LIVRE BLANC : Applications du MgO:PPLN

Introduction

Actuellement, les scientifiques s'intéressent au développement de lasers à raie spectrale étroite, puissants et stables, basés sur des dispositifs expérimentaux compacts et des composants de petite taille. Ces lasers sont prisés pour des applications telles que la spectroscopie à haute résolution, les sciences de l'environnement, les horloges optiques, la recherche fondamentale et les technologies quantiques µm . Grâce à son coefficient non linéaire élevé, le niobate µm lithium (LN) est l'un des cristaux les plus importants, permettant la conversion de fréquence de l'infrarouge au visible dans une configuration compacte et à passage unique. Différents mécanismes, comme la génération de second harmonique, la génération de fréquences µm , la conversion paramétrique spontanée, la génération de fréquences de différence ou l'oscillation paramétrique optique, peuvent être utilisés pour produire des sources de lumière stables, de haute qualité et à raie spectrale étroite sur toute sa large fenêtre de transmission.

Le niobate lithi µm à polarisation périodique dopé au MgO (MgO:PPLN) est un cristal optique non linéaire permettant une conversion de longueur d'onde à haut rendement dans la gamme 400-5100 nm. L'ajout de 5 % de MgO au niobate lithi µm augmente significativement sa résistance optique et photoréfractive tout en préservant son coefficient non linéaire élevé. Ceci permet un fonctionnement plus stable dans le domaine visible et à des températures plus basses qu'un cristal non dopé similaire. Le MgO:PPLN peut fonctionner à température ambiante et, dans certains cas, sans stabilisation thermique. Avec des températures allant de la température ambiante jusqu'à 200 °C, le MgO:PPLN offre une bande passante nettement plus large que le PPLN non dopé.

Applications

Covesion propose des solutions PPLN pour une conversion de fréquence efficace des lasers, permettant d'atteindre des longueurs d'onde inaccessibles aux lasers à semi-conducteurs ou à diodes conventionnels. Le MgO:PPLN peut être utilisé pour :

• Doubleur de fréquence d'un laser de 1064 nm à 532 nm, pour une utilisation dans les horloges à iode ou les équipements de levés topographiques des fonds marins¹.
• Convertir 1064 nm en 3 µm , utilisé pour la détection de gaz ou les techniques d'imagerie microscopique.
• Générer une source laser à raie spectrale étroite pour cibler des transitions atomiques spécifiques dans le cadre d'applications de refroidissement et de piégeage d'atomes.

Par ailleurs, le PPLN est souvent utilisé pour doubler la fréquence d'une source à fibre accordable de forte puissance à 1550 nm, offrant ainsi une alternative compacte et économique au laser Ti:Saphir. Une telle source peut être employée dans des systèmes de microscopie pour l'imagerie de cellules vivantes, ou en spectroscopie térahertz en domaine temporel pour l'identification de signatures chimiques, notamment pour des applications de sécurité intérieure.

Les dispositifs PPLN sont couramment utilisés pour la génération de rayonnement infrarouge moyen de forte puissance dans un oscillateur paramétrique optique. Les systèmes infrarouges moyens accordables sont utilisés dans de nombreuses techniques d'imagerie microscopique ainsi que dans des applications spectroscopiques pour l'imagerie environnementale. Avec des énergies d'impulsion supérieures à 1 mJ, ces sources infrarouges moyennes sont également utilisées dans l'industrie de la défense pour les contre-mesures laser et les systèmes LIDAR.

Génération térahertz

térahertz (1-10 THz) trouve d'importantes applications dans notre vie quotidienne, notamment pour les contrôles de sécurité, la biomédecine et l'inspection de la qualité. Grâce à ses fortes non-linéarités, son seuil d'endommagement photoréfractif élevé et son faible coefficient d'absorption dans l'infrarouge, le niobate de lithium (LN) est un matériau particulièrement adapté à la génération de rayonnement THz, qui peut être µm par des lasers pulsés femtosecondes ultracourts ou des sources continues. Ces cristaux ont été utilisés pour générer du rayonnement THz de différentes manières, par exemple par rectification optique dans des cristaux à polarisation périodique, ou encore par fonctionnement en accord de phase dans un oscillateur paramétrique térahertz ou un générateur paramétrique térahertz à injection. Le MgO:PPLN est un candidat prometteur car ses conditions d'accord de phase peuvent être optimisées par une conception spécifique de la structure à polarisation périodique. Dans ce cas, des impulsions THz multicycles sont obtenues à partir du MgO:PPLN grâce à l'effet de rectification optique ^. Les guides d'ondes MgO:LN peuvent également être utilisés pour la génération de fréquence différentielle (DFG) THz en régime continu, grâce à la réalisation de l'accord de phase dans un schéma d'émission non colinéaire au sein d'un guide d'ondes de surface en LN. Les guides d'ondes présentent l'avantage de réduire la surface des fronts d'onde interagissant, ce qui minimise les pertes par absorption ^THz³ .

Lasers femtoseconde

Un peigne de fréquences optiques est une source à large spectre µm composée de raies étroites et équidistantes. Initialement développé pour la métrologie des fréquences, il est également utilisé en spectroscopie sur de larges bandes spectrales, particulièrement pertinentes pour l'étude des molécules. Le spectre µm le visible et le proche infrarouge présente un bon recouvrement avec les transitions électroniques des horloges optiques et des atomes alcalins, tandis que les peignes de fréquences dans l'infrarouge moyen permettent la spectroscopie vibrationnelle pour la détection moléculaire ^. Les peignes de fréquences infrarouges moyens sont généralement générés par des techniques d'optique non linéaire, comme la génération de fréquence différence (DFG) et l'oscillation paramétrique optique (OPO), offrant une puissance moyenne élevée, une puissance élevée par raie et une faible largeur de raie. Une version efficace de la DFG consiste à diviser le spectre µm un laser NIR femtoseconde amplifié et spectralement élargi en deux parties, utilisées comme source µm signal pour la DFG. Des chercheurs ont démontré une méthode simple et puissante pour générer des peignes de fréquences à large bande dans la fenêtre atmosphérique infrarouge moyen de µm ^4. synchrones µm utilisant MgO:PPLN offrent une autre façon efficace de transférer des peignes de fréquences NIR femtosecondes vers la région infrarouge moyen ⁵ .

Biophotonique

La spectroscopie et la microscopie laser deviennent des outils essentiels en biochimie et en médecine. La spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente (CARS) est un procédé non linéaire, sensible aux mêmes signatures vibrationnelles moléculaires que la spectroscopie Raman classique. Elle utilise plusieurs photons pour étudier les vibrations moléculaires et produit un signal cohérent. Ce procédé repose sur µm Stokes avec l'échantillon, générant une onde anti-Stokes qui renseigne sur les vibrations moléculaires ^. La CARS peut être combinée à d'autres techniques d'imagerie non linéaires, comme la microscopie de fluorescence à excitation biphotonique (TPEF) et la génération de second harmonique (SHG), sur un même microscope grâce à un système de sortie multicanaux. Cette combinaison de méthodes d'imagerie, appelée CARS multimodale, trouve des applications dans divers domaines nécessitant un contraste d'image spécifique à la structure et à la composition chimique. Des chercheurs ont utilisé un cristal MgO:PPLN pour concevoir un OPA compact, fiable et accordable, alimenté en continu et sans synchronisation, avec un laser commercial robuste de type picoseconde ( µm . Un autre cristal MgO:PPLN de doublage de fréquence est utilisé pour générer des spectres visibles afin d'exciter les signaux anti-Stokes CARS. Cette combinaison laser-OPA s'est avérée parfaitement adaptée à la microscopie CARS sans marquage et à la microscopie SHG et TPEF simultanées en géométrie d'épifluorescence^⁷ .

La microscopie d'imagerie de la durée de vie de fluorescence (FLIM) est une technique d'imagerie puissante basée sur les différences de décroissance exponentielle de l'émission photonique d'un fluorophore dans un échantillon. La FLIM est un outil précieux pour observer la localisation et la migration de molécules et de protéines spécifiques dans les cellules et les tissus. La durée de vie de fluorescence est déterminée par le type de molécules fluorescentes et leur environnement ; elle est peu dépendante de la concentration des molécules fluorescentes, du photoblanchiment et de l'efficacité d'excitation/détection. Elle est plus quantitative que l'intensité de fluorescence. Des chercheurs ont présenté une FLIM plein champ sans balayage, basée sur une correspondance biunivoque entre les pixels d'une image 2D et des signaux radiofréquences multiplexés en fréquence. Des battements optiques à double peigne sont obtenus grâce à un laser femtoseconde, un cristal PPLN et un séparateur de faisceau. Cette technique sera très utile pour l'imagerie de fluorescence quantitative rapide en sciences de la vie ^⁸ .

Optique quantique µm

« La technologie quantique µm (QT) est un domaine scientifique passionnant qui change déjà des choses dans nos vies. »

L'impact de la transformée quantique (QT) va s'accroître dans les années à venir et les cristaux optiques non linéaires (NLO) joueront un rôle clé dans la commercialisation de cette technologie. La QT devrait trouver des applications dans de multiples domaines, répartis en trois grandes catégories :

Les cristaux MgO:PPLN peuvent assurer la conversion de fréquence en utilisant une µm de mécanismes différents (par exemple, génération de seconde harmonique, génération de fréquence à l'échelle du µm , conversion paramétrique spontanée, génération de fréquence de différence, amplification paramétrique optique, etc.), ce qui en fait une solution très flexible pour produire des sources de lumière stables, de haute qualité et à largeur de raie étroite sur toute leur fenêtre de transmission.

Le refroidissement et le piégeage laser sont des techniques permettant de refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu, puis de les confiner et de les maintenir en équilibre dans des pièges. Les atomes à l'état fondamental peuvent stocker des informations quantiques µm , et les interactions à longue portée entre atomes de Rydberg hautement excités sont essentielles au bon fonctionnement de nombreux protocoles d'information µm µm . La haute précision et l'évolutivité de l'interférométrie atomique permettent une détection plus sensible des caractéristiques gravitationnelles, telles que des dimensions plus petites ou une profondeur plus importante. De nombreuses applications d'optique atomique privilégient une puissance laser élevée tout en conservant une faible largeur de raie et une haute qualité spatiale du faisceau. Par exemple, la génération de 780 nm à partir d'une source de 1560 nm (génération de second harmonique, SHG) est nécessaire pour le piégeage magnéto-optique (MOT) d'atomes de rubidium dans des applications utilisant l'interférométrie d'atomes froids, telles que la détection gravimétrique et les horloges ^atomiques . Dans ces applications, les lasers de télécommunications commerciaux sur étagère (COTS) à 1560 nm peuvent être efficacement doublés en fréquence à 780 nm, avec des rendements de conversion allant jusqu'à 70 % démontrés pour les solutions de guides d'ondes ¹⁰ . La combinaison de composants laser COTS p µm p avec un cristal de doublage de fréquence permet une génération rentable de la puissance à 780 nm et de la largeur de raie étroite requise pour supporter le piégeage d'atomes de Rb.

« En exploitant les propriétés quantiques µm µm refroidis et piégés , il est possible de réaliser des mesures de gravité ultra-précises, qui présentent de nombreuses applications pratiques potentielles. »  Tristan Valenzuela, responsable des capteurs quantiques µm , STFC RAL Space.

Les clés quantiques µm sont utilisées pour la transmission sécurisée de données. Elles permettent à deux parties de partager une clé secrète aléatoire, connue d'elles seules, qui peut ensuite servir à chiffrer et déchiffrer des messages. La conversion bidirectionnelle 422 nm ↔ 1550 nm (SFG/DFG) facilite la distribution de clés quantiques micrométriques µm QKD). Cette application requiert une conversion efficace entre les transitions atomiques à courte longueur d'onde utilisées pour les qubits à ions piégés et la bande C des télécommunications pour une transmission par fibre optique à faibles pertes. L'utilisation de cristaux PPLN spécialement conçus a démontré la conversion ascendante et descendante au niveau du photon unique entre 422 nm (émission Sr+) et 1550 nm, fournissant ainsi un composant essentiel à la construction de réseaux µm <sup>¹¹ .

Détection environnementale

La surveillance environnementale revêt un grand intérêt en raison de la prise de conscience accrue des dommages environnementaux causés par la pollution atmosphérique, elle µm aux activités industrielles. Divers accords internationaux préconisent de limiter et de réduire les émissions de CO₂ et d'autres gaz. L'infrarouge moyen contient les bandes d'absorption vibrationnelles-rotationnelles fondamentales de divers gaz, ce qui permet l'analyse à distance ou locale des gaz atmosphériques à l'aide de lasers de longueurs d'onde appropriées. Ces sources laser sont largement utilisées dans la surveillance de la pollution atmosphérique et la détection à distance grâce à des techniques telles que le lidar à absorption différentielle. Les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) à cristal MgO:PPLN sont utilisés dans la gamme 3-5 µm de leur faible largeur de raie ^.

La télédétection laser est une technique largement utilisée en analyse environnementale. Les systèmes laser monomodes de forte puissance sont particulièrement prisés pour leur grande cohérence spatiale et temporelle. Des chercheurs ont utilisé un cristal MgO:PPLN pour concevoir un système laser de forte puissance, associé à des pièges à atomes Rubidi µm afin de réaliser des mesures de gravité d'une grande précision. Cette technologie trouve des applications pratiques, notamment pour identifier les infrastructures enfouies sous une route avant d'entreprendre des travaux de génie civil. Les pièges à atomes Rubidi µm peuvent également servir à µm activités de surveillance climatique, telles que la mesure des nappes phréatiques, la télédétection et le suivi de la masse de glace.

Conclusion

Le MgO:PPLN est un cristal optique non linéaire permettant une conversion de longueur d'onde à haut rendement dans la gamme 400-5100 nm. Il permet de produire des longueurs d'onde à faible largeur de raie, difficiles et coûteuses à obtenir avec des sources conventionnelles. Forte de plus de 20 ans d'expérience dans la fabrication de cristaux massifs et de guides d'ondes en PPLN, Covesion Ltd. fournit des laboratoires de recherche optique et des équipementiers (OEM) du monde entier. Covesion a breveté des procédés innovants de polarisation des cristaux massifs et de fabrication de guides d'ondes, répondant ainsi aux besoins de ses clients.

Nous collaborons avec des partenaires du monde entier pour intégrer nos cristaux et guides d'ondes à une large gamme d' µm scientifiques, notamment des sources etctooptiques, des peignes de fréquences, des convertisseurs de fréquence, des gravitomètres, et bien d'autres. Nous concevons et fabriquons des produits PPLN utilisables dans de nombreuses applications spectroscopiques ou en sciences de l'environnement. Parmi ceux-ci figurent des sources laser à raie spectrale étroite pour la spectroscopie des gaz, ainsi que des sources laser ultrarapides picosecondes et femtosecondes pour des longueurs d'onde spécifiques en spectroscopie de fluorescence. Nos produits sont déjà intégrés avec succès dans de µm systèmes existants, ouvrant la voie à de futurs travaux de recherche et développement pour de nouvelles applications. Notre vaste gamme de cristaux massifs et de guides d'ondes est couramment utilisée dans les systèmes quantiques µm où des lasers à raie spectrale étroite sont nécessaires pour accéder à des transitions atomiques spécifiques. Les cristaux PPLN de Covesion peuvent être utilisés dans diverses applications d'atomes froids utilisant le rubidium (Rb), le strontium (Sr), le béryllium (Be) et le calcium (Ca), ainsi que pour la génération de photons intriqués, la détection, l'informatique quantique µm et d'autres applications liées aux atomes froids. Nous permettons également aux utilisateurs de développer des applications expérimentales et pratiques innovantes. Notre équipe peut analyser vos besoins et vous conseiller sur la solution la plus adaptée, en s'appuyant sur son expertise inégalée en ingénierie PPLN. Nous pouvons ainsi vous accompagner pour de nombreuses longueurs d'onde, compatibles avec une large gamme de puissances (de l'ordre du µm , que votre source soit pulsée ou continue. Si nous ne disposons pas d'un composant standard adapté à votre configuration, nous pouvons concevoir des cristaux et des guides d'ondes sur mesure.

Références

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3. A. Schliesser, et al. , « Peignes de fréquences infrarouges moyens », Nature Photonics, vol. 6, pp. 440-449, 2012.
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7. D. Xu et al., « Source laser picoseconde sans synchronisation et largement réglable pour la microscopie multimodale CARS, SHG et à deux photons », Biomedical Optics Express, vol. 12, p. 1010, 2021.
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9. Diviya Devani, et al., « Détection de la gravité : piège à atomes froids à bord d'un CubeSat 6U », CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539-549, 202
10. Sam A. Berry, et al, « Guides d'ondes à crête découpée indiffusés au Zn dans MgO:PPLN générant 1 watt SHG 780 nm à 70 % d'efficacité », OSA Continu µm , vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.
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