Papier blanc: Niobate Lithi µm périodiquement Pole utilisé dans la spectroscopie

Introduction

La spectroscopie est l'étude de l'absorption et de l'émission de lumière et d'autres rayonnements par la matière, en relation avec la dépendance de ces processus aux longueurs d'onde du rayonnement. Il joue un rôle essentiel dans divers domaines scientifiques et industriels en fournissant des informations précieuses sur la composition, la structure et la dynamique des matériaux. Les techniques de spectroscopie sont utilisées dans un large éventail d'applications, notamment la chimie, la physique, la biologie, les sciences de l'environnement, la science des matériaux, les produits pharmaceutiques et bien d'autres. La taille du marché mondial de la spectroscopie a atteint 16 milliards de dollars (USD) en 2022 et devrait atteindre environ 31 milliards de dollars (USD) d'ici 2032 avec une utilisation accrue des méthodes de spectroscopie à des fins de test. Les laboratoires demandent de plus en plus de technologies nouvellement développées et le marché croît à un TCAC de 7,3 %. ^[1].

L'efficacité et la polyvalence sont des FActocritiques dans la spectroscopie, car les chercheurs s'efforcent d'obtenir des informations précises et détaillées en temps opportun. Pour répondre à ces demandes, il existe un besoin constant de techniques de spectroscopie innovantes et avancées qui offrent une sensibilité accrue, une large accordage et une génération de signaux améliorée. Le niobate Lithi µm périodiquement potentiel (PPLN) est devenu une plate-forme précieuse pour diverses techniques de spectroscopie, permettant une manipulation efficace et polyvalente des interactions de la lumière légère. En exploitant ses propriétés uniques et sa structure de polissage périodique, le PPLN offre des capacités de conversion de longueur d'onde améliorées, une large accordabilité et une sensibilité à la détection accrue. Ce livre blanc explore le potentiel de PPLN dans les applications de spectroscopie, notamment la spectroscopie optique non linéaire, la spectroscopie de génération de fréquences S µm et la spectroscopie Raman.

Propriétés du PPLN pour la spectroscopie

PPLN offre un grand coefficient non linéaire, permettant une conversion efficace de la longueur d'onde et la génération de signaux optiques non linéaires. Sa large gamme de transparence couvre une large gamme spectrale, permettant aux chercheurs d'accéder à différentes régions du spectre électromagnétique µm . De plus, PPLN présente un seuil de dégâts élevé, ce qui le rend capable de gérer des faisceaux laser intenses. Ces propriétés, combinées à la flexibilité du PPLN pour atteindre les conditions d'appariement en phase quasi par le polissage périodique, en font un matériau attrayant pour les applications de spectroscopie.

Grand coefficient non linéaire : PPLN possède un grand coefficient non linéaire. Le coefficient non linéaire le plus élevé est D33 = 25pm / V, ce qui correspond à des interactions parallèles à l'axe Z, à IE de type 0, correspondant à la phase. Pour le MgO périodiquement polé: LN, le coefficient de coefficient non linéaire effectif D _EFF est généralement 14 PM/V, qui est beaucoup plus élevé que les cristaux non linéaires traditionnels tels que µm (LBO, 0,85 pm / v), le phosphate de titanyl bêta µm bbo, 2,5 pm / v) ou la potassi µm de phosphate de titanyl (KTP, 3.4pm / V). Cette propriété permet des processus de conversion de fréquence efficaces, tels que la génération du second harmonique (SHG), la génération de fréquences S µm (SFG), la génération de fréquences de différence (DFG) et l'oscillation paramétrique optique (OPO), l'amplification paramétrique optique (OPA), qui sont essentielles pour divers applications spectroscopiques.

Large plage de transparence µm infrarouge moyen (Mid-IR) . La fenêtre de transparence couvre les longueurs d'onde d'environ 380 nm à 5 μm. Cette large gamme de transparence permet d'utiliser PPLN pour les études spectroscopiques à travers une large gamme de longueurs d'onde.

Seuil de dégâts élevé : le PPLN a un seuil de dégâts élevé, lui permettant de résister à un rayonnement laser de haute intensité. Cette propriété est cruciale pour les applications de spectroscopie impliquant des faisceaux laser intenses, car elle garantit la stabilité et la longévité du cristal dans des conditions de fonctionnement exigeantes. Pour une source laser femtoseconde, le PPLN pourrait gérer une intensité de puissance allant jusqu'à 8 GW/cm ² .

Flexibilité dans la conversion de longueur d'onde : le PPLN peut être conçu pour présenter une structure de quasi-adaptation de phase (QPM) en polarisant périodiquement le cristal. Ce processus crée une série de régions alternées avec des orientations de polarisation opposées. En sélectionnant la période de polarisation appropriée, la longueur d'onde QPM peut être ajustée pour répondre aux exigences spécifiques de l'application. Cette flexibilité dans la conversion de longueur d'onde permet un réglage efficace et précis des fréquences générées ou converties pour les investigations spectroscopiques.

Large accordabilité : la structure QPM du PPLN permet une large accordabilité des longueurs d'onde générées ou converties. En ajustant la température du cristal, les conditions d'adaptation de phase peuvent être adaptées, conduisant à une sortie accordable sur une large gamme de longueurs d'onde. Cette accordabilité est avantageuse pour les techniques de spectroscopie qui nécessitent la possibilité de scanner ou d'accéder à différentes longueurs d'onde.

PPLN utilisé en spectroscopie

La spectroscopie d'absorption à deux photons est une technique optique non linéaire qui implique l'absorption simultanée de deux photons par une molécule ou un matériau. Le processus se produit lorsque l’énergie combinée de deux photons de plus faible énergie correspond à l’énergie requise pour une transition électronique qui nécessiterait généralement un seul photon de plus haute énergie. Dans cette technique, une source laser pulsée avec une durée d'impulsion relativement longue et une longueur d'onde proche infrarouge (NIR) est utilisée pour exciter l'échantillon. La durée d'impulsion plus longue permet de garantir que deux photons sont absorbés simultanément, conduisant à une émission de fluorescence ou d'autres signaux mesurables. Le PPLN est utilisé dans la spectroscopie d'absorption à deux photons comme doubleur de fréquence pour convertir la longueur d'onde du laser NIR en une longueur d'onde plus courte, généralement dans la plage visible ^[2] . Le grand coefficient non linéaire du PPLN et sa flexibilité dans la conversion de longueur d'onde permettent une SHG efficace de la lumière laser NIR. En exploitant la propriété QPM du PPLN, l'efficacité de conversion peut être considérablement améliorée, ce qui donne un signal plus fort et plus détectable pour la spectroscopie d'absorption à deux photons ^[3] .

S µm (SFG) est une technique optique puissante et non linéaire utilisée pour étudier les propriétés de surface et d'interface des matériaux ^[4] . Il fournit des informations précieuses sur les vibrations moléculaires et les interactions aux interfaces, qui sont essentielles pour comprendre le comportement des surfaces, des films minces et des interfaces dans diverses applications, telles que la catalyse, les interfaces bio et la science des matériaux. La spectroscopie SFG implique deux photons incidents interagissant pour générer une nouvelle fréquence (fréquence S µm ) égale au S µm des fréquences des deux photons incidents. Le SFG est hautement spécifique à la surface et peut sonder sélectivement les vibrations moléculaires à l'interface ou à la surface sans interférence du matériau en vrac. Cela le rend particulièrement adapté à l'étude des structures moléculaires et de la dynamique aux interfaces enterrées. La spectroscopie SFG fournit des informations vibratoires sur les molécules présentes à l'interface, permettant aux chercheurs d'étudier les orientations moléculaires, la liaison hydrogène et d'autres interactions. La spectroscopie SFG est une technique non destructive qui peut sonder les surfaces et les interfaces sans modifier l'échantillon. Et il est très sensible aux structures et aux orientations moléculaires, permettant aux chercheurs d'étudier des monocouches ou des couches très minces. La nature sélective de la surface du SFG en fait un outil idéal pour étudier les interfaces enfouies, telles que celles trouvées dans les bio-membranes ou les interfaces d'électrolyte d'électrode. Le SFG peut être combiné avec des mesures résolues dans le temps, permettant aux chercheurs d'étudier les processus dynamiques à des interfaces sur une échelle de temps fémle ^[5] .

Le PPLN est un bon matériau pour générer des signaux SFG cohérents avec une sensibilité et une accordabilité élevées. Les cristaux PPLN peuvent être conçus avec différentes périodicités, permettant l'accordabilité du signal SFG généré sur une large gamme de fréquences. La condition de quasi-adaptation de phase dans le PPLN améliore considérablement l'efficacité du processus SFG, ce qui donne lieu à des signaux plus forts et plus facilement détectables. Les cristaux PPLN peuvent être conçus pour couvrir une large gamme de longueurs d'onde infrarouges et visibles, ce qui les rend compatibles avec une variété de sources laser. Et PPLN fournit des signaux SFG cohérents, permettant des mesures sensibles à la phase et diverses techniques spectroscopiques basées sur la cohérence. En raison de l'efficacité de conversion élevée, les configurations SFG basées sur PPLN peuvent atteindre une excellente sensibilité, permettant l'étude de monocouches ou d'interfaces à faible interaction.

Le PPLN a également montré un grand potentiel dans l'amélioration de la spectroscopie Raman , une technique largement utilisée pour l'identification et l'analyse moléculaires. La spectroscopie Raman fournit des informations précieuses sur les vibrations moléculaires et la composition chimique, mais elle souffre souvent de signaux faibles, limitant sa sensibilité et son applicabilité dans certains scénarios. Le PPLN peut surmonter ces limitations et améliorer les signaux Raman à travers des processus tels que la diffusion Raman stimulée (SRS) et la diffusion Raman anti-étape cohérente ^[6] . SRS est un processus optique non linéaire qui peut amplifier considérablement les signaux Raman faibles en utilisant un puissant laser P µm P pour stimuler les transitions Raman. Le processus implique l'interaction du laser P µm P avec l'échantillon, conduisant à une amplification du signal Raman à une fréquence différente. Le PPLN peut être utilisé comme média non linéaire µm SRS en raison de sa propriété unique de correspondance en quasi-phase, ce qui permet une conversion d'énergie efficace du P µm P au signal décalé Raman. Les chercheurs ont utilisé des cristaux PPLN pour construire un système laser à l'état tout solide pour la microscopie SRS. Ils ont démontré la microscopie SRS à un temps de séjour pixel de 30 µs avec un rapport de contraste chimique élevé, un rapport signal / bruit supérieur à 45 et pas besoin de détection équilibrée ^[7] .

La spectroscopie cohérente des anti-étapes de diffusion Raman (CARS) est une puissante technique optique non linéaire utilisée pour l'imagerie chimique sans étiquette et la spectroscopie vibrationnelle. Il permet la détection et la caractérisation des vibrations moléculaires en exploitant le phénomène de diffusion Raman. La spectroscopie des voitures implique l'interaction de trois faisceaux laser: faisceau AP µm P, un faisceau Stokes et un faisceau de sonde. Les faisceaux P µm P et Stokes sont combinés pour générer un signal anti-Stokes cohérent à une fréquence plus faible, qui est ensuite détecté à l'aide du faisceau de sonde. La différence de fréquence entre les faisceaux P µm P et Stokes correspond à un mode d'intérêt vibrationnel. Un système OPA basé sur PPLN pourrait amplifier le signal d'imagerie émis à partir de l'imagerie de microscopie SHG et CARS, et le signal optique amplifié est suffisamment fort pour être détecté par une photodiode biaisé dans des conditions de lumière de pièce ordinaires ^[8] .

PPLN pour la conversion de longueur d'onde

La deuxième génération harmonique (SHG) , ou doublement de fréquence, est le processus non linéaire du second ordre le plus couramment utilisé. Dans SHG, deux photons P µm P entrée avec la même longueur d'onde λ _P sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à λ _shg , où λ _shg = λ _p / 2 (ou en termes de fréquence f _shg = 2f _p ).

MGO: Les cristaux SHG PPLN peuvent être fabriqués avec des périodes de réseau QPM adaptées à une large gamme de longueurs d'onde laser P µm P P µM de 976 nm, permettant à la génération de lumière de fréquence entre 4888 nm et 1050 nm.

S µm (SFG) combine deux photons d'entrée à λ _P et λ _S pour générer un photon de sortie à λ _SFG , où λ _SFG = (1 / λ _P + 1 / λ _S ) ^-1 (ou en termes de fréquence f _shg = f _p + f _s ).

En combinant facilement les sources laser (par exemple, fixes (par exemple 780/810 nm) (par exemple, 780/810 nm) P µm P PPLN Crystals peut fournir une lumière de sortie accordable entre 500 et 700 nm.

La génération de fréquence de différence (DFG) se produit lorsque deux photons d'entrée à λ _p et λ _s sont incidents sur le cristal, la présence du photon de signal de fréquence inférieur λ _S , stimule le photon p µm p λ _p , pour émettre un photon de signal λ _s et un photon idler à λ _i , où λ _i = (1 / λ _{p 1} / λ _s ) ^-1 (ou dans les termes de _la p - _f . Dans ce processus, deux photons de signal et un photon idiot quittent le cristal entraînant un champ de signal amplifié. Ceci est connu sous le nom d'amplification paramétrique optique (OPA) . De plus, en plaçant le cristal non linéaire dans un résonateur optique, également connu sous le nom d' oscillateur paramétrique optique (OPO) , l'efficacité peut être considérablement améliorée.

Références

1. https://www.precedenceresearch.com/spectroscopy-market.
2. D. Xu, et. al, «Source laser picoseconde sans synchronisation largement réglable pour CARS multimodal, SHG et microscopie à deux photons», Biomedical Optics Express, vol. 12, non. 2 , p. 1010, 2021.
3. H. Lui, et al. , « Microscopie à deux photons des tissus profonds avec un laser à mode verrouillé toutes fibres doublé en fréquence à 937 nm », Advanced Photonics Nexus, vol. 1(2), p. 026001, 2022.
4. A. Morita, Théorie de la spectroscopie de génération de fréquences S µm , Springer.
5. A. Ghosh, et. AL ,, «Femtoseconde résolu en temps et bidimensionnel vibrationnel s µm de fréquence spectroscopique instation spectroscopique µm étudier la dynamique structurelle aux interfaces», µm scientifiques , vol. 79, p. 093907, 2008.
6. D. Polli, et. ac, « Microscopie à diffusion Raman cohérente à large bande », revues Laser & Photonics, vol. 12, non. 9, 2018.
7. T. Steinle, et. al. , « Système laser tout solide sans synchronisation pour la microscopie à diffusion Raman stimulée », Light : Science & Applications, vol. 5, 2016.
8. Y. Sun et coll. , « Imagerie optique non linéaire par détection avec amplification paramétrique optique (article sollicité) », Journal of Innovative Optical Health Sciences, vol. 16, non. 1, p. 2245001, 2023.