Cristales no lineales
Los cristales no lineales son una categoría de materiales ópticos que exhiben propiedades especializadas al interactuar con la luz. A diferencia de las interacciones ópticas lineales entre la luz y el medio µm , donde la magnitud del efecto del medio µm sobre la luz no varía con la intensidad de la luz, los cristales no lineales reaccionan proporcionalmente a la intensidad de la luz y, en consecuencia, modifican sus propiedades, como la frecuencia, la fase y la polarización. La respuesta no lineal de estos cristales a la luz incidente se debe fundamentalmente a la no linealidad χ(2) debida a la
estructura asimétrica de la red cristalina.
Hay una variedad de materiales para hacer el cristal no lineal, entre los cuales los cristales no lineales más populares son Lithi µm Triborato (LBO), Beta Bari µm Borato (BBO), Potassi µm Titanyl Phosphate (KTP), Lithi µm Niobate (LiNbO3), Cesi µm Lithi µm Borate (CLBO) y Galli µm Selenide (GaSe)
con múltiples rejillas
A continuación se muestra una comparación de los cristales no lineales más utilizados en términos de sus propiedades ópticas y no lineales:
Conversiones de frecuencia paramétricas
La conversión de frecuencia mediante cristales no lineales es un método ampliamente utilizado para generar nuevas frecuencias/longitudes de onda de luz que no están fácilmente disponibles.
Por ejemplo, la generación de segundo armónico (SHG) convierte un solo láser de su longitud de onda en medio rayo de n µm ; la generación de frecuencia de s µm (SFG) multiplica dos láseres individuales y genera un nuevo rayo láser con una longitud de onda que es más corta que las longitudes de onda originales; la generación de frecuencia de diferencia (DFG) combina dos láseres individuales pero produce un nuevo rayo láser con una longitud de onda que es más larga que las longitudes de onda originales.
Además, el QPM permite seleccionar el ángulo de propagación de la luz dentro de los cristales para aprovechar el mayor coeficiente no lineal del material en la interacción no lineal. En comparación con la adaptación de fase birrefringente, la adaptación de fase cuasifásica (QPM) ofrece un gran avance al eliminar la desviación espacial y aumentar el coeficiente no lineal, lo que puede mejorar eficazmente la eficiencia de conversión de frecuencia y la calidad del haz de las nuevas ondas generadas.
Niobato de litio µm polarizado periódicamente
El niobato de litio µm polarizado periódicamente (PPLN) es un material QPM diseñado típicamente para procesos de conversión de longitud de onda no lineal de alta eficiencia.
Como cristal ferroeléctrico, el niobato de litio ( µm contiene celdas unitarias con un pequeño momento dipolar eléctrico, cuya orientación depende de la posición de los iones de litio ( µm y niobio µm dentro de la celda. Al aplicar un campo eléctrico elevado, se puede invertir la estructura cristalina dentro de la celda unitaria y, en consecuencia, la orientación del dipolo eléctrico.
Para fabricar PPLN, se modela litográficamente una oblea de niobato de litio µm con una estructura de electrodo periódico. Esta se coloca debajo de los electrodos y se les aplica un alto voltaje para crear regiones polarizadas periódicamente con la forma deseada. El período de polarización con el que se debe crear el cristal depende de la condición de coincidencia de fase de las longitudes de onda que interactúan en el proceso paramétrico. Las longitudes de onda con coincidencia de fase se pueden adaptar diseñando una PPLN con diferentes períodos de polarización.
Se pueden fabricar múltiples canales de periodo de polarización en un solo cristal PPLN para ampliar la longitud de onda operativa. Además, el ajuste de temperatura de los cristales PPLN ofrece un mayor grado de control sobre la longitud de onda de fase.
Las rejillas de abanico en PPLN son patrones de polarización periódica especialmente diseñados que permiten la adaptación de cuasifase en un rango de longitudes de onda. Estas rejillas son particularmente útiles en configuraciones de osciladores paramétricos ópticos (OPO) donde se desea una amplia sintonización o la generación simultánea de múltiples longitudes de onda. El período de la rejilla en una estructura de abanico cambia gradualmente a lo largo del ancho del cristal. Las rejillas de abanico permiten una amplia sintonización en sistemas OPO, donde la señal y las longitudes de onda inactivas se pueden ajustar moviendo el haz p de p µm a lo largo de la rejilla a una temperatura fija.
En general, PPLN proporciona una gran flexibilidad en el diseño de adaptación de fase para una amplia gama de conversiones de frecuencia paramétrica.
Oscilador paramétrico óptico
Uno de los usos más comunes de PPLN para generar nuevas fuentes de longitud de onda es en un oscilador paramétrico óptico (OPO). Al igual que un oscilador láser típico, el OPO consta de una fuente de p µm , un medio de ganancia µm y un resonador.
En lugar de utilizar materiales dopados con iones de tierra trasera para osciladores láser, OPO emplea materiales no lineales, PPLN como ejemplo, para generar un proceso paramétrico y, por lo tanto, convertir la frecuencia de la longitud de onda p µm p a diferentes longitudes de onda.
El gran avance de un OPO es la capacidad de generar radiación coherente sintonizable a partir de un único rayo láser incidente.
Cuando el haz láser incidente, denominado p µm p, interactúa con el cristal no lineal, se generan dos nuevos haces, denominados señal e inactivo, en condiciones de coincidencia de fase. Esto se puede representar como la división de un fotón p µm p en un par de fotones, respetando la ley de conservación de la energía.
La generación paramétrica inicial se basa en ruido cuántico µm , y las ondas de señal y de reposo se amplifican durante cada paso a través del cristal no lineal en resonancia por la cavidad OPO. Por lo tanto, se debe alcanzar un umbral de p µm , según el diseño de la cavidad OPO, para lograr una oscilación constante. Existen dos tipos de configuraciones de la cavidad OPO: la OPO de resonancia simple y la OPO de resonancia doble, dependiendo de si una sola onda o ambas, la de señal y la de reposo, son resonadas por los espejos de la cavidad OPO.
Los OPO doblemente resonantes pueden tener umbrales de p µm p más bajos que los OPO con resonancia simple. Sin embargo, están sujetos a restricciones en la longitud de su cavidad para cumplir con las condiciones de resonancia tanto para la señal como para las ondas inactivas. Por lo tanto, los OPO con resonancia simple son generalmente más comunes que los OPO doblemente resonantes en la práctica. En algunos casos, el haz de p µm p también puede reflejarse en uno de los espejos de la cavidad para formar una configuración de doble paso de p µm ping, lo que mejora la eficiencia de conversión de frecuencia.
Los OPO pueden operar en régimen de onda continua (CW) o pulsado, dependiendo de la fuente láser p µm p , ya que los OPO generalmente generarán una salida con un perfil temporal similar al láser µm 1 . P µm ped por un CW o un láser de pulso largo (nanosegundo o más), la longitud larga de los cristales no lineales se puede emplear para el OPO para mejorar la eficiencia de conversión y la potencia de salida, aunque los cristales más largos requerirían un espectro µm para el p µm p debido al ancho de banda de aceptación espectral p µm p limitado.
Mientras que los OPO ped de p µm con pulsos cortos (de picosegundos o más cortos) requieren una correspondencia entre la longitud de la cavidad y la tasa de repetición de p µm p para garantizar que el tiempo de ida y vuelta resonante sea igual al tiempo entre pulsos de p µm p. Esto se conoce como OPO ped de p µm sincrónico. Al seleccionar la longitud del cristal, es necesario evitar la desviación temporal entre los pulsos cortos a diferentes longitudes de onda, originada por la dispersión de la velocidad de grupo en el cristal no lineal.
Generalmente, los OPO ped síncronos de p µm producen pulsos con la misma frecuencia de repetición que el pulso p µm , aunque también se pueden lograr repeticiones armónicas más altas para cumplir con la sincronización temporal. Normalmente, desarrollar un OPO de pulso corto con baja repetición es difícil debido al requisito de una gran longitud de cavidad para el ping síncrono de p µm . Se han descrito algunas técnicas para superar estos problemas; por ejemplo, un OPO de alto armónico con una longitud de cavidad corta funciona con éxito a una frecuencia de repetición de 1 MHz2.
La OPO con retroalimentación de fibra es otra solución para operar la OPO de pulso corto a una tasa de repetición baja mientras se mantiene una cavidad compacta3.
Ejemplos de uso de PPLN para OPO
Las atractivas características de alto coeficiente no lineal, amplia transparencia espectral y capacidad QPM hacen del cristal PPLN uno de los mejores µm no lineales en el desarrollo de OPO para una variedad de aplicaciones.
Los OPO más comunes son de p µm , alimentados por láseres de 1 µm, y producen longitudes de onda de salida ajustables que abarcan tanto el infrarrojo cercano (1,2-2,0 µm) como el infrarrojo medio (2,0-5,0 µm). En funcionamiento en onda continua (CW), se logra un OPO de alta eficiencia con una depleción de p del 93 % de p µm , basado en un PPLN, que convierte el 86 % de los fotones de p µm a la salida de reposo y produce 3,55 W en el infrarrojo medio a 3,25 µm⁻¹ . Para funcionamiento de alta potencia, se ha demostrado que un OPO PPLN de onda continua (CW) genera una potencia máxima de 7,54 W a µm µm⁻¹ . En comparación con el OPO de onda continua (CW), que requiere una fuente de espectro estrecho (p µm ) para mejorar la eficiencia de conversión, los OPO pulsados generalmente exigen menos espectro ( µm µm y tienden a tener umbrales de p µm . Operando en el régimen de nanosegundos (200 ns, 300 kHz), se informa que el OPO PPLN con láser de fibra de alta potencia (p µm genera una potencia media máxima µm de hasta 10,82 W a 3,75 µm .
Mientras tanto, los OPO PPLN tienen un buen rendimiento en el régimen de pulsos ultracortos. Por ejemplo, se demuestra un OPO de 1 MHz basado en PPLN, que proporciona una señal sintonizable (1329-1641 nm) y pulsos inactivos (2841-4790 nm) (137 ps) con una energía de pulso de señal µm energía de pulso inactivo µm 7 . Los OPO de femtosegundos basados
en PPLN también son atractivos y útiles para diversas aplicaciones. La salida ampliamente sintonizable que cubre 1450-4000 nm se genera a partir de un OPO ped de 70 fs p µm que consiste en un cristal PPLN. Además, mezclas de frecuencia adicionales, incluyendo SHG y SFG, dentro del OPO PPLN producen una sintonizabilidad de longitud de onda que se extiende a la región visible (610-970 nm) 8 .
Aplicaciones OPO
Un láser OPO es una fuente de luz versátil con una amplia gama de aplicaciones gracias a su capacidad para generar longitudes de onda ajustables. La espectroscopia explora la interacción entre la luz y la materia, centrándose en cómo los materiales absorben, emiten o dispersan la luz para revelar su composición química, estructura molecular y propiedades físicas. Los láseres OPO ajustables desempeñan un papel crucial en este campo, ofreciendo longitudes de onda precisas y ajustables que permiten mediciones detalladas y precisas en un amplio rango espectral. Tiene amplias aplicaciones en la investigación médica y biológica, el estudio de materiales y la monitorización ambiental. 9,10,11,12 Al igual que la espectroscopia Raman y la espectroscopia de absorción infrarroja, los OPO son útiles para analizar estructuras moleculares y composición química.
En la monitorización ambiental y la detección de gases, los OPO son útiles para detectar moléculas específicas. El láser OPO también se puede utilizar en microscopía. Ofrece la flexibilidad necesaria para controlar con precisión las longitudes de onda de excitación y optimizar las condiciones de obtención de imágenes. Utilice la capacidad de ajuste para ajustar el pico de excitación de los fluoróforos, como en la microscopía de dos fotones, utilizando el infrarrojo cercano (NIR) para excitar fluoróforos de rango visible para la obtención de imágenes de tejidos profundos. Las longitudes de onda de los OPO se pueden ajustar para mejorar el contraste de la señal de tejidos específicos en la microscopía SHG/THG. La salida de infrarrojo medio (MID) se puede utilizar para la obtención de imágenes de absorción IR directa o espectroscopía. En la microscopía CARS, los OPO son excelentes para generar haces de p µm p y de Stokes en la obtención de imágenes vibracionales.
La longitud de onda ajustable permite la localización de vibraciones moleculares específicas. Los láseres OPO también podrían utilizarse en defensa y seguridad. Gracias a su salida en el infrarrojo medio, pueden utilizarse para bloquear misiles guiados por infrarrojos. También pueden utilizarse para LIDAR, ajustando las longitudes de onda del láser para minimizar la absorción atmosférica y así lograr un mapeo de alta resolución y la detección de objetivos.
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 ofrece asesoramiento sobre soluciones específicas para cada cliente y soporte técnico para su configuración, uso y optimización. Con una amplia cartera de productos COTS y capacidad de diseño a medida, Covesion está en una posición privilegiada para dar soporte a la más amplia gama de aplicaciones de conversión de longitud de onda.
Referencias
- J. Zhao, Y.Chen, D. Ouyang, M. Liu, C. Li, X. Wu, X. Xiong, L. Mo, M. Wang, X. Liu, Q. Lv y S. Ruan, “Conversión paramétrica de infrarrojo medio de picosegundos de más de 3,8 W y 3,4 µm
basada en un esquema simplificado de uno a muchos”, Optics Express, vol. 32, n.º 5, págs. 8364-8378, 2024. - H.-Y. Chan, S.-U. Alam, DJ Richardson y DP Shepherd, “ Oscilador paramétrico óptico de picosegundos, infrarrojo medio, de alta energía y µm
cavidad de alto armónico”, Optics Letters, págs. 3288-3291, 2015. - Y Wu, S Liang, Q Fu, TD Bradley, F Poletti, DJ Richardson, L Xu, “Oscilador paramétrico óptico con retroalimentación de fibra de picosegundos, de alta energía y infrarrojo medio”, Optics Letters, vol. 47, n.º
14, págs. 3600-3603, 2022. - WR Bosenberg, A Drobshoff, JI Alexander, LE Myers, RL Byer, “93% p µm p depletion, oscilador paramétrico óptico de onda continua de 3,5 W, de resonancia simple”, Optics
letters, vol. 21, n.º 17, págs. 1336-1338, 1996. - JQ Zhao, BQ Yao, Y Tian, YL Ju, YZ Wang, “OPO de alta potencia, onda continua, de resonancia simple basado en MgO: PPLN”, Física láser, vol. 20, págs. 1902-1906, 2010.
- Y He, Y Ji, H Wan, D Yu, K Zhang, Q Pan, J Sun, Y Chen, F Chen, “Pulso infrarrojo medio de alta potencia MgO: oscilador paramétrico óptico PPLN p µm ped mediante
láser de fibra dopado con Yb polarizado linealmente”, Optics & Laser Technology, vol. 146, pág. 107547, 2022. - Y Wu, Q Fu, S Liang, F Poletti, DJ Richardson, L Xu, “Oscilador paramétrico óptico con retroalimentación de fibra de núcleo hueco de picosegundos de 15 µJ”, Optics Express, vol. 31, n.º 14, págs.
23419-23429, 2023. - C Gu, M Hu, L Zhang, J Fan, Y Song, C Wang, DT Reid, “Fuente láser de femtosegundos de alta potencia promedio, ampliamente ajustable desde el rojo hasta el infrarrojo medio basada en un
de láser de fibra Yb p µm ”, Optics letters, vol. 38, n.º 11, págs. 1820-1822, 2013. - Y. Li, B. Shen, S. Li, Y. Zhao, J. Qu, L. Liu, “Revisión de técnicas de microscopía de dispersión Raman estimulada y aplicaciones en las biociencias”, Biología avanzada, pág.
2000184, 2020. - D. Polli, V. K µm ar, CM Valensise, M. Marangoni y G. Cerullo, “Microscopía de dispersión Raman coherente de banda ancha”, Laser Photonics Reviews, vol. 12, pág. 1800020,
2018. - H. Xiong, N. Qian, Y. Miao, Z. Zhao y W. Min, “Espectroscopia de fluorescencia excitada Raman estimulada de colorantes visibles”, The Journal of Physical Chemistry Letters, vol.
10, págs. 3563-3570, 2019. - S. Wehbi, T. Mansuryan, R. Jauberteau, A. Tonello, K. Krupa, S. Wabnitz, H. Kano, P. Leproux, S. Vergnole y V. Couderc, “Generación versátil de supercontinuos µm mediante
no linealidades χ(2) y χ(3) en cristales PPLN para medición directa de CARS multiplex”, Proc. of SPIE, vol. 11770, págs. 11770-1-6, 2021.
