THz basato su diodo laser

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13476 (2023) Citare questo articolo

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La spettroscopia nel dominio del tempo Terahertz (THz-TDS) è emersa come uno strumento potente e versatile in vari campi scientifici. Questi includono, tra gli altri, imaging, caratterizzazione dei materiali e misurazioni dello spessore dello strato. Sebbene il THz-TDS abbia ottenuto un successo significativo negli ambienti di ricerca, il costo elevato e la natura ingombrante della maggior parte dei sistemi hanno ostacolato una commercializzazione diffusa di questa tecnologia. Due fattori principali che contribuiscono alle dimensioni e al costo di questi sistemi sono il laser e l'unità di ritardo ottico (ODU). Di conseguenza, il nostro gruppo si è concentrato sullo sviluppo di sistemi THz-TDS basati su diodi laser mode-locked monolitici compatti (MLLD). Il tasso di ripetizione ultra elevato (UHRR) dell'MLLD ha l'ulteriore vantaggio di consentirci di utilizzare ODU più brevi, riducendo così il costo complessivo e le dimensioni dei nostri sistemi. Tuttavia, ottenere la precisione necessaria nell'ODU per acquisire segnali accurati nel dominio del tempo terahertz rimane un aspetto cruciale. Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato e migliorato un'estensione interferometrica per i sistemi UHRR-THz-TDS. Questa estensione è economica, compatta e facile da incorporare. In questo articolo presentiamo la configurazione del sistema, l'estensione stessa e la procedura algoritmica per ricostruire l'asse di ritardo in base al segnale di riferimento interferometrico. Valutiamo un set di dati comprendente 10.000 tracce di segnale e riportiamo una deviazione standard della fase terahertz misurata a 1,6 THz a partire da 3 mrad. Inoltre, dimostriamo un jitter picco-picco rimanente di soli 20 fs e un rapporto segnale-rumore di picco record di 133 dB a 100 GHz dopo la media. Il metodo presentato in questo documento consente di realizzare sistemi THz-TDS semplificati, riducendo ingombro e costi. Di conseguenza, facilita ulteriormente la transizione delle tecnologie terahertz dalle applicazioni di laboratorio a quelle sul campo.

La spettroscopia nel dominio del tempo Terahertz (THz-TDS) che utilizza emettitori e rilevatori fotoconduttivi ha fatto molta strada da quando è stata introdotta alla fine degli anni '80 da Fattinger e Grischkowsky1,2. I progressi tecnologici e di sistema hanno reso THz-TDS uno strumento potente e versatile per la scienza sperimentale3,4. Traguardi degni di nota nel miglioramento dell'economia e dell'usabilità del THz-TDS includono lo spostamento della lunghezza d'onda del laser a femtosecondi alla banda delle telecomunicazioni di 1,55 µm5,6,7 e l'introduzione del primo spettrometro interamente in fibra che utilizza un laser a fibra a femtosecondi8. L'uso di materiali migliorati e di strutture di antenne fotoconduttrici ha reso possibile ottenere regolarmente una larghezza di banda fino a 6,5 ​​THz e una gamma dinamica di picco fino a 111 dB9 con sistemi accoppiati a fibra. I recenti progressi nella tecnologia delle antenne fotoconduttive hanno aumentato la larghezza di banda a 10 THz10. Inoltre, l'introduzione di concetti come il campionamento ottico asincrono (ASOPS)11,12,13, il campionamento ottico controllato elettronicamente (ECOPS)14, il campionamento ottico mediante regolazione della cavità (OSCAT)15 e il campionamento ottico controllato dalla polarizzazione a laser singolo (SLAPCOPS) )16 ha reso possibile costruire sistemi THz-TDS senza un'unità di ritardo ottico meccanico (ODU). Tali sistemi tendono ad essere meccanicamente più robusti e, cosa ancora più importante, a raggiungere velocità di aggiornamento spettrale fino a 100.000 spettri al secondo12.

Questi miglioramenti hanno consentito alcune applicazioni faro nel campo dell’industria. Questi includono la caratterizzazione del grafene17, della vernice per auto18 e dei test non distruttivi generali (NDT)19. Una rassegna completa delle applicazioni industriali del rilevamento terahertz è presentata in20. Molte altre applicazioni, tra cui il controllo di qualità dei semi di semi di zucchero21, l’analisi degli oli grezzi22 e il controllo di qualità nell’industria della carta23, si sono dimostrate fattibili ma non sono ancora riuscite a passare dalle dimostrazioni di laboratorio al campo. Sfortunatamente, il costo elevato dei sistemi THz-TDS all’avanguardia ne ostacola ancora l’implementazione diffusa, e le loro grandi dimensioni e peso escludono applicazioni veramente mobili. Poiché il laser a fibra a femtosecondi, nonostante la sua relativa compattezza, continua a contribuire in modo determinante sia alle dimensioni che ai costi del sistema, sono stati compiuti molti sforzi per trovare fonti di luce alternative, preferibilmente semiconduttori. In un primo lavoro appena prima della fine del secolo, Tani et al.24 hanno dimostrato la generazione di ampi spettri terahertz pilotando un'antenna fotoconduttiva con un diodo laser multimodale (MMLD). Successivamente, Morikawa et al.25 hanno mostrato l'uso di tale sorgente in combinazione con una misurazione di potenza risolta in frequenza per applicazioni spettroscopiche. Poco dopo, hanno fatto la scoperta rivoluzionaria che uno spettrometro convenzionale nel dominio del tempo che utilizza un emettitore fotoconduttivo e un rilevatore fotoconduttivo genera una fotocorrente periodica nel dominio del ritardo26. Poiché la periodicità della fotocorrente è uguale al reciproco della spaziatura modale del MMLD, l'hanno attribuita alla correlazione incrociata tra l'intensità della luce fluttuante e il segnale terahertz incidente sul rilevatore fotoconduttivo, coniando così il termine "spettroscopia a correlazione incrociata terahertz" " (THz-CCS). Negli anni successivi, questo concetto è stato migliorato passando da una configurazione ottica in spazio libero a una configurazione accoppiata a fibra27 e modificando la lunghezza d'onda di eccitazione nella banda di telecomunicazioni di 1550 nm28. A intermittenza, il concetto è stato ribattezzato “spettroscopia nel dominio quasi del tempo terahertz” (THz-QTDS) ed è stato sviluppato un modello matematico migliorato29. Recentemente, la larghezza di banda del sistema è stata aumentata facendo funzionare l'MMLD rispettivamente con un ciclo di lavoro basso30 e con feedback ottico nel laser31. Una variazione del concetto THz-CCS che utilizza un diodo superluminescente (SLD) come sorgente luminosa a semiconduttore senza modo è stata dimostrata per la prima volta da Molter et al.32 e successivamente studiata in maggior dettaglio con la modellazione spettrale da Tybussek et al.33. La natura senza modalità dell'SLD genera uno spettro terahertz continuo, in modo che la risoluzione di frequenza del sistema sia limitata solo dalla lunghezza dell'unità di ritardo ottico (ODU). Una revisione approfondita del THz-CCS è presentata in34.