THz baseado em diodo laser

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13476 (2023) Citar este artigo

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A espectroscopia no domínio do tempo Terahertz (THz-TDS) emergiu como uma ferramenta poderosa e versátil em vários campos científicos. Isso inclui, entre outros, imagens, caracterização de materiais e medições de espessura de camada. Embora o THz-TDS tenha alcançado um sucesso significativo em ambientes de pesquisa, o alto custo e a natureza volumosa da maioria dos sistemas impediram a comercialização generalizada desta tecnologia. Dois fatores principais que contribuem para o tamanho e o custo desses sistemas são o laser e a unidade de atraso óptico (ODU). Consequentemente, nosso grupo tem se concentrado no desenvolvimento de sistemas THz-TDS baseados em diodos laser compactos monolíticos bloqueados em modo (MLLDs). A taxa de repetição ultra-alta (UHRR) do MLLD tem o benefício adicional de nos permitir utilizar ODUs mais curtas, reduzindo assim o custo geral e o tamanho dos nossos sistemas. No entanto, alcançar a precisão necessária na ODU para adquirir sinais precisos no domínio do tempo em terahertz continua sendo um aspecto crucial. Para resolver este problema, desenvolvemos e aprimoramos uma extensão interferométrica para sistemas UHRR-THz-TDS. Esta extensão é barata, compacta e fácil de incorporar. Neste artigo apresentamos a configuração do sistema, a extensão em si e o procedimento algorítmico para reconstrução do eixo de atraso com base no sinal de referência interferométrico. Avaliamos um conjunto de dados compreendendo 10.000 traços de sinal e relatamos um desvio padrão da fase terahertz medida em 1,6 THz tão baixo quanto 3 mrad. Além disso, demonstramos um jitter pico a pico restante de apenas 20 fs e uma relação sinal-ruído de pico recorde de 133 dB a 100 GHz após a média. O método apresentado neste artigo permite construções simplificadas de sistemas THz-TDS, reduzindo volume e custo. Como resultado, facilita ainda mais a transição das tecnologias terahertz de aplicações de laboratório para aplicações de campo.

A espectroscopia no domínio do tempo Terahertz (THz-TDS) usando emissores e detectores fotocondutores já percorreu um longo caminho desde seu início no final dos anos 1980 por Fattinger e Grischkowsky . Os avanços tecnológicos e de sistemas fizeram do THz-TDS uma ferramenta poderosa e versátil para a ciência experimental3,4. Marcos notáveis ​​na melhoria da economia e usabilidade do THz-TDS incluem a mudança do comprimento de onda do laser de femtosegundo para a banda de telecomunicações de 1,55 µm5,6,7 e a introdução do primeiro espectrômetro totalmente em fibra usando um laser de fibra de femtossegundo8. O uso de materiais aprimorados e estruturas de antenas fotocondutoras tornou possível atingir rotineiramente uma largura de banda de até 6,5 THz e uma faixa dinâmica de pico de até 111 dB9 com sistemas acoplados a fibra. Avanços recentes na tecnologia de antenas fotocondutoras aumentaram a largura de banda para 10 THz10. Além disso, a introdução de conceitos como amostragem óptica assíncrona (ASOPS) 11,12,13, amostragem óptica controlada eletronicamente (ECOPS) 14, amostragem óptica por ajuste de cavidade (OSCAT) 15 e amostragem óptica controlada por polarização de laser único (SLAPCOPS )16 tornou possível construir sistemas THz-TDS sem uma unidade mecânica de atraso óptico (ODU). Tais sistemas tendem a ser mais robustos mecanicamente e – mais importante – alcançam taxas de atualização espectral de até 100.000 espectros por segundo12.

Essas melhorias permitiram algumas aplicações-farol no campo da indústria. Estes incluem a caracterização do grafeno17, pintura automotiva18 e testes não destrutivos (END) gerais19. Uma revisão abrangente das aplicações industriais da detecção de terahertz é apresentada em20. Muitas outras aplicações, incluindo o controle de qualidade de sementes de açúcar21, a análise de petróleo bruto22 e o controle de qualidade na indústria de papel23, foram comprovadamente viáveis, mas ainda não conseguiram fazer a transição das demonstrações em laboratório para o campo. Infelizmente, o alto custo dos sistemas THz-TDS de última geração ainda dificulta sua implantação generalizada, e seu grande tamanho e peso excluem aplicações verdadeiramente móveis. Como o laser de fibra de femtosegundo - apesar de sua relativa compacidade - ainda é um dos principais contribuintes para o tamanho e o custo do sistema, tem havido muito esforço para encontrar fontes de luz alternativas - de preferência semicondutoras. Em um trabalho inicial, pouco antes do início do século, Tani et al.24 demonstraram a geração de amplos espectros de terahertz acionando uma antena fotocondutora com um diodo laser multimodo (MMLD). Posteriormente, Morikawa et al.25 mostraram o uso dessa fonte em combinação com uma medição de potência resolvida em frequência para aplicações espectroscópicas. Logo depois, eles fizeram a descoberta inovadora de que um espectrômetro convencional no domínio do tempo usando um emissor fotocondutor e um detector fotocondutor gera uma fotocorrente que é periódica no domínio de atraso . Como a periodicidade da fotocorrente é igual ao recíproco do espaçamento de modo do MMLD, eles atribuíram-na à correlação cruzada da intensidade de luz flutuante e ao sinal terahertz incidente no detector fotocondutor, cunhando assim o termo “espectroscopia de correlação cruzada terahertz ”(THz-CCS). Nos anos subsequentes, esse conceito foi aprimorado com a mudança de uma configuração óptica de espaço livre para uma configuração acoplada a fibra e com a mudança do comprimento de onda de excitação para a banda de telecomunicações de 1550 nm. Intermitentemente, o conceito foi renomeado como “espectroscopia terahertz quase no domínio do tempo” (THz-QTDS) e um modelo matemático aprimorado foi desenvolvido . Recentemente, a largura de banda do sistema foi aumentada operando o MMLD com um ciclo de trabalho baixo e com feedback óptico no laser31, respectivamente. Uma variação do conceito THz-CCS usando um diodo superluminescente (SLD) como fonte de luz semicondutora sem modo foi demonstrada pela primeira vez por Molter et al.32 e posteriormente estudada em maior detalhe com modelagem espectral por Tybussek et al.33. A natureza sem modo do SLD gera um espectro contínuo de terahertz, de modo que a resolução de frequência do sistema é limitada apenas pelo comprimento da unidade de atraso óptico (ODU). Uma revisão completa do THz-CCS é apresentada em34.