anregungs-/Detektionseffizienz. Sie ist quantitativer als die Fluoreszenzintensität. Forscher haben eine scanlose Vollfeld-FLIM vorgestellt, die auf der Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen 2D-Bildpixeln und frequenzmultiplexierten Hochfrequenzsignalen basiert. Optische Doppelkamm-Schwebungen werden mithilfe eines Femtosekundenlasers, eines PPLN-Kristalls und eines Strahlteilers erzeugt. Dieses Verfahren ist sehr nützlich für die schnelle quantitative Fluoreszenzbildgebung in den ^{Lebenswissenschaften} .

Quant µm Optik

„Die µm (QT) ist ein spannendes Wissenschaftsgebiet, das bereits jetzt einen Einfluss auf unser Leben hat.“

Die Bedeutung der Quantentechnologie (QT) wird in den kommenden Jahren zunehmen, und nichtlineare optische (NLO) Kristalle werden eine Schlüsselrolle bei der Kommerzialisierung dieser Technologie spielen. Es wird erwartet, dass QT in drei Hauptkategorien in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden kann:

MgO:PPLN-Kristalle können Frequenzumwandlungen mittels einer µm unterschiedlicher Mechanismen ermöglichen (z. B. Frequenzverdopplung, Frequenzerzeugung im µm Bereich, spontane parametrische Abwärtskonversion, Differenzfrequenzerzeugung, optische parametrische Verstärkung usw.), was sie zu einer sehr flexiblen Lösung für die Erzeugung von Lichtquellen mit schmaler Linienbreite, hoher Strahlqualität und Stabilität über ihr gesamtes Transmissionsfenster hinweg macht.

Laserkühlung und -einfang sind Techniken, um Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt abzukühlen und sie in Fallen einzuschließen und zu stabilisieren. Die Atome im Grundzustand können Quanteninformationen im Mikrometerbereich speichern, µm Wechselwirkungen über größere Distanzen zwischen hoch angeregten Rydberg-Atomen sind für den erfolgreichen Betrieb vieler Quanteninformationsprotokolle im Mikrometerbereich in der Quantencomputertechnik unerlässlich µm Die µm Präzision und Skalierbarkeit der Atominterferometrie ermöglichen eine empfindlichere Detektion von Gravitationsstrukturen, z. B. mit geringerer Ausdehnung oder größerer Tiefe. Viele Anwendungen der Atomoptik erfordern hohe Laserleistungen bei gleichzeitig geringer Linienbreite und hoher Strahlqualität. Beispielsweise ist die Erzeugung von 780 nm aus einer 1560-nm-Quelle (SHG) für das magnetooptische Einfangen (MOT) von Rubidium-Atomen in Anwendungen der Kaltatominterferometrie wie der gravimetrischen Sensorik und Atomuhren ^erforderlich . In diesen Anwendungen lassen sich handelsübliche Telekommunikationslaser (COTS) mit einer Wellenlänge von 1560 nm effizient auf 780 nm frequenzverdoppeln. Für Wellenleiterlösungen wurden dabei Umwandlungswirkungsgrade von bis zu 70 % erreicht^¹⁰ . Die Kombination von COTS-p µm p-Laserkomponenten mit einem Frequenzverdopplerkristall ermöglicht die kostengünstige Erzeugung sowohl der benötigten 780-nm-Leistung als auch der schmalen Linienbreite, die für die Rb-Atomfalle erforderlich sind.

„Durch die Nutzung der µm gekühlter und eingefangener Rubidi µm Atome im Quanten-µm-Bereich lassen sich hochpräzise Gravitationsmessungen durchführen, die viele potenzielle praktische Anwendungen bieten.“  Tristan Valenzuela, Leiter der Abteilung Quanten- µm -Sensoren, STFC RAL Space.

Quanten µm -Schlüssel werden für die sichere Datenübertragung verwendet. Sie ermöglichen es zwei Parteien, einen zufälligen, nur ihnen bekannten geheimen Schlüssel auszutauschen, der zum Ver- und Entschlüsseln von Nachrichten dient. Die bidirektionale Konversion von 422 nm ↔ 1550 nm (SFG/DFG) ermöglicht die Quanten- µm -Schlüsselverteilung (QKD). Diese Anwendung erfordert eine effiziente Konversion zwischen den kurzwelligen atomaren Übergängen, die für Ionenfallen-Qubits verwendet werden, und dem Telekommunikations-C-Band für verlustarme Glasfaserübertragung. Der Einsatz speziell entwickelter PPLN-Kristalle hat sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtskonversion auf Einzelphotonenebene zwischen 422 nm (Sr+-Emission) und 1550 nm demonstriert und stellt somit eine entscheidende Komponente für den Aufbau großflächiger Quanten- µm Netzwerke ^dar .

Umweltsensorik

Umweltmonitoring ist aufgrund des gestiegenen Bewusstseins für die Umweltschäden durch Luftverschmutzung, die durch Aktivitäten in industriellen Prozessen verursacht wird, von großem Interesse µm Verschiedene internationale Abkommen fordern die Begrenzung und Reduzierung von CO₂- und anderen gasförmigen Emissionen. Der mittlere Infrarotbereich (MIR) enthält fundamentale Schwingungs-Rotations-Absorptionsbanden verschiedener Gase, die die Gasanalyse der Atmosphäre mittels Lasern mit geeigneten Wellenlängen ermöglichen – sowohl lokal als auch aus der Ferne. Diese Laserquellen werden häufig zur Überwachung der Luftverschmutzung und zur Fernerkundung mit Techniken wie dem differentiellen Absorptionslidar eingesetzt. Optische parametrische Oszillatoren (OPO) mit MgO:PPLN-Kristallen werden im Bereich von 3–5 µm aufgrund ihres großen Abstimmbereichs und ihrer geringen Linienbreite ^verwendet .

Die Laserfernerkundung ist eine in der Umweltanalytik weit verbreitete Technik. Hochleistungslasersysteme mit einer einzigen Frequenz erfreuen sich aufgrund ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Kohärenz zunehmender Beliebtheit. Forscher haben mithilfe von MgO:PPLN-Kristallen ein Hochleistungslasersystem entwickelt, das in Kombination mit Rubidi- µm -Atomfallen hochpräzise Gravitationsmessungen ermöglicht. Diese Technologie findet praktische Anwendung beispielsweise bei der Identifizierung von Infrastrukturen unter Straßen vor Beginn von Tiefbauprojekten. Rubidi µm -Atomfallen eignen sich zudem für µm , wie die Messung von Grundwasserständen, Fernerkundung und die Überwachung von Eismassen.

Abschluss

MgO:PPLN ist ein nichtlinearer optischer Kristall für die hocheffiziente Wellenlängenumwandlung im Bereich von 400 nm bis 5100 nm. Er ermöglicht die Erzeugung schmalbandiger Wellenlängen, die mit herkömmlichen Lichtquellen nur schwer und kostspielig zu realisieren sind. Covesion Ltd. verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Herstellung von PPLN-Einkristallen und Wellenleitern für optische Forschungslabore und OEMs weltweit. Covesion hat patentierte, innovative Verfahren zur Kristallpolarisation und Wellenleiterfertigung entwickelt, die den Kundenbedürfnissen gerecht werden.

Wir arbeiten weltweit mit Partnern zusammen, um unsere Kristalle und Wellenleiter in eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente im µm zu integrieren, darunter optische Quellen undcto, Frequenzkämme, Frequenzkonverter, Gravitometer und vieles mehr. Wir entwickeln und fertigen PPLN-Produkte für zahlreiche spektroskopische und umweltwissenschaftliche Anwendungen. Dazu gehören Laserquellen mit schmaler Linienbreite für die Gasspektroskopie sowie ultraschnelle Pikosekunden- und Femtosekundenlaser für spezifische Wellenlängen in der Fluoreszenzspektroskopie. Unsere Produkte sind bereits erfolgreich in µm Systeme integriert und ermöglichen so zukünftige Forschung und Entwicklung neuartiger Anwendungen. Unsere breite Palette an Bulk-Kristallen und Wellenleitern wird häufig in Quanten µm eingesetzt, in denen Laser mit schmaler Linienbreite benötigt werden, um spezifische atomare Übergänge zu untersuchen. Covesion PPLN-Kristalle eignen sich für verschiedene Anwendungen mit kalten Atomen wie Rb, Sr, Be und Ca sowie für die Erzeugung verschränkter Photonen, Sensorik und Detektion, Quanten- µm -Computing und Anwendungen mit kalten Atomen. Wir ermöglichen es Anwendern außerdem, innovative experimentelle und praktische Anwendungen zu entwickeln. Unser Team berät Sie gerne zu Ihren Anforderungen und findet die passende Lösung für Sie – dank unserer einzigartigen Expertise im Bereich PPLN-Engineering. Wir unterstützen Sie bei einer Vielzahl von Wellenlängen, die für ein breites Spektrum an p- µm -Leistungen geeignet sind, unabhängig davon, ob Ihre Quelle gepulst oder kontinuierlich arbeitet. Sollten wir kein passendes Standardprodukt vorrätig haben, fertigen wir Kristalle und Wellenleiter individuell nach Ihren Vorgaben.

Referenzen

1. Y. Liao et al., „Reduzierung von Streustörungen in einem Unterwasser-Lidar-System durch Verwendung eines optischen Wirbels“, IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 34, Nr. 17, S. 927-930, 2022.
2. J. Hamazaki et al., „THz-Pulserzeugung aus PPLN mit schrägem Streifenmuster mittels optischer Gleichrichtung“, OSA Technical Digest, S. cc_6_2, 2019.
3. A. Schliesser et al., „Mid-infrared frequency combs“, Nature Photonics, Bd. 6, S. 440-449, 2012.
4. AJ Lind et al., „Mid-Infrared Frequency Comb Generation and Spectroscopy with Few-Cycle pulses and x(2) nonlinear optics“, Physical Review Letters, Bd. 124, S. 133904, 2020.
5. M. Vainio et al., „Vollständig stabilisierter Mittel-Infrarot-Frequenzkamm für hochpräzise Molekülspektroskopie“, Optics Express, Bd. 25, S. 4190, 2017.
6. C. Evans et al. , „Kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuungsmikroskopie: Chemische Bildgebung für Biologie und Medizin“, The Annual Review of Analytical Chemistry , Bd. 1, S. 883-909, 2008.
7. D. Xu et al. , „Weit abstimmbare synchronisationsfreie Pikosekundenlaserquelle für multimodale CARS, SHG und Zwei-Photonen-Mikroskopie“, Biomedical Optics Express, Bd. 12, S. 1010, 2021.
8. T. Mizuno et al. , „Vollfeld-Fluoreszenzlebensdauer-Doppelkammmikroskopie mittels spektraler Kartierung und Frequenzmultiplexierung von Doppelkammoptik-Schwebungen“, Science Advances , Bd. 7, 2021.
9. Diviya Devani et al., „Schwerkraftmessung: Kalte Atomfalle an Bord eines 6U CubeSat“, CEAS Space Journal, Bd. 12, S. 539–549, 202
10. Sam A. Berry, et al, „Zn-indiffusionierte würfelförmige Wellenleiter in MgO:PPLN erzeugen 1 Watt 780 nm SHG bei 70% Effizienz“, OSA Continu µm , Bd. 2, Nr. 12, S. 3456-3464, 2019.
11. Thomas A. Wright, et al, „Zwei-Wege-Photonikschnittstelle zur Verknüpfung des Sr+-Übergangs bei 422 nm mit der Telekommunikation“, Phys. Rev. Applied, Bd. 10, S. 044012, 2018.
12. DB Kolker et al., „Abstimmbare mittlere Infrarotlaserquellen für die Spurengasanalyse“, J. Phys.: Conf. Ser., Bd. 2067, 2021.
13. D. Popa et al. , „Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors“, Sensors, Bd. 19, S. 2076, 2019.