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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16576 (2022) Citare questo articolo

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Le sorgenti di luce coerente regolabile nel medio infrarosso vengono utilizzate in varie applicazioni laser, come il rilevamento di gas in tracce, l'elaborazione laser e la diagnostica biomedica. Questo studio dimostra la generazione del medio infrarosso nell'intervallo spettrale 8,3–11 µm (ovvero 900–1200 cm−1) configurando la generazione di differenza di frequenza intracavità (DFG) utilizzando ZnGeP2 (ZGP) in un laser Cr:ZnSe sintonizzato elettronicamente. L'ampia sintonizzabilità si ottiene con energie di impulso massime superiori a 100 μJ combinando la sintonizzazione elettronica della lunghezza d'onda con lievi regolazioni dell'angolo (Δθ < 0,5°) di ZGP nella condizione spettrale di corrispondenza di fase non critica del materiale non lineare. Il metodo DFG proposto è generalizzato per dare accesso a una frazione significativa della regione dell'impronta molecolare utilizzando composti di seleniuro (ad esempio AgGaSe2, CdSe) oltre a ZGP, rivelando il notevole potenziale della scansione elettronica nel medio infrarosso a banda ultralarga per numerose applicazioni spettroscopiche.

La regione del medio infrarosso (IR) ha due regioni distinte (3–5 e 8–13 µm), note come finestre di trasparenza nell'atmosfera terrestre e difficilmente influenzabili dall'influenza dell'assorbimento del vapore acqueo1. La regione dell'impronta molecolare nell'intervallo 6,6–20 µm (cioè 500–1500 cm−1) contiene modelli spettrali di molecole intensi e distintivi2. Pertanto, le sorgenti laser sintonizzabili nella regione spettrale di 8–13 µm, dove sia la finestra atmosferica della Terra che la regione delle impronte digitali si sovrappongono, offrono notevoli vantaggi per le applicazioni di telerilevamento e rilevamento di gas in tracce di varie molecole di gas3,4,5,6. Tra queste sorgenti di luce coerenti, i laser nel medio infrarosso pulsati in nanosecondi con elevata luminosità per lunghezza d'onda ed elevata controllabilità della lunghezza d'onda forniscono elevata sensibilità e un elevato rapporto segnale-rumore per il rilevamento di gas in traccia nella spettroscopia di cavità-ringdown (CRDS) e nella spettroscopia fotoacustica ( PAS). Combinate con tecniche microscopiche e di imaging, le sorgenti luminose consentono anche il biosensing senza etichetta di cellule e tessuti7,8,9.

Per la realizzazione di sorgenti laser pulsate di nanosecondi sintonizzabili nell'intervallo 8-13 µm, schemi di conversione di frequenza non lineare, tra cui la generazione di frequenza differenziale (DFG) e gli oscillatori parametrici ottici (OPO), forniscono vantaggi importanti per la sintonizzazione continua e ampia nel medio IR. Poiché i cristalli di ossido (ad esempio, KTiOPO4, KTiOAsO4 e LiNbO3) mostrano un forte assorbimento multifononico oltre 5 µm10, i cristalli semiconduttori non di ossido inclusi AgGaS2 (AGS), AgGaSe2 (AGSe), CdSe e ZnGeP2 (ZGP) vengono generalmente utilizzati per il processo non lineare processi pompati con laser da 1–2 μm11.

Per i sistemi OPO, Miyamoto et al. hanno ottenuto una sintonizzabilità nel medio IR di 5–10 µm e un'energia dell'impulso inferiore a mJ a 7,7 µm pompando ZGP con l'uscita idler di un KTP OPO12 a doppio cristallo controllato galvano. Boyko et al. hanno raggiunto una sintonizzazione molto più ampia nell'intervallo 5,8–18 µm con l'energia di impulso massima di 171 µJ a 11,5 µm configurando un AGSe OPO che viene pompato con un'uscita Rb:PPKTP OPO a 1,85 µm13. Yang et al. recentemente riportato un OPO CdSe medio IR a livello di watt che opera nell'intervallo 10-11 µm utilizzando un oscillatore principale Ho: YAG e un sistema di amplificazione di potenza come sorgente di pompa, fornendo energia di impulso inattivo di ~ 1 mJ14. Per i sistemi DFG, Haidar et al. hanno dimostrato una sintonizzabilità del minimo nell'intervallo 5-12 µm con l'energia di impulso massima di 25 μJ a ~ 8 μm miscelando il segnale e le uscite del minimo di un KTP OPO pompato laser Nd: YAG in ZGP15. Mennerat ha stabilito un funzionamento energetico molto più elevato (fino a 10 mJ) nell'intervallo 5,8–24 µm miscelando le uscite del segnale e del minimo di un OPO LiNbO3 pompato laser Nd:YAG in CdSe, GaSe e Tl3AsSe316. Tuttavia, tutti questi sistemi richiedono la sintonizzazione dell'angolo del cristallo non lineare e/o la sintonizzazione della lunghezza d'onda di ingresso ruotando un reticolo di diffrazione, un prisma, ecc. per ottenere le uscite folli sintonizzabili, risultando in una bassa velocità di scansione. È anche possibile la regolazione della temperatura del cristallo non lineare (ad esempio, vedere 17), ma con una velocità di scansione ancora inferiore.