LIBRO BLANCO: Aplicaciones del MgO:PPLN

Introducción

Hoy en día, los científicos se están enfocando en el desarrollo de láseres de ancho de línea estrecho, potentes y estables basados ​​en configuraciones experimentales compactas y componentes de tamaño reducido. Estos láseres son populares para aplicaciones como espectroscopia de alta resolución, ciencias ambientales, relojes ópticos, investigación fundamental y tecnología cuántica µm . Debido a su alto coeficiente no lineal, el niobato de litio µm (LN) es uno de los cristales más importantes, proporcionando conversión de frecuencia de IR a visible en una configuración básica de un solo paso y compacta. Varios mecanismos diferentes, por ejemplo, generación de segundo armónico, generación de frecuencia s µm , conversión descendente paramétrica espontánea, generación de frecuencia diferencial u oscilación paramétrica óptica, se pueden utilizar para producir fuentes de luz estables, de alta calidad de haz y de ancho de línea estrecho a través de su amplia ventana de transmisión.

El niobato de litio µm polarizado periódicamente y dopado con MgO (MgO:PPLN), es un cristal óptico no lineal que ofrece una conversión de longitud de onda de alta eficiencia en el rango de 400 nm a 5100 nm. La adición de un 5 % de MgO al niobato de litio de µm aumenta significativamente la resistencia óptica y fotorrefractiva del cristal, a la vez que conserva su alto coeficiente no lineal. Esto permite un funcionamiento más estable en longitudes de onda visibles y a temperaturas más bajas que un cristal similar sin dopar. El MgO:PPLN puede funcionar a temperatura ambiente y, en algunos casos, sin estabilización térmica. Con temperaturas desde la temperatura ambiente hasta 200 °C, el MgO:PPLN ofrece un funcionamiento con longitudes de onda significativamente más amplias que el PPLN sin dopar.

Aplicaciones

Covesion ofrece soluciones PPLN para una conversión de frecuencia eficiente de láseres, lo que permite a los usuarios alcanzar longitudes de onda que no se pueden lograr con láseres de diodo o de estado sólido convencionales. MgO:PPLN se puede utilizar para:

• Láser de doble frecuencia de 1064 nm a 532 nm, para uso en relojes de yodo o equipos de prospección del fondo marino¹.
• Convierte 1064 nm a 3 µm , utilizado para detección de gases o técnicas de imágenes de microscopía.
• Genere una fuente láser de ancho de línea estrecho para apuntar a transiciones atómicas específicas para aplicaciones de enfriamiento y atrapamiento de átomos.

Como alternativa, la PPLN se ha utilizado con frecuencia para duplicar la frecuencia de una fuente de fibra óptica de 1550 nm sintonizable de alta potencia como alternativa económica y compacta al láser de titanio:zafiro. Esta fuente puede emplearse en sistemas de microscopía para la obtención de imágenes de células vivas o en espectroscopía de dominio temporal de terahercios, donde se pueden identificar huellas químicas para aplicaciones de seguridad nacional.

Los dispositivos PPLN se utilizan comúnmente para la generación de infrarrojo medio de alta potencia en un oscilador paramétrico óptico. Los sistemas de infrarrojo medio sintonizables se emplean en una amplia gama de técnicas de imagen microscópica, así como en aplicaciones espectroscópicas para imágenes ambientales. Con energías de pulso superiores a 1 mJ, estas fuentes de infrarrojo medio también se utilizan en la industria de defensa para contramedidas láser y sistemas LIDAR.

Generación de terahercios

de terahercios (1-10 THz) tiene importantes aplicaciones en nuestra vida diaria, como controles de seguridad, biomedicina e inspección de calidad. Debido a sus fuertes no linealidades, alto umbral de daño fotorrefractivo y pequeño coeficiente de absorción en la región espectral infrarroja, el LN es uno de los materiales más adecuados para la generación de THz, que puede ser pµmped con láseres de pulsos de femtosegundos ultracortos o fuentes CW. Dichos cristales se han utilizado para generar radiación THz de diferentes maneras, por ejemplo, rectificación óptica en cristales polarizados periódicamente, así como operación de adaptación de fase en un oscilador paramétrico de terahercios o en un generador paramétrico de terahercios con inyección de semilla. El MgO:PPLN es un candidato prometedor porque su condición de adaptación de fase puede optimizarse a través del diseño específico de la aplicación de la estructura polarizada periódicamente. En este caso, se obtienen pulsos THz multiciclo de MgO:PPLN a través del efecto de rectificación óptica². Las guías de onda de MgO: LN también se pueden utilizar para CW THz-DFG, al realizar la coincidencia de fase en un esquema de emisión no colineal dentro de una guía de onda de superficie de LN. Las guías de onda tienen la ventaja de una reducción del área de frentes de onda interactuantes que minimizan las pérdidas por absorción de THz³.

láseres de femtosegundo

Un peine de frecuencias ópticas es una fuente de espectro amplioµm compuesta por líneas estrechas equidistantes. Desarrollado inicialmente para metrología de frecuencia, los científicos también lo utilizan para espectroscopia en anchos de banda espectrales amplios, de particular relevancia para las moléculas. El espectro deµm en el visible y el infrarrojo cercano tiene una buena superposición con las transiciones electrónicas de los relojes ópticos y los átomos alcalinos, mientras que los peines de frecuencia en el infrarrojo medio permiten la espectroscopia vibracional para la detección molecular^3. Los peines de frecuencia del infrarrojo medio se generan típicamente mediante óptica no lineal, por ejemplo, generación de frecuencia diferencial (DFG) y oscilación paramétrica óptica (OPO), proporcionando alta potencia promedio, alta potencia por línea del peine y ancho de línea del peine estrecho. Una versión eficiente de DFG es dividir el espectro deµm de un láser NIR de femtosegundos amplificado y ensanchado espectralmente en dos porciones, que se utilizan como pµmp y señal para DFG. Los investigadores han demostrado un método simple y potente para generar peines de frecuencia de banda ancha en laµm ventana atmosférica del infrarrojo medio de⁴.µmped síncronos que utilizan MgO:PPLN proporcionan otra forma eficiente de transferir peines de frecuencia NIR de fs a la región del infrarrojo medio⁵.

Biofotónica

La espectroscopia y la microscopía basadas en láser se están convirtiendo en una herramienta esencial en aplicaciones bioquímicas y médicas. La espectroscopia Raman anti-Stokes coherente (CARS) es un proceso no lineal, sensible no solo a las mismas firmas vibracionales de las moléculas que se observan en la espectroscopia Raman, sino que también emplea múltiples fotones para abordar las vibraciones moleculares y produce una señal coherente, utilizando apµmp y una sonda, lo que provoca que las ondas Stokes interactúen con una muestra, generando una onda anti-Stokes que contiene información sobre las vibraciones moleculares⁶. CARS también se puede combinar con otras técnicas de imagen no lineales, por ejemplo, la microscopía de fluorescencia de excitación de dos fotones (TPEF) y la generación de segundo armónico (SHG) en un solo sistema de microscopio utilizando un esquema de salida multicanal. La combinación de estos métodos de imagen se ha realizado mediante una técnica llamada CARS multimodal, que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones que requieren contraste de imagen específico de la estructura y la química. Los investigadores han utilizado un cristal de MgO:PPLN para construir un OPA compacto, fiable, sintonizable y sin sincronización con semilla CW, con un láser p de picosegundos pµmp comercial y robusto. Se utiliza otro cristal de duplicación de frecuencia de MgO:PPLN para generar espectros visibles que excitan las señales anti-Stokes CARS. Se ha demostrado que esta combinación de láser y OPA es muy adecuada para CARS sin marcadores y microscopía SHG y TPEF simultánea en una geometría de detección epi⁷.

La microscopía de imagen de tiempo de vida de fluorescencia (FLIM)es una potente técnica de imagen basada en las diferencias en la tasa de decaimiento exponencial de la emisión de fotones de un fluoróforo de una muestra. FLIM es una herramienta útil para observar la localización y migración de moléculas y proteínas específicas en células y tejidos. El tiempo de vida de fluorescencia está determinado por los tipos de moléculas fluorescentes y el entorno que las rodea, y muestra poca dependencia de la concentración de moléculas fluorescentes, el fotoblanqueo y la eficiencia de excitación/detección. Es más cuantitativa que la intensidad de fluorescencia. Los investigadores han presentado FLIM de campo completo sin escaneo basado en la correspondencia uno a uno entre los píxeles de la imagen 2D y las señales de radiofrecuencia multiplexadas en frecuencia. Los batidos ópticos de doble peine se obtienen utilizando un láser de femtosegundos, un cristal PPLN y un divisor de haz. Será muy útil para la obtención rápida de imágenes cuantitativas de fluorescencia en ciencias de la vida⁸.

Óptica cuántica de µm

“La tecnología cuántica µm (QT) es un área apasionante de la ciencia que ya está marcando una diferencia en nuestras vidas”

El impacto de la QT aumentará en los próximos años y los cristales ópticos no lineales (NLO) desempeñarán un papel clave en la comercialización de esta tecnología. Se espera que la QT tenga utilidad en múltiples aplicaciones en tres categorías principales:

Los cristales de MgO:PPLN pueden proporcionar conversión de frecuencia mediante una µm de mecanismos diferentes (por ejemplo, generación de segundo armónico, generación de frecuencia de s µm , conversión descendente paramétrica espontánea, generación de frecuencia de diferencia, amplificación paramétrica óptica, etc.), lo que los convierte en una solución muy flexible para producir fuentes de luz estables, de alta calidad de haz y de ancho de línea estrecho a lo largo de su ventana de transmisión.

El enfriamiento y atrapamiento láser es la técnica para enfriar átomos hasta cerca del cero absoluto, y para confinar y sostener estos átomos en trampas. Los átomos en su estado fundamental pueden almacenarµm y las interacciones de largo alcance entre átomos de Rydberg altamente excitados son esenciales para el funcionamiento exitoso de muchosµm enµm . La tecnología de alta precisión y escalabilidad que ofrece la interferometría atómica permite una detección más sensible de características gravitatorias, por ejemplo, un tamaño más pequeño o una mayor profundidad. Muchas aplicaciones de óptica atómica favorecen una alta potencia láser mientras mantienen un ancho de línea estrecho y una alta calidad espacial del haz. Como ejemplo, la generación de 780 nm a partir de una fuente de 1560 nm (SHG) es necesaria para el atrapamiento magnetoóptico (MOT) de átomos de Rb en ​​aplicaciones que utilizan interferometría de átomos fríos, como la detección gravimétrica y los relojes atómicos⁹. En estas aplicaciones, los láseres de telecomunicaciones comerciales estándar (COTS) a 1560 nm pueden duplicarse eficientemente en frecuencia a 780 nm, con eficiencias de conversión de hasta el 70 % demostradas para soluciones de guía de ondas¹⁰. La combinación de componentes láser COTS pµmp junto con un cristal duplicador de frecuencia proporciona una generación rentable tanto de la potencia de 780 nm como del ancho de línea estrecho requerido para soportar el atrapamiento de átomos de Rb.

“Al aprovechar lasµm propiedades cuánticas de los átomos de Rubidi enfriados y atrapados en elµm , se pueden realizar mediciones de gravedad de ultraprecisión, las cuales tienen muchas aplicaciones prácticas potenciales”. Tristan Valenzuela, Jefe de Sensores Cuánticos Micrométricosµm STFC RAL Space.

cuánticasµm Las claves se utilizan en la transmisión segura de datos. Permiten que dos partes compartan una clave secreta aleatoria conocida solo por ellas, que luego se puede usar para cifrar y descifrar mensajes. La conversión bidireccional de 422 nm ↔ 1550 nm (SFG/DFG) facilitaµm (QKD). Esta aplicación requiere una conversión eficiente entre las transiciones atómicas de longitud de onda corta utilizadas para los cúbits de iones atrapados y la banda C de telecomunicaciones para la transmisión de fibra de baja pérdida. El uso de cristales PPLN especialmente diseñados ha demostrado la conversión ascendente y descendente a nivel de fotón único entre 422 nm (emisión de Sr+) y 1550 nm, proporcionando así un componente crucial para la construcción deµm redes¹¹.

Detección del entorno

El monitoreo ambiental es de gran interés debido a la creciente conciencia del daño ambiental causado por la contaminación del aire, causada porµmactividades en los procesos industriales. Varios acuerdos internacionales exigen limitar y reducir las emisiones de CO2 y otros gases. El infrarrojo medio contiene bandas de absorción vibracional-rotacional fundamentales de varios gases, lo que permite el análisis remoto o local de gases de la atmósfera utilizando láseres con longitudes de onda adecuadas. Estas fuentes láser se utilizan ampliamente en el monitoreo de la contaminación atmosférica y la detección remota utilizando técnicas como el lidar de absorción diferencial. Los osciladores paramétricos ópticos (OPO) a través del cristal MgO:PPLN se utilizan en el rango de 3-5µm debido a su amplio rango de sintonización y ancho de línea estrecho¹².

La teledetección láser es una técnica ampliamente utilizada en el análisis ambiental. Los sistemas láser de alta potencia y frecuencia única se han vuelto atractivos debido a su alta coherencia espacial y temporal. Los investigadores han utilizado cristales de MgO:PPLN para producir un sistema láser de alta potencia para su uso con trampas atómicas Rubidiµm , lo que permite generar mediciones de gravedad muy sensibles. Esta tecnología tiene aplicaciones prácticas en áreas como la identificación de infraestructuras ocultas bajo una carretera antes de iniciar proyectos de ingeniería civil. Las trampas atómicas Rubidiµm también se pueden utilizar paraµmactividades de monitoreo climático, como la medición de niveles freáticos, el levantamiento topográfico remoto y el monitoreo de masas de hielo.

Conclusión

El MgO:PPLN es un cristal óptico no lineal que ofrece una conversión de longitud de onda de alta eficiencia en el rango de 400 nm a 5100 nm, lo que permite producir longitudes de onda de ancho de línea estrecho, difíciles y costosas de conseguir con fuentes convencionales. Covesion Ltd. cuenta con más de 20 años de experiencia en la fabricación de cristales y guías de onda PPLN a granel para laboratorios de investigación óptica y fabricantes de equipos originales (OEM) de todo el mundo. Covesion cuenta con métodos innovadores patentados para la polarización de cristales a granel y la fabricación de guías de onda que satisfacen las necesidades de nuestros clientes.

Trabajamos con socios de todo el mundo para integrar nuestros cristales y guías de onda en una gama de µm científicos, incluyendo fuentes yctoópticos, peines de frecuencia, convertidores de frecuencia, gravitómetros y muchos más. Diseñamos y fabricamos productos PPLN que pueden utilizarse en numerosas aplicaciones espectroscópicas o de ciencias ambientales. Estas incluyen fuentes láser de ancho de línea estrecho para aplicaciones de espectroscopia de gases o fuentes láser ultrarrápidas de picosegundos y femtosegundos para longitudes de onda específicas en espectroscopia de fluorescencia. Nuestros productos ya se han integrado con éxito en una µm cantidad de sistemas existentes, lo que permite la investigación y el desarrollo futuros de nuevas aplicaciones. Nuestra amplia gama de cristales y guías de onda a granel se utiliza comúnmente en sistemas cuánticos de µm donde se necesitan láseres de ancho de línea estrecho para acceder a transiciones atómicas específicas. Los cristales PPLN de covesión pueden utilizarse en diversas aplicaciones de átomos fríos utilizando Rb, Sr, Be y Ca, así como en: generación de fotones entrelazados, detección y detección, computación cuántica µm y aplicaciones de átomos fríos. También facilitamos el desarrollo de aplicaciones experimentales y prácticas innovadoras. Nuestro equipo puede analizar sus necesidades y asesorarle sobre la solución adecuada, aprovechando sus inigualables capacidades en ingeniería de PPLN. Esto significa que podemos ayudarle con diversas longitudes de onda aplicables a una amplia gama de potencias p µm , independientemente de si su fuente es pulsada o de onda continua (CW). Si no disponemos de un artículo en stock que se ajuste a su configuración, podemos diseñar cristales y guías de onda a medida para satisfacer sus necesidades específicas.

Referencias

1. Y. Liao, et al, “Reducción de los ecos de dispersión en un sistema lidar submarino mediante un vórtice óptico”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, n.º 17, págs. 927-930, 2022.
2. J. Hamazaki, et al., “Generación de pulsos THz emitidos desde un PPLN de tipo franja inclinada mediante un efecto de rectificación óptica”, OSA Technical Digest, p. cc_6_2, 2019.
3. A. Schliesser, et al., “Peines de frecuencia infrarroja media”, Nature Photonics, vol. 6, págs. 440-449, 2012.
4. AJ Lind, et al., “Generación y espectroscopia de peine de frecuencia infrarroja media con pulsos de pocos ciclos y óptica no lineal x(2)”, Physical Review Letters, vol. 124, pág. 133904, 2020.
5. M. Vainio, et al., “Peine de frecuencia infrarroja media totalmente estabilizado para espectroscopia molecular de alta precisión”, Optics Express, vol. 25, pág. 4190, 2017.
6. C. Evans et al., “Microscopía de dispersión Raman anti-Stokes coherente: imágenes químicas para biología y medicina”, The Annual Review of Analytical Chemistry, vol. 1, págs. 883-909, 2008.
7. D. Xu et al., “Fuente láser de picosegundos sin sincronización y ampliamente ajustable para CARS multimodal, SHG y microscopía de dos fotones”, Biomedical Optics Express, vol. 12, pág. 1010, 2021.
8. T. Mizuno et al., “Microscopía de doble peine de duración de fluorescencia de campo completo mediante mapeo espectral y multiplexación de frecuencia de latidos ópticos de doble peine”, Science Advances, vol. 7, 2021.
9. Diviya Devani, et al., “Detección de gravedad: trampa de átomos fríos a bordo de un CubeSat 6U”, CEAS Space Journal, vol. 12, pág. 539–549, 202
10. Sam A. Berry, et al, “Guías de ondas de cresta en cubos indifundidas con Zn en MgO:PPLN que generan 1 vatio de SHG de 780 nm con una eficiencia del 70 %”, OSA Continu µm , vol. 2, n.º 12, págs. 3456-3464, 2019.
11. Thomas A. Wright, et al., “Interfaz fotónica bidireccional para vincular la transición Sr+ a 422 nm con la telecomunicación”, Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.
12. DB Kolker, et. al, “Fuentes láser de infrarrojo medio sintonizables para el análisis de gases traza”, J. Phys.: Conf. Ser., vol. 2067, 2021.
13. D. Popa et al., “Hacia sensores de gas integrados en el infrarrojo medio”, Sensors, vol. 19, pág. 2076, 2019.