Introducción
La espectroscopia es el estudio de la absorción y emisión de luz y otras radiaciones por la materia, en relación con la dependencia de estos procesos de las longitudes de onda de la radiación. Desempeña un papel vital en diversos campos científicos e industriales al proporcionar información valiosa sobre la composición, estructura y dinámica de los materiales. Las técnicas de espectroscopia se emplean en una amplia gama de aplicaciones, incluidas la química, la física, la biología, las ciencias ambientales, la ciencia de los materiales, los productos farmacéuticos y muchas otras. El tamaño del mercado mundial de espectroscopia alcanzó los 16 mil millones de dólares (USD) en el año 2022 y se espera que alcance alrededor de 31 mil millones de dólares (USD) para 2032 con una mayor utilización de métodos de espectroscopia con fines de prueba. Hay una creciente demanda por parte de los laboratorios de tecnología recientemente desarrollada y el mercado está creciendo a una tasa compuesta anual del 7,3%. [1].
La eficiencia y la versatilidad son FActocríticas en la espectroscopía, ya que los investigadores se esfuerzan por obtener información precisa y detallada de manera oportuna. Para satisfacer estas demandas, existe una necesidad constante de técnicas de espectroscopía innovadoras y avanzadas que ofrecen una sensibilidad mejorada, una amplia sintonización y una mejor generación de señales. El niobato liti µm (PPLN) periódicamente se ha convertido en una plataforma valiosa para diversas técnicas de espectroscopía, lo que permite una manipulación eficiente y versátil de las interacciones de la lámpara. Al explotar sus propiedades únicas y estructura de poling periódica, PPLN ofrece capacidades de conversión de longitud de onda mejoradas, amplia sintonización y mayor sensibilidad de detección. Este documento blanco explora el potencial de PPLN en aplicaciones de espectroscopía, incluida la espectroscopía óptica no lineal, la espectroscopía de generación de frecuencia S µm y la espectroscopía Raman.
Propiedades de PPLN para espectroscopia
PPLN ofrece un gran coeficiente no lineal, que permite una conversión eficiente de longitud de onda y generación de señales ópticas no lineales. Su amplio rango de transparencia cubre un amplio rango espectral, lo que permite a los investigadores acceder a diferentes regiones del espectro electromagnético µm . Además, PPLN exhibe un alto umbral de daño, lo que lo hace capaz de manejar rayos láser intensos. Estas propiedades, combinadas con la flexibilidad de la PPLN para lograr condiciones de coincidencia de cuasi fase a través de la poling periódica, lo convierten en un material atractivo para aplicaciones de espectroscopía.
Coeficiente no lineal grande : PPLN posee un coeficiente no lineal grande. El coeficiente no lineal más alto es D33 = 25pm/V, que corresponde a interacciones que son paralelas al eje z, es decir, la coincidencia de fase tipo 0. Para MgO: LN periódicamente, el coeficiente no lineal efectivo d EFF es típicamente 14 pm/V, que es mucho más alto que los cristales no lineales tradicionales como la tribunación Lithi µm (LBO, 0.85pm/v), beta bari µm Borate (BBO, 2.5pm/v) o potassi µm titananl fosfato (KTP, 3.4pm/v). Esta propiedad permite procesos de conversión de frecuencia eficientes, como la generación del segundo armónico (SHG), la generación de frecuencia S µm (SFG), la generación de frecuencia de diferencia (DFG) y la oscilación paramétrica óptica (OPO), la amplificación paramétrica óptica (OPA), que son esenciales para varias aplicaciones espectroscópicas.
Rango de transparencia amplia : PPLN exhibe un amplio rango de transparencia que se extiende desde el ultravioleta (UV) hasta el espectro de infrarrojo medio (IR Mid-IR) µm . La ventana de transparencia cubre longitudes de onda de aproximadamente 380 nm a 5 μm. Este amplio rango de transparencia permite que PPLN se utilice para estudios espectroscópicos en una amplia gama de longitudes de onda.
Umbral de daño alto : PPLN tiene un umbral de daño alto, lo que le permite resistir la radiación láser de alta intensidad. Esta propiedad es crucial para aplicaciones de espectroscopia que involucran rayos láser intensos, ya que garantiza la estabilidad y longevidad del cristal en condiciones operativas exigentes. Para una fuente de láser de femtosegundo, PPLN podría manejar una intensidad de potencia de hasta 8 GW/cm 2 .
Flexibilidad en la conversión de longitud de onda : PPLN se puede diseñar para exhibir una estructura de coincidencia de fases (QPM) polarizando periódicamente el cristal. Este proceso crea una serie de regiones alternas con orientaciones de polarización opuestas. Al seleccionar el período de polarización apropiado, la longitud de onda QPM se puede ajustar para que coincida con los requisitos de la aplicación específica. Esta flexibilidad en la conversión de longitudes de onda permite una sintonización eficiente y precisa de frecuencias generadas o convertidas para investigaciones espectroscópicas.
Amplia sintonizabilidad : la estructura QPM de PPLN permite una amplia sintonizabilidad de las longitudes de onda generadas o convertidas. Al ajustar la temperatura del cristal, se puede adaptar la condición de coincidencia de fases, lo que genera una salida sintonizable en una amplia gama de longitudes de onda. Esta capacidad de sintonización es ventajosa para técnicas de espectroscopia que requieren la capacidad de escanear o acceder a diferentes longitudes de onda.
PPLN utilizado en espectroscopia
La espectroscopia de absorción de dos fotones es una técnica óptica no lineal que implica la absorción simultánea de dos fotones por una molécula o material. El proceso ocurre cuando la energía combinada de dos fotones de menor energía coincide con la energía requerida para una transición electrónica que normalmente requeriría un solo fotón de mayor energía. En esta técnica, se utiliza una fuente de láser pulsado con una duración de pulso relativamente larga y una longitud de onda del infrarrojo cercano (NIR) para excitar la muestra. La mayor duración del pulso ayuda a garantizar que dos fotones se absorban simultáneamente, lo que genera una emisión de fluorescencia u otras señales mensurables. PPLN se emplea en espectroscopia de absorción de dos fotones como duplicador de frecuencia para convertir la longitud de onda del láser NIR en una longitud de onda más corta, típicamente en el rango visible [2] . El gran coeficiente no lineal de PPLN y la flexibilidad en la conversión de longitud de onda permiten una SHG eficiente de la luz láser NIR. Al explotar la propiedad QPM de PPLN, la eficiencia de conversión se puede mejorar significativamente, lo que da como resultado una señal más fuerte y detectable para espectroscopia de absorción de dos fotones [3] .
S µm (SFG) es una técnica óptica potente y no lineal utilizada para estudiar las propiedades de la superficie y la interfaz de los materiales [4] . Proporciona información valiosa sobre vibraciones e interacciones moleculares en las interfaces, que son esenciales para comprender el comportamiento de las superficies, las películas delgadas e interfaces en diversas aplicaciones, como catálisis, bioterfaces y ciencia de los materiales. La espectroscopía SFG implica dos fotones incidentes que interactúan para generar una nueva frecuencia (frecuencia S µm ) igual al S µm de las frecuencias de los dos fotones incidentes. SFG es altamente específico de la superficie y puede sondear selectivamente las vibraciones moleculares en la interfaz o la superficie sin interferencia del material a granel. Esto lo hace particularmente adecuado para estudiar estructuras moleculares y dinámicas en interfaces enterradas. La espectroscopía SFG proporciona información vibratoria sobre las moléculas presentes en la interfaz, lo que permite a los investigadores estudiar orientaciones moleculares, enlaces de hidrógeno y otras interacciones. La espectroscopía SFG es una técnica no destructiva que puede sondear superficies e interfaces sin alterar la muestra. Y es altamente sensible a las estructuras y orientaciones moleculares, lo que permite a los investigadores estudiar monocapa o películas muy delgadas. La naturaleza selectiva de la superficie de SFG lo convierte en una herramienta ideal para estudiar interfaces enterradas, como las que se encuentran en las biomembranas o las interfaces de electrodos-electrolitos. SFG se puede combinar con mediciones resueltas en el tiempo, lo que permite a los investigadores estudiar procesos dinámicos en las interfaces en una escala de tiempo de femtosegundos [5] .
PPLN es un buen material para generar señales SFG coherentes con alta sensibilidad y sintonizabilidad. Los cristales PPLN se pueden diseñar con diferentes periodicidades, lo que permite la sintonización de la señal SFG generada en una amplia gama de frecuencias. La condición de coincidencia de casi fases en PPLN mejora en gran medida la eficiencia del proceso SFG, lo que da como resultado señales más fuertes y más fácilmente detectables. Los cristales PPLN se pueden diseñar para cubrir una amplia gama de longitudes de onda visibles e infrarrojas, lo que los hace compatibles con una variedad de fuentes láser. Y PPLN proporciona señales SFG coherentes, lo que permite mediciones sensibles a la fase y diversas técnicas espectroscópicas basadas en la coherencia. Debido a la alta eficiencia de conversión, las configuraciones SFG basadas en PPLN pueden lograr una sensibilidad excelente, lo que permite el estudio de monocapas o interfaces que interactúan débilmente.
PPLN también ha mostrado un gran potencial para mejorar la espectroscopía Raman , una técnica ampliamente utilizada para la identificación y análisis moleculares. La espectroscopía Raman proporciona información valiosa sobre las vibraciones moleculares y la composición química, pero a menudo sufre señales débiles, lo que limita su sensibilidad y aplicabilidad en ciertos escenarios. PPLN puede superar estas limitaciones y mejorar las señales Raman a través de procesos como la dispersión Raman estimulada (SRS) y la dispersión coherente anti-Stokes Raman [6] . SRS es un proceso óptico no lineal que puede amplificar significativamente las señales Raman débiles mediante el uso de un poderoso láser P µm P µM para estimular las transiciones de Raman. El proceso implica la interacción del láser µm PPLN se puede emplear como un MEDI µm para SRS debido a su propiedad única de la coincidencia de cuasi fase, lo que permite una conversión de energía eficiente de la señal P µm a la señal cambiada por Raman. Los investigadores utilizaron cristales de PPLN para construir un sistema láser de estado sólido para la microscopía SRS. Demostraron microscopía SRS a un tiempo de permanencia de píxeles de 30 µs con alto contraste químico, relación señal / ruido superior a 45 y sin necesidad de detección equilibrada [7] .
La espectroscopía coherente anti-Stokes Raman Raman (CARS) es una poderosa técnica óptica no lineal utilizada para imágenes químicas sin etiquetas y espectroscopía vibratoria. Permite la detección y caracterización de vibraciones moleculares explotando el fenómeno de dispersión Raman. La espectroscopía CARS implica la interacción de tres vigas láser: AP µm P Beam, un haz de Stokes y un haz de sonda. Las vigas P µm P y Stokes se combinan para generar una señal anti-Stokes coherente a una frecuencia más baja, que luego se detecta usando el haz de la sonda. La diferencia de frecuencia entre las vigas P µm P y Stokes corresponde a un modo de interés vibratorio. Un sistema OPA basado en PPLN podría amplificar la señal de imagen emitida de las imágenes de microscopía SHG y CARS, y la señal óptica amplificada es lo suficientemente fuerte como para detectarse mediante un fotodiodo sesgado en condiciones de luz de habitación ordinaria [8] .
PPLN para conversión de longitud de onda
La segunda generación armónica (SHG) , o la duplicación de la frecuencia, es el proceso no lineal de segundo orden más utilizado. En SHG, dos fotones P µm con la misma longitud de onda λ P se combinan a través de un proceso no lineal para generar un tercer fotón en λ shg , donde λ shg = λ p /2 (o en términos de frecuencia f shg = 2f p ).
MgO: los cristales PPLN SHG se pueden fabricar con períodos de rejilla QPM adecuados para una amplia gama de longitudes de onda láser P µm P µM de 976 nm a 2100 nm, lo que permite la generación de luz duplicada de frecuencia entre 488 nm y 1050 nm.
S µm (SFG) combina dos fotones de entrada en λ P y λ S para generar un fotón de salida en λ SFG , donde λ SFG = (1/ λ P + 1/ λ S ) -1 (o en términos de frecuencia F SHG = F P + F S ).
Al combinar fácilmente disponible (por ejemplo, 1550 nm) y ajustable (p µm Ej.
La generación de frecuencia de diferencia (DFG) ocurre cuando dos fotones de entrada a λ P y λ S incidentes en el cristal, la presencia de la señal de frecuencia más baja Fotón λ S , estimula el P µm P Photon λ P , para emitir una señal Foton λ S y Idler Photon en λ I , donde λ I 1 / λ P -1/ λ S ) -1 ( o In In Térmica de Free Fi . En este proceso, dos fotones de señal y un fotón ideador salen del cristal que resulta en un campo de señal amplificado. Esto se conoce como amplificación paramétrica óptica (OPA) . Además, al colocar el cristal no lineal dentro de un resonador óptico, también conocido como un oscilador paramétrico óptico (OPO) , la eficiencia puede mejorarse significativamente.
Referencias
- https://www.precedenceresearch.com/spectroscopia-market.
- D. Xu, et. al, “Fuente láser de picosegundos sin sincronización ampliamente sintonizable para CARS multimodal, SHG y microscopía de dos fotones”, Biomedical Optics Express, vol. 12, núm. 2, pág. 1010, 2021.
- H. Él, et al. , “Microscopía de dos fotones de tejido profundo con un láser de modo totalmente de fibra de frecuencia duplicada a 937 nm”, Advanced Photonics Nexus, vol. 1(2), pág. 026001, 2022.
- A. Morita, Teoría de la espectroscopía de generación de frecuencia S µm , Springer.
- A. Ghosh, et. µm instrucción espectroscópica de frecuencia µm bidimensional para estudiar dinámicas estructurales en las interfaces", Revisión de instrucciones científicas µm vol . 79, p. 093907, 2008.
- D. Polli, et. ac, “Microscopía de dispersión Raman coherente de banda ancha”, reseñas de láser y fotónica, vol. 12, núm. 9, 2018.
- T. Steinle, et. Alabama. , “Sistema láser de estado sólido sin sincronización para microscopía de dispersión Raman estimulada”, Light: Science & Applications, vol. 5, 2016.
- Y. Sun, et al. , “Imágenes ópticas no lineales mediante detección con amplificación paramétrica óptica (artículo invitado)”, Journal of Innovative Optical Health Sciences, vol. 16, núm. 1, pág. 2245001, 2023.
