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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16576(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중적외선 조정 가능 간섭성 광원은 미량 가스 감지, 레이저 처리, 생체의학 진단 등 다양한 레이저 응용 분야에 사용됩니다. 이 연구는 전자적으로 조정된 Cr:ZnSe 레이저에서 ZnGeP2(ZGP)를 사용하여 공동 내 차주파수 생성(DFG)을 구성하여 8.3~11μm(즉, 900~1200cm−1) 스펙트럼 범위의 중적외선 생성을 보여줍니다. 비선형 재료의 스펙트럼 비임계 위상 정합 조건 하에서 전자 파장 튜닝과 ZGP의 작은 각도 조정(Δθ < 0.5°)을 결합하여 100μJ를 초과하는 최대 펄스 에너지로 광범위한 조정 가능성을 달성합니다. 제안된 DFG 방법은 ZGP 외에 셀레나이드 화합물(예: AgGaSe2, CdSe)을 활용하여 분자 지문 영역의 상당 부분에 접근할 수 있도록 일반화되었으며, 이는 수많은 분광학 응용 분야에서 초광대역 전자 중적외선 스캐닝의 놀라운 잠재력을 보여줍니다.

중적외선(IR) 영역에는 두 개의 서로 다른 영역(3~5 및 8~13μm)이 있으며, 이는 지구 대기의 투명 창으로 알려져 있으며 수증기 흡수의 영향을 받기 어렵습니다1. 6.6~20 µm 범위(즉, 500~1500 cm−1)의 분자 지문 영역에는 강렬하고 독특한 분자 스펙트럼 패턴이 포함되어 있습니다2. 따라서 지구의 대기 창과 지문 영역이 모두 겹치는 8-13 μm 스펙트럼 영역의 조정 가능한 레이저 소스는 다양한 가스 분자의 원격 감지 및 추적 가스 감지 응용 분야에 상당한 이점을 제공합니다3,4,5,6. 이러한 응집성 광원 중에서 파장당 높은 밝기와 높은 파장 제어성을 갖춘 나노초 펄스 중적외선 레이저는 공동 링다운 분광법(CRDS) 및 광음향 분광학에서 미량 가스 검출을 위한 높은 감도와 높은 신호 대 잡음비를 제공합니다. 우선권). 현미경 및 이미징 기술과 결합된 광원은 세포와 조직의 라벨 없는 바이오센싱도 가능하게 합니다7,8,9.

8~13μm 범위의 조정 가능한 나노초 펄스 레이저 소스를 실현하기 위해 DFG(차이 주파수 생성) 및 OPO(광 파라메트릭 발진기)를 포함한 비선형 주파수 변환 방식은 지속적이고 광범위한 중간 IR 조정 가능성에 탁월한 이점을 제공합니다. 산화물 결정(예: KTiOPO4, KTiOAsO4 및 LiNbO3)은 5 μm10 이상에서 강한 다중 음자 흡수를 나타내므로 AgGaS2(AGS), AgGaSe2(AGSe), CdSe 및 ZnGeP2(ZGP)를 포함한 비산화물 반도체 결정이 일반적으로 비선형에 사용됩니다. 1~2μm 레이저로 펌핑되는 프로세스11.

OPO 시스템의 경우 Miyamoto et al. 갈바노 제어 이중 결정 KTP OPO12의 아이들러 출력으로 ZGP를 펌핑하여 5~10μm의 중간 IR 조정 가능성과 7.7μm의 하위 mJ 펄스 에너지를 얻었습니다. Boykoet al. 1.85μm13에서 Rb:PPKTP OPO 출력으로 펌핑되는 AGSe OPO를 구성하여 11.5μm에서 최대 펄스 에너지 171μJ로 5.8~18μm 범위에서 훨씬 더 넓은 조정 가능성을 달성했습니다. Yanget al. 최근 Ho:YAG 마스터 오실레이터 및 전력 증폭기 시스템을 펌프 소스로 사용하여 10-11μm 범위에서 작동하는 와트 수준의 Mid-IR CdSe OPO를 보고하여 ~ 1mJ 아이들러 펄스 에너지를 제공합니다. DFG 시스템의 경우 Haidar et al. ZGP15에서 Nd:YAG 레이저 펌핑 KTP OPO의 신호와 아이들러 출력을 혼합하여 ~ 8μm에서 최대 펄스 에너지 25μJ로 5~12μm 범위에서 아이들러 조정 가능성을 입증했습니다. Mennerat는 CdSe, GaSe 및 Tl3AsSe316에서 Nd:YAG 레이저 펌핑 LiNbO3 OPO의 신호 및 아이들러 출력을 혼합하여 5.8~24μm 범위에서 훨씬 더 높은 에너지 작동(최대 10mJ)을 확립했습니다. 그러나 이러한 모든 시스템에서는 조정 가능한 아이들러 출력을 얻기 위해 회절 격자, 프리즘 등을 회전시켜 비선형 결정의 각도 조정 및/또는 입력 파장 조정이 필요하므로 스캔 속도가 느려집니다. 비선형 결정의 온도 조정도 가능하지만(예: 17 참조) 스캐닝 속도는 훨씬 낮습니다.

99% at 2.1–3.0 μm, T ~ 90% at 2.0 μm), an output coupler (R = 95% at 2.1–3.0 μm), a total reflector (R > 99% at 2.1–3.0 μm), and the AOTF (Gooch & Housego). As the laser medium, a 5-mm-long antireflection (AR)-coated (for 1.5–2.7 µm) polycrystalline Cr:ZnSe (IPG Photonics, Inc.) having a Cr2+ doping concentration of 8.0 × 1018 cm-3 was placed between two folding mirrors. The pump source was an AO Q-switched Tm:YAG laser (λ = 2.013 µm) with a pulse duration of 400 ns at a 10 Hz repetition rate, giving the output pulse energy of 21 mJ, which is varied by an attenuator comprising a half-wave plate and a thin-film polarizer. The output beam of the pump source was loosely focused on the Cr:ZnSe surface with a 1/e2 radius of 0.5 mm through M1. The lasing action was confirmed by measuring the pulse energy extracted from the output coupler M3 with an energy meter (PE-10, Ophir) while recording the corresponding central wavelength with a wavemeter (IR-III WS6-200, HighFinesse). Next, a 15-mm-long AR-coated (for 2–3 μm) type-1 ZGP crystal (θ = 49°, φ = 0°) was placed inside the cavity as a nonlinear frequency downconverter. The pump and signal for the DFG process in ZGP were given by the Tm:YAG laser and the intracavity ET-Cr:ZnSe laser, respectively. Here, the ET-Cr:ZnSe laser enables precise control of the signal wavelength by changing the radio frequency (RF) feeding to the AOTF through the computer program18, so that the idler wavelength can be changed synchronously. The pulse energy, beam profile, and pulse width of the idler beam transmitted through M2 (Tavg ~ 60% at 8–11 μm) were measured by using an energy meter (PE-9-ES-C, Ophir), pyroelectric beam profiler (Pyrocam III, Ophir), and mid-IR detector (PVI-4TE-10.6, VIGO system), respectively, after blocking the transmitted pump beam with an IR filter./p>