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 con las longitudes de onda de la radiación. Desempeña un papel vital en diversos campos científicos e industriales, proporcionando información valiosa sobre la composición, la estructura y la dinámica de los materiales. Las técnicas espectroscópicas se emplean en una amplia gama de aplicaciones, como la química, la física, la biología, las ciencias ambientales, la ciencia de los materiales, la industria farmacéutica y muchas otras. El mercado global de la espectroscopia alcanzó los 16 000 millones de dólares en 2022 y se espera que alcance los 31 000 millones de dólares para 2032, con el aumento del uso de métodos espectroscópicos para fines de prueba. Existe una creciente demanda de tecnología de nueva generación por parte de los laboratorios, y el mercado crece a una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 7,3 % [1].
La eficiencia y la versatilidad sonctocríticos en 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 ofrezcan una mayor sensibilidad, una amplia capacidad de ajuste y una mejor generación de señales. El niobato de litio de µm de polarización periódica (PPLN) ha surgido como una valiosa plataforma para diversas técnicas de espectroscopía, lo que permite una manipulación eficiente y versátil de las interacciones luz-materia. Al explotar sus propiedades únicas y su estructura de polarización periódica, PPLN ofrece capacidades mejoradas de conversión de longitud de onda, una amplia capacidad de ajuste y una mayor sensibilidad de detección. Este documento técnico explora el potencial de PPLN en aplicaciones de espectroscopía, incluyendo la espectroscopía óptica no lineal, la espectroscopía de generación de frecuencia de µm y la espectroscopía Raman.
Propiedades de PPLN para espectroscopia
El PPLN ofrece un alto coeficiente no lineal, lo que permite una conversión eficiente de longitudes de onda y la 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, el PPLN presenta un alto umbral de daño, lo que le permite soportar rayos láser intensos. Estas propiedades, combinadas con la flexibilidad del PPLN para lograr condiciones de coincidencia de cuasi-fase mediante polarización periódica, lo convierten en un material atractivo para aplicaciones espectroscópicas.
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 paralelas al eje z, es decir, coincidencia de fase tipo 0. Para MgO:LN con polarización periódica, el coeficiente no lineal efectivo d eff es típicamente 14pm/V, que es mucho más alto que los cristales no lineales tradicionales como el triborato de litio µm (LBO, 0,85pm/V), el borato de beta bari µm (BBO, 2,5pm/V) o el fosfato de titanilo de potasio µm (KTP, 3,4pm/V). Esta propiedad permite procesos de conversión de frecuencia eficientes, como la generación de 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 diversas aplicaciones espectroscópicas.
Amplio rango de transparencia : PPLN presenta un amplio rango de transparencia que abarca desde el ultravioleta (UV) hasta el infrarrojo medio (IR medio) µm . Este amplio rango de transparencia permite utilizar PPLN para estudios espectroscópicos en una amplia gama de longitudes de onda.
Alto umbral de daño : El PPLN posee un alto umbral de daño, lo que le permite soportar 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 de operación exigentes. Para fuentes láser de femtosegundos, el PPLN puede soportar una intensidad de potencia de hasta 8 GW/ cm² .
Flexibilidad en la conversión de longitud de onda : La PPLN puede diseñarse para exhibir una estructura de cuasi-adaptación de fase (QPM) mediante la polarización periódica del cristal. Este proceso crea una serie de regiones alternas con orientaciones de polarización opuestas. Al seleccionar el período de polarización adecuado, la longitud de onda de QPM puede ajustarse para adaptarse a los requisitos específicos de la aplicación. Esta flexibilidad en la conversión de longitud de onda permite un ajuste eficiente y preciso de las frecuencias generadas o convertidas para investigaciones espectroscópicas.
Amplia capacidad de ajuste : La estructura QPM de PPLN permite una amplia capacidad de ajuste de las longitudes de onda generadas o convertidas. Al ajustar la temperatura del cristal, se puede adaptar la condición de coincidencia de fase, lo que resulta en una salida ajustable en un amplio rango de longitudes de onda. Esta capacidad de ajuste es ventajosa para las técnicas espectroscópicas 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 típicamente requeriría un solo fotón de mayor energía. En esta técnica, se utiliza una fuente láser pulsada con una duración de pulso relativamente larga y una longitud de onda de infrarrojo cercano (NIR) para excitar la muestra. La mayor duración del pulso ayuda a garantizar que dos fotones se absorban simultáneamente, lo que genera emisión de fluorescencia u otras señales mensurables. PPLN se emplea en la espectroscopia de absorción de dos fotones como un duplicador de frecuencia para convertir la longitud de onda del láser NIR a una longitud de onda más corta, típicamente en el rango visible [2] . El alto 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 puede mejorarse significativamente, lo que resulta en una señal más fuerte y más detectable para la espectroscopia de absorción de dos fotones [3] .
S µm (SFG) es una técnica óptica potente y no lineal que se utiliza para estudiar las propiedades de la superficie y la interfaz de los materiales [4] . Proporciona información valiosa sobre las vibraciones moleculares y las interacciones en las interfaces, que son esenciales para comprender el comportamiento de las superficies, películas delgadas e interfaces en varias aplicaciones, como la catálisis, las biointerfaces y la ciencia de los materiales. La espectroscopia SFG implica la interacción de dos fotones incidentes para generar una nueva frecuencia ( frecuencia µm µm de las frecuencias de los dos fotones incidentes. La SFG es altamente específica de la superficie y puede sondear selectivamente las vibraciones moleculares en la interfaz o superficie sin interferencia del material a granel. Esto la hace particularmente adecuada para estudiar las estructuras moleculares y la dinámica en interfaces enterradas. La espectroscopia SFG proporciona información vibracional sobre las moléculas presentes en la interfaz, lo que permite a los investigadores estudiar las orientaciones moleculares, los enlaces de hidrógeno y otras interacciones. La espectroscopia SFG es una técnica no destructiva que puede sondear superficies e interfaces sin alterar la muestra. Además, es altamente sensible a las estructuras y orientaciones moleculares, lo que permite a los investigadores estudiar monocapas o películas muy delgadas. La naturaleza selectiva de la superficie de la SFG la convierte en una herramienta ideal para estudiar interfaces enterradas, como las que se encuentran en biomembranas o interfaces electrodo-electrolito. La SFG puede combinarse con mediciones con resolución temporal, lo que permite a los investigadores estudiar procesos dinámicos en interfaces en una escala de tiempo de femtosegundos [5] .
PPLN es un material ideal para generar señales SFG coherentes con alta sensibilidad y capacidad de ajuste. Los cristales PPLN pueden diseñarse con diferentes periodicidades, lo que permite ajustar la señal SFG generada en un amplio rango de frecuencias. La condición de cuasi-adaptación de fase en PPLN mejora considerablemente la eficiencia del proceso SFG, resultando en señales más intensas y fácilmente detectables. Los cristales PPLN pueden diseñarse para cubrir un amplio rango de longitudes de onda infrarrojas y visibles, lo que los hace compatibles con diversas fuentes láser. Además, PPLN proporciona señales SFG coherentes, lo que permite mediciones sensibles a la fase y diversas técnicas espectroscópicas basadas en la coherencia. Gracias a su alta eficiencia de conversión, las configuraciones SFG basadas en PPLN pueden alcanzar una excelente sensibilidad, lo que permite el estudio de monocapas o interfaces de interacción débil.
PPLN también ha demostrado un gran potencial en la mejora de la espectroscopia Raman , una técnica ampliamente utilizada para la identificación y el análisis molecular. La espectroscopia Raman proporciona información valiosa sobre las vibraciones moleculares y la composición química, pero a menudo sufre de 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 Raman anti-Stokes coherente [6] . SRS es un proceso óptico no lineal que puede amplificar significativamente las señales Raman débiles mediante el uso de un potente láser p µm p para estimular las transiciones Raman. El proceso implica la interacción del láser p µm p con la muestra, lo que produce una amplificación de la señal Raman a una frecuencia diferente. PPLN se puede emplear como un medio no lineal µm para SRS debido a su propiedad única de coincidencia de cuasifase, que permite una conversión de energía eficiente de la p µm p a la señal desplazada por Raman. Los investigadores utilizaron cristales PPLN para construir un sistema láser de estado sólido para microscopía SRS. Demostraron la microscopía SRS con un tiempo de permanencia de píxel de 30 µs, alto contraste químico, una relación señal-ruido superior a 45 y sin necesidad de detección balanceada [7] .
La espectroscopia de dispersión Raman coherente anti-Stokes (CARS) es una potente técnica óptica no lineal utilizada para la obtención de imágenes químicas sin etiquetas y la espectroscopia vibracional. Permite la detección y caracterización de vibraciones moleculares explotando el fenómeno de dispersión Raman. La espectroscopia CARS implica la interacción de tres haces láser: un µm p, un haz Stokes y un haz de sonda. Los haces p µm p y Stokes se combinan para generar una señal anti-Stokes coherente a una frecuencia más baja, que luego se detecta utilizando el haz de sonda. La diferencia de frecuencia entre los haces p µm p y Stokes corresponde a un modo vibracional de interés. 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 ser detectada por un fotodiodo polarizado en condiciones normales de luz ambiental [8] .
PPLN para conversión de longitud de onda
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 µm 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.
Referencias
- https://www.precedenceresearch.com/mercado-de-espectroscopia.
- 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, n.º 2, pág. 1010, 2021.
- H. He, et, al., “Microscopía de dos fotones de tejido profundo con un láser de modo bloqueado de fibra de frecuencia duplicada a 937 nm”, Advanced Photonics Nexus, vol. 1(2), pág. 026001, 2022.
- A. Morita, Teoría de la espectroscopia de generación de frecuencia S µm , Springer.
- µm espectroscópica de frecuencia µm bidimensional y resuelta en el tiempo de femtosegundos para estudiar la dinámica estructural en interfaces”, Review of Scientific µm , vol. 79, pág. 093907, 2008.
- D. Polli, et. ac, “Microscopía de dispersión Raman coherente de banda ancha”, Laser & Photonics reviews, vol. 12, n.º 9, 2018.
- T. Steinle, et. al., “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, n.º 1, pág. 2245001, 2023.
