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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16576 (2022) Citar este artigo

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Fontes de luz coerente sintonizáveis ​​de infravermelho médio são usadas em várias aplicações de laser, como detecção de gases residuais, processamento de laser e diagnóstico biomédico. Este estudo demonstra a geração de infravermelho médio na faixa espectral de 8,3–11 µm (isto é, 900–1200 cm-1) configurando a geração de frequência de diferença intracavitária (DFG) usando ZnGeP2 (ZGP) em um laser Cr:ZnSe sintonizado eletronicamente. A ampla sintonização é alcançada com as energias máximas de pulso excedendo 100 μJ, combinando o ajuste eletrônico do comprimento de onda com pequenos ajustes de ângulo (Δθ <0,5 °) do ZGP sob a condição espectral de correspondência de fase não crítica do material não linear. O método DFG proposto é generalizado para dar acesso a uma fração significativa da região da impressão digital molecular, utilizando compostos de seleneto (por exemplo, AgGaSe2, CdSe) além de ZGP, revelando o notável potencial da varredura eletrônica de infravermelho médio de banda ultralarga para inúmeras aplicações espectroscópicas.

A região do infravermelho médio (IR) possui duas regiões distintas (3–5 e 8–13 µm), que são conhecidas como janelas de transparência na atmosfera terrestre e são difíceis de serem afetadas pela influência da absorção de vapor d’água1. A região da impressão digital molecular na faixa de 6,6–20 µm (ou seja, 500–1500 cm-1) contém padrões espectrais intensos e distintos de moléculas2. Assim, as fontes de laser sintonizáveis ​​na região espectral de 8–13 µm, onde tanto a janela atmosférica da Terra quanto a região com impressões digitais se sobrepõem, oferecem vantagens consideráveis ​​para aplicações em sensoriamento remoto e detecção de gases traços de várias moléculas de gás . Entre essas fontes de luz coerentes, os lasers IR médios pulsados ​​​​em nanossegundos com alto brilho por comprimento de onda e alta controlabilidade de comprimento de onda fornecem alta sensibilidade e uma alta relação sinal-ruído para detecção de gases traço em espectroscopia de anel de cavidade (CRDS) e espectroscopia fotoacústica ( PAS). Combinadas com técnicas microscópicas e de imagem, as fontes de luz também permitem a biossensorização de células e tecidos sem rótulos7,8,9.

Para a realização de fontes de laser pulsado de nanossegundos sintonizáveis ​​na faixa de 8 a 13 µm, esquemas de conversão de frequência não linear, incluindo geração de frequência diferencial (DFG) e osciladores paramétricos ópticos (OPOs), fornecem vantagens proeminentes para ajuste contínuo e amplo de IR médio. Como os cristais de óxido (por exemplo, KTiOPO4, KTiOAsO4 e LiNbO3) exibem forte absorção multifônico além de 5 µm10, cristais semicondutores não óxidos, incluindo AgGaS2 (AGS), AgGaSe2 (AGSe), CdSe e ZnGeP2 (ZGP) são geralmente usados ​​para o não linear. processos bombeados com lasers de 1–2 μm11.

Para os sistemas OPO, Miyamoto et al. obtiveram uma sintonização de infravermelho médio de 5–10 µm e uma energia de pulso sub-mJ de 7,7 µm bombeando ZGP com a saída intermediária de um KTP OPO12 de cristal duplo controlado por galvano. Boyko et al. alcançaram uma sintonia muito mais ampla na faixa de 5,8–18 µm com a energia de pulso máxima de 171 µJ a 11,5 µm configurando um AGSe OPO que é bombeado com uma saída Rb:PPKTP OPO a 1,85 µm13. Yang et al. relataram recentemente um CdSe OPO médio de nível de watt operando na faixa de 10-11 µm usando um oscilador mestre Ho: YAG e um sistema amplificador de potência como fonte de bomba, fornecendo energia de pulso intermediário de ~ 1 mJ . Para os sistemas DFG, Haidar et al. demonstraram uma sintonização intermediária na faixa de 5–12 µm com a energia de pulso máxima de 25 μJ a ~ 8 μm, misturando o sinal e as saídas intermediárias de um KTP OPO bombeado a laser Nd: YAG em ZGP15. Mennerat estabeleceu uma operação de energia muito mais alta (até 10 mJ) na faixa de 5,8–24 µm misturando o sinal e as saídas intermediárias de um LiNbO3 OPO bombeado a laser Nd:YAG em CdSe, GaSe e Tl3AsSe316. No entanto, todos esses sistemas requerem ajuste angular do cristal não linear e/ou ajuste do comprimento de onda de entrada girando uma rede de difração, um prisma, etc. para obter as saídas intermediárias sintonizáveis, resultando em uma baixa velocidade de varredura. O ajuste da temperatura do cristal não linear também é possível (por exemplo, ver 17), mas com uma velocidade de varredura ainda menor.