LIVRE BLANC : Niobate de lithium µm à polarisation périodique utilisé en spectroscopie

Introduction

La spectroscopie est l'étude de l'absorption et de l'émission de lumière et d'autres rayonnements par la matière, en lien avec la dépendance de ces processus aux longueurs d'onde du rayonnement. Elle 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 spectroscopiques sont utilisées dans un large éventail d'applications, notamment la chimie, la physique, la biologie, les sciences de l'environnement, la science des matériaux, l'industrie pharmaceutique et bien d'autres. Le marché mondial de la spectroscopie a atteint 16 milliards de dollars américains en 2022 et devrait atteindre environ 31 milliards de dollars américains d'ici 2032, avec une utilisation accrue des méthodes spectroscopiques à des fins de contrôle. La demande croissante des laboratoires pour les nouvelles technologies contribue à la croissance du marché, qui affiche un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,3 % ^[1].

L'efficacité et la polyvalence sont desctoessentiels en spectroscopie, car les chercheurs s'efforcent d'obtenir des informations précises et détaillées rapidement. Pour répondre à ces exigences, il existe un besoin constant de techniques spectroscopiques innovantes et avancées offrant une sensibilité accrue, une large gamme de fréquences et une meilleure génération de signal. Le niobate de µm à polarisation périodique (PPLN) s'est imposé comme une plateforme précieuse pour diverses techniques spectroscopiques, permettant une manipulation efficace et polyvalente des interactions lumière-matière. Grâce à ses propriétés uniques et à sa structure de polarisation périodique, le PPLN offre des capacités de conversion de longueur d'onde améliorées, une large gamme de fréquences et une sensibilité de détection accrue. Ce document explore le potentiel du PPLN dans les applications spectroscopiques, notamment la spectroscopie optique non linéaire, la spectroscopie de génération de fréquences à l' µm et la spectroscopie Raman.

Propriétés du PPLN pour la spectroscopie

Le PPLN présente un coefficient non linéaire élevé, permettant une conversion de longueur d'onde efficace et la génération de signaux optiques non linéaires. Sa large plage de transparence couvre un vaste spectre, permettant aux chercheurs d'accéder à différentes régions du spectre électromagnétique µm . De plus, le PPLN possède un seuil d'endommagement élevé, ce qui le rend capable de supporter des faisceaux laser intenses. Ces propriétés, combinées à la flexibilité du PPLN pour atteindre des conditions de quasi-accord de phase grâce à une polarisation périodique, en font un matériau de choix pour les applications spectroscopiques.

Coefficient non linéaire élevé : Le PPLN possède un coefficient non linéaire élevé. Le coefficient non linéaire maximal est d₃₃ = 25 pm/V, ce qui correspond à des interactions parallèles à l’axe z, c’est-à-dire à un accord de phase de type 0. Pour le MgO:LN à polarisation périodique, le coefficient non linéaire effectif d _{_eff} est typiquement de 14 pm/V, valeur bien supérieure à celle des cristaux non linéaires traditionnels tels que le triborate de lithium (LBO, 0,85 pm/V), le borate de baryum bêta µm µm , 2,5 pm/V) ou le phosphate de titanyle de potassium µm KTP, 3,4 pm/V). Cette propriété permet des processus de conversion de fréquence efficaces, tels que la génération de seconde harmonique (GSH), la génération de fréquence à l’échelle de la bande µm (SFG), la génération de fréquence différence (DFG), l’oscillation paramétrique optique (OPO) et l’amplification paramétrique optique (OPA), qui sont essentiels pour diverses applications spectroscopiques.

Large plage de transparence : Le PPLN présente une large plage de transparence s’étendant de l’ultraviolet (UV) à l’infrarouge moyen (IR moyen) µm . Cette large plage de transparence permet d’utiliser le PPLN pour des études spectroscopiques sur une large gamme de longueurs d’onde.

Seuil de dommage élevé : Le PPLN possède un seuil de dommage élevé, lui permettant de résister à un rayonnement laser de haute intensité. Cette propriété est essentielle pour les applications de spectroscopie utilisant 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 peut supporter une intensité de puissance allant jusqu'à 8 GW/ ^cm² .

Flexibilité de la conversion de longueur d'onde : Le PPLN peut être conçu pour présenter une structure à quasi-accord de phase (QPM) par polarisation périodique du cristal. Ce procédé 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 aux exigences spécifiques de l'application. Cette flexibilité de conversion de longueur d'onde permet un réglage efficace et précis des fréquences générées ou converties pour les études spectroscopiques.

Large plage de réglage : La structure QPM du PPLN permet un large réglage des longueurs d’onde générées ou converties. En ajustant la température du cristal, la condition d’accord de phase peut être optimisée, ce qui permet d’obtenir une sortie accordable sur une large gamme de longueurs d’onde. Cette accordabilité est avantageuse pour les techniques de spectroscopie nécessitant la possibilité de balayer 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 repose sur l'absorption simultanée de deux photons par une molécule ou un matériau. Ce 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 normalement un seul photon de plus haute énergie. Dans cette technique, une source laser pulsée, caractérisée par 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 d'assurer l'absorption simultanée de deux photons, induisant une émission de fluorescence ou d'autres signaux mesurables. Le PPLN est employé en spectroscopie d'absorption à deux photons comme doubleur de fréquence afin de convertir la longueur d'onde du laser NIR en une longueur d'onde plus courte, généralement dans le domaine visible ^[2] . Le coefficient non linéaire élevé du PPLN et sa flexibilité de conversion de longueur d'onde permettent une génération de second harmonique (GSH) efficace de la lumière laser NIR. En exploitant la propriété de modulation quasi-paramétrique (QPM) du PPLN, l'efficacité de conversion peut être considérablement améliorée, ce qui se traduit par un signal plus intense et plus détectable en spectroscopie d'absorption à deux photons ^[3] .

du µm (SFG) est une technique optique non linéaire puissante utilisée pour étudier les propriétés de surface et d'interface des matériaux ^[4] . Elle fournit des informations précieuses sur les vibrations et interactions moléculaires aux interfaces, essentielles à la compréhension du comportement des surfaces, des couches minces et des interfaces dans diverses applications, telles que la catalyse, les bio-interfaces et la science des matériaux. La spectroscopie SFG repose sur l'interaction de deux photons incidents pour générer une nouvelle fréquence ( µm ) égale à la somme µm fréquences des deux photons incidents. Hautement spécifique à la surface, la SFG permet de sonder sélectivement les vibrations moléculaires à l'interface ou en surface, sans interférence du matériau massif. Elle est ainsi particulièrement adaptée à l'étude des structures et de la dynamique moléculaires aux interfaces enfouies. La spectroscopie SFG fournit des informations vibrationnelles sur les molécules présentes à l'interface, permettant aux chercheurs d'étudier les orientations moléculaires, les liaisons hydrogène et d'autres interactions. La spectroscopie SFG est une technique non destructive qui permet de sonder les surfaces et les interfaces sans altérer l'échantillon. De plus, sa grande sensibilité aux structures et orientations moléculaires permet d'étudier des monocouches ou des films très minces. La sélectivité de surface de la SFG en fait un outil idéal pour l'étude des interfaces enfouies, telles que celles présentes dans les biomembranes ou les interfaces électrode-électrolyte. La SFG peut être combinée à des mesures résolues en temps, permettant ainsi d'étudier les processus dynamiques aux interfaces à l'échelle de la femtoseconde ^[5] .

Le PPLN est un excellent matériau pour générer des signaux SFG cohérents, caractérisés par une sensibilité et une accordabilité élevées. Les cristaux de PPLN peuvent être conçus avec différentes périodicités, permettant ainsi d'accorder le signal SFG généré sur une large gamme de fréquences. La condition de quasi-accord de phase dans le PPLN améliore considérablement l'efficacité du processus SFG, ce qui se traduit par des signaux plus forts et plus facilement détectables. Les cristaux de PPLN peuvent être conçus pour couvrir une large gamme de longueurs d'onde infrarouges et visibles, les rendant compatibles avec diverses sources laser. De plus, le PPLN fournit des signaux SFG cohérents, permettant des mesures sensibles à la phase et diverses techniques spectroscopiques basées sur la cohérence. Grâce à son rendement de conversion élevé, les dispositifs SFG à base de PPLN peuvent atteindre une excellente sensibilité, permettant l'étude de monocouches ou d'interfaces faiblement interagissantes.

Le PPLN présente également un fort potentiel pour 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, ce qui limite sa sensibilité et son applicabilité dans certains cas. Le PPLN peut surmonter ces limitations et amplifier les signaux Raman grâce à des processus tels que la diffusion Raman stimulée (SRS) et la diffusion Raman anti-Stokes cohérente ^[6] . La SRS est un processus optique non linéaire qui permet d'amplifier significativement les signaux Raman faibles en utilisant un laser ω µm p</sub> de forte puissance pour stimuler les transitions Raman. Ce processus implique l'interaction du laser ω µm p</sub> avec l'échantillon, ce qui entraîne une amplification du signal Raman à une fréquence différente. Le PPLN peut être utilisé comme milieu non linéaire µm la SRS grâce à sa propriété unique de quasi-accord de phase, qui permet une conversion d'énergie efficace du µm p</sub> vers le signal décalé Raman. Des chercheurs ont utilisé des cristaux PPLN pour construire un système laser entièrement à l'état solide pour la microscopie SRS. Ils ont démontré la microscopie SRS avec un temps de séjour par pixel de 30 µs, un contraste chimique élevé, un rapport signal/bruit supérieur à 45 et sans besoin de détection équilibrée ^[7] .

La spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS) est une technique optique non linéaire puissante utilisée pour l'imagerie chimique sans marquage et la spectroscopie vibrationnelle. Elle permet la détection et la caractérisation des vibrations moléculaires en exploitant le phénomène de diffusion Raman. La spectroscopie CARS repose sur l'interaction de trois faisceaux laser : un µm , un faisceau Stokes et un faisceau sonde. Les faisceaux α µm Stokes sont combinés pour générer un signal anti-Stokes cohérent à une fréquence plus basse, lequel est ensuite détecté à l'aide du faisceau sonde. La différence de fréquence entre les faisceaux α µm Stokes correspond à un mode vibrationnel d'intérêt. Un système OPA à base de PPLN peut amplifier le signal d'imagerie émis par la microscopie SHG et CARS, et le signal optique amplifié est suffisamment intense pour être détecté par une photodiode polarisée dans des conditions d'éclairage ambiant classiques ^[8] .

PPLN pour la conversion de longueur d'onde

La génération de seconde harmonique (GSH) , ou doublage de fréquence, est le processus non linéaire du second ordre le plus couramment utilisé. En GSH, deux photons incidents de _P et de même longueur d'onde µm sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à la fréquence λ_{_SHG} , où λ _SHG</sub> = λ_{_P} /2 (ou, en termes de fréquence, f _{_SHG} = 2f_{_P} ).

Les cristaux MgO:PPLN SHG peuvent être fabriqués avec des périodes de réseau QPM adaptées à une large gamme de longueurs d'onde laser p µm p disponibles dans le commerce, de 976 nm à 2100 nm, permettant la génération de lumière à fréquence doublée entre 488 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 des sources laser p µm p fixes (par exemple 1550 nm) et accordables (par exemple 780/810 nm) facilement disponibles, les cristaux SFG MgO:PPLN peuvent fournir une lumière de sortie accordable entre 500 et 700 nm.

La génération de fréquence différence (GFD) se produit lorsque deux photons incidents de longueurs d'onde λ_{_P} et λ_{_S} frappent un cristal. La présence du photon signal de plus basse fréquence λ _S stimule le µm _P </sub> , qui émet alors un photon signal λ_{_S} et un photon complémentaire de longueur d'onde λ_{_i} , où λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} ) ^{^-1} (ou, en termes de fréquence, f _{_i} = f_{_P} – f_{_S} ). Au cours de ce processus, deux photons signal et un photon complémentaire sortent du cristal, générant ainsi un champ de signal amplifié. Ce phénomène est connu sous le d'amplification paramétrique optique (APO) . De plus, en plaçant le cristal non linéaire au sein d'un résonateur optique, également appelé oscillateur paramétrique optique (OPO) , l'efficacité peut être considérablement améliorée.

Références

1. https://www.precedenceresearch.com/spectroscopie-marché.
2. 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, n° 2, p. 1010, 2021.
3. H. He, et al., « Microscopie à deux photons des tissus profonds avec un laser à verrouillage de mode entièrement fibré à fréquence doublée à 937 nm », Advanced Photonics Nexus, vol. 1(2), p. 026001, 2022.
4. A. Morita, Théorie de la spectroscopie de génération de fréquence S µm , Springer.
5. µm spectroscopique de fréquence µm bidimensionnelle et résolue en temps femtoseconde pour étudier la dynamique structurelle aux interfaces », Review of Scientific Instr µm ents , vol. 79, p. 093907, 2008.
6. D. Polli, et al., « Microscopie de diffusion Raman cohérente à large bande », Laser & Photonics reviews, vol. 12, n° 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 al. , « Imagerie optique non linéaire par détection avec amplification paramétrique optique (article invité) », Journal of Innovative Optical Health Sciences, vol. 16, no. 1, p. 2245001, 2023.