Cristales ópticos no lineales
Los cristales ópticos no lineales (NLO) ofrecen una solución enormemente flexible para generar nuevas longitudes de onda a partir de fuentes láser disponibles comercialmente. El espectro de longitud de onda óptica µm se utiliza en una amplia y creciente variedad de aplicaciones, desde la esterilización UV, la computación y redes cuánticas µm , la imagen visible, las telecomunicaciones, la detección ambiental, hasta la espectroscopia de terahercios, entre muchas otras. Para todas estas aplicaciones, la fuente de luz es un componente fundamental que proporciona la longitud de onda de inación µm , la potencia, el ancho de línea y otras propiedades espectrales clave requeridas.
Aunque existe una amplia variedad de fuentes láser disponibles comercialmente que cubren el espectro óptico extendido µm aún no siempre es posible encontrar una fuente de luz directa o rentable para todas
las aplicaciones. En los casos en que no se dispone de una fuente directa práctica, la conversión de longitud de onda mediante cristales ópticos no lineales de alta eficiencia ofrece una solución eficaz.
¿QUE APLICACIONES?
Los cristales PPLN se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde tecnologías espaciales y de defensa hasta computación cuántica µm . Gracias a nuestra investigación y al trabajo de nuestros clientes, descubrimos constantemente nuevas aplicaciones para nuestras soluciones.
Prof. Corin Gawith , CTO de Covesion
Principio de conversión de longitud de onda
El principio de conversión de longitud de onda mediante efectos ópticos no lineales ha existido durante décadas y con los avances en la tecnología láser, combinados con el descubrimiento de cristales de alta calidad con grandes no linealidades ópticas, las ganancias correspondientes en la eficiencia de conversión han permitido el uso práctico de cristales NLO tanto en entornos de investigación como comerciales. 1,2 Uno de los avances más importantes ha sido la adopción de materiales que pueden diseñarse en el dominio, lo que permite utilizar la coincidencia de cuasifase (QPM) como el método mediante el cual se mantiene la fase relativa entre las ondas que interactúan. 3
En comparación con la adaptación de fase birrefringente (BPM) más convencional utilizada en materiales homogéneos, los materiales QPM microestructurados ofrecen los beneficios de una alineación óptica colineal simple, un desplazamiento angular no crítico, acceso a los coeficientes no lineales más grandes y un espacio de diseño altamente flexible.
Los cristales NLO proporcionan una solución práctica para la generación de longitudes de onda que no son fácilmente accesibles a través de fuentes láser directas.
Elección del cristal NLO
La elección del cristal NLO para una aplicación específica depende de la longitud de onda requerida, las fuentes de p µm disponibles y la eficiencia de conversión de NLO. Otras consideraciones secundarias incluyen la potencia de salida requerida, el ancho de línea, la temperatura de operación, etc. Al considerar diferentes materiales de cristal, el niobato µm litio (LiNbO₃) es una opción particularmente atractiva debido a su alto coeficiente no lineal.4
El niobato de litio µm es un material ferroeléctrico cuya estructura de dominio puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico. Mediante la aplicación de un campo eléctrico con patrones espaciales, denominado polarización periódica, se produce una inversión periódica de la polarización intrínseca dentro del cristal. Esto permite utilizar QPM para alcanzar el coeficiente no lineal más alto (d₃). El dopaje con MgO al 5 % aumenta significativamente la resistencia óptica y fotorrefractiva del cristal, a la vez que conserva su alto coeficiente no lineal. Con un umbral de daño más alto, el MgO:PPLN resulta adecuado para aplicaciones de mayor potencia.
Gracias a su alto coeficiente no lineal, su capacidad de polarización periódica y su amplia transmisión óptica, el MgO:PPLN se convierte en una solución altamente flexible para la generación de longitudes de onda desde el azul (<400 nm) hasta el infrarrojo medio y más allá (THz). La longitud de onda requerida se obtiene adaptando el diseño del cristal PPLN para acceder al proceso no lineal más adecuado: SHG, SFG, DFG, etc.
Procesos ópticos no lineales
La generación de segundo armónico (SHG), o duplicación de frecuencia, es el proceso no lineal de segundo orden más comúnmente utilizado. En SHG, dos fotones de entrada p µm p con la misma longitud de onda λ P se combinan mediante 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 ).
Los cristales SHG de MgO:PPLN se pueden fabricar con períodos de rejilla QPM adecuados para una amplia gama de longitudes de onda de láser p µm p disponibles comercialmente de 976 nm a 2100 nm, lo que permite la generación de luz de frecuencia duplicada 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 fuentes láser p µm p fijas (por ejemplo, 1550 nm) y sintonizables (por ejemplo, 780/810 nm) fácilmente disponibles, los cristales SFG de MgO:PPLN pueden proporcionar una luz de salida sintonizable entre 500 y 700 nm.
La generación de frecuencia de diferencia (DFG) ocurre cuando dos fotones de entrada en λ P y λ S inciden en el cristal, la presencia del fotón de señal de frecuencia más baja, λ S , estimula el fotón p µm p , λ P , para emitir un fotón de señal λ S y un fotón inactivo en λ i , donde λ i = (1/ λ P – 1/ λ S ) -1 (o en términos de frecuencia f i = f P – f S ). En este proceso, dos fotones de señal y un fotón inactivo salen del cristal dando como resultado 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 oscilador paramétrico óptico (OPO), se puede mejorar significativamente la eficiencia.
Los cristales DFG de MgO:PPLN se pueden diseñar para funcionar con longitudes de onda p µm comunes fijas y sintonizables (por ejemplo, 1064/1550/775 nm) para cubrir un rango de sintonización de salida amplio y continuo desde el infrarrojo cercano hasta más allá de 4,5 μm en el infrarrojo medio.
El diseño de la rejilla QPM de MgO:PPLN puede ampliarse para acceder a procesos de tercer orden, como la generación de tercer armónico (THG). Si bien la eficiencia de tercer orden es significativamente menor que la de segundo orden , se ha demostrado la generación de niveles útiles de luz UV mediante SFG de tercer orden (1064 nm + 532 nm -> 355 nm) en MgO:PPLN. 5
Aplicaciones en el mundo real
El MgO;PPLN se puede fabricar fácilmente en diversas formas, desde cristal a granel hasta guía de onda, lo que proporciona una amplia gama de aplicaciones y una mayor eficiencia de conversión. Los chips de conversión de longitud de onda, ya sea en forma de cristal a granel o de guía de onda, se pueden empaquetar fácilmente con entrada y salida acopladas a fibra, lo que facilita su uso. La combinación de un encapsulado acoplado a fibra con un controlador de temperatura de alta precisión proporciona una solución de conversión de longitud de onda lista para usar.
Los ejemplos del mundo real que muestran el beneficio de la ingeniería de longitud de onda utilizando cristales PPLN incluyen:
Generación de 780 nm a partir de una fuente de 1560 nm (SHG).
Atrapamiento magnetoóptico (MOT) de átomos de Rb en aplicaciones que utilizan interferometría de átomos fríos, como detección gravimétrica y relojes atómicos. 6 En esta aplicación, los láseres de telecomunicaciones COTS a 1560 nm se pueden duplicar eficientemente en frecuencia a 780 nm, con eficiencias de conversión de hasta el 70 % demostradas para soluciones de guía de ondas. 7 µm disponibles comercialmente junto con un cristal duplicador de frecuencia proporciona una generación rentable de la potencia de 780 nm y el ancho de línea estrecho necesarios para soportar el atrapamiento de átomos de Rb.
Conversión bidireccional de 422 nm <-> 1550 nm (SFG/DFG).
Redes cuánticas de µm para facilitar la distribución de claves cuánticas µm (QKD). Esta aplicación requiere una conversión eficiente entre las transiciones atómicas de longitud de onda corta utilizadas para cúbits de iones atrapados y la banda C de telecomunicaciones para la transmisión por fibra de baja pérdida. El uso de cristales PPLN especialmente diseñados ha demostrado una conversión tanto ascendente como descendente a nivel de fotón único entre 422 nm (emisión de Sr+) y 1550 nm. Esto proporciona un componente crucial para la construcción de redes cuánticas µm a gran escala.8
Para concluir
En conclusión, los cristales NLO ofrecen una solución práctica para la generación de una amplia gama de longitudes de onda que no son fácilmente accesibles mediante fuentes láser directas. El uso de materiales altamente eficientes que pueden microestructurarse para permitir la QPM, como el MgO:PPLN, proporciona un ecosistema de productos altamente flexible. Como proveedor líder de productos de conversión de longitud de onda basados en PPLN, Covesion puede ofrecer asesoramiento sobre soluciones específicas para cada cliente, así como soporte técnico para su configuración, uso y optimización. Con una amplia cartera de productos COTS y capacidades de diseño a medida, Covesion está en una posición ideal para dar soporte a la más amplia gama de aplicaciones de conversión de longitud de onda.
Referencias
- Maker y otros, Phys. Rev. Lett., 8(1):21–23, 1962
- H µm et al, CR Physique 8 (2007) 180–198
- Armstrong y otros, Phys. Rev., 127(6):1918–1939, 1962
- M. Houe y otros, J. Phys. D. Appl. Phys., 28:1747–1763, 1995
- Hsu y col., Proc. SPIE 1126412 (2 de marzo de 2020)
- Devani et al, CEAS Space Journal vol µm e 12, 539–549 (2020)
- Berry y col., OSA Continu µm , vol. 2, n° 12, 15 de diciembre de 2019, 3456
- Wright y otros, Phys Rev Appl 10, 044012 (2018)
