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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16576 (2022) Citer cet article

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Les sources de lumière cohérente accordables dans l'infrarouge moyen sont utilisées dans diverses applications laser, telles que la détection de traces de gaz, le traitement laser et les diagnostics biomédicaux. Cette étude démontre la génération de l'infrarouge moyen dans la plage spectrale de 8,3 à 11 µm (c'est-à-dire 900 à 1 200 cm−1) en configurant la génération de fréquence différentielle (DFG) intracavité à l'aide de ZnGeP2 (ZGP) dans un laser Cr:ZnSe réglé électroniquement. La large accordabilité est obtenue avec des énergies d'impulsion maximales dépassant 100 μJ en combinant le réglage électronique de la longueur d'onde avec de légers ajustements d'angle (Δθ < 0,5°) du ZGP dans les conditions spectrales d'adaptation de phase non critique du matériau non linéaire. La méthode DFG proposée est généralisée pour donner accès à une fraction significative de la région de l'empreinte moléculaire en utilisant des composés de séléniure (par exemple, AgGaSe2, CdSe) en plus du ZGP, révélant le potentiel remarquable du balayage électronique infrarouge moyen à très large bande pour de nombreuses applications spectroscopiques.

La région de l'infrarouge moyen (IR) comprend deux régions distinctes (3 à 5 et 8 à 13 µm), connues sous le nom de fenêtres de transparence dans l'atmosphère terrestre et qui sont difficiles à affecter par l'influence de l'absorption de vapeur d'eau1. La région de l'empreinte moléculaire dans la plage de 6,6 à 20 µm (c'est-à-dire 500 à 1 500 cm−1) contient des modèles spectraux intenses et distinctifs de molécules2. Ainsi, les sources laser accordables dans la région spectrale de 8 à 13 µm, où se chevauchent la fenêtre atmosphérique de la Terre et la région des empreintes digitales, offrent des avantages considérables pour les applications de télédétection et de détection de gaz traces de diverses molécules de gaz3,4,5,6. Parmi ces sources de lumière cohérente, les lasers infrarouge moyen pulsés nanosecondes avec une luminosité élevée par longueur d'onde et une contrôlabilité de longueur d'onde élevée offrent une sensibilité élevée et un rapport signal/bruit élevé pour la détection de gaz traces dans la spectroscopie de sonnerie de cavité (CRDS) et la spectroscopie photoacoustique ( PAS). Combinées à des techniques microscopiques et d'imagerie, les sources lumineuses permettent également une biodétection sans étiquette des cellules et des tissus7,8,9.

Pour la réalisation de sources laser pulsées nanosecondes accordables dans la plage de 8 à 13 µm, les schémas de conversion de fréquence non linéaire, y compris la génération de fréquence différentielle (DFG) et les oscillateurs paramétriques optiques (OPO), offrent des avantages importants pour une accordabilité continue et large dans l'IR moyen. Étant donné que les cristaux d'oxyde (par exemple KTiOPO4, KTiOAsO4 et LiNbO3) présentent une forte absorption multiphonon au-delà de 5 µm10, les cristaux semi-conducteurs non oxydes, notamment AgGaS2 (AGS), AgGaSe2 (AGSe), CdSe et ZnGeP2 (ZGP), sont généralement utilisés pour le traitement non linéaire. processus pompés avec des lasers de 1 à 2 μm11.

Pour les systèmes OPO, Miyamoto et al. ont obtenu une accordabilité IR moyenne de 5 à 10 µm et une énergie d'impulsion inférieure au mJ à 7,7 µm en pompant du ZGP avec la sortie libre d'un KTP OPO12 à double cristal contrôlé par galvano. Boyko et coll. ont obtenu une accordabilité beaucoup plus large dans la plage de 5,8 à 18 µm avec une énergie d'impulsion maximale de 171 µJ à 11,5 µm en configurant une OPO AGSe qui est pompée avec une sortie Rb:PPKTP OPO à 1,85 µm13. Yang et coll. a récemment signalé un OPO CdSe IR moyen de niveau watt fonctionnant dans la plage de 10 à 11 µm en utilisant un système d'oscillateur maître-oscillateur Ho: YAG et d'amplificateur de puissance comme source de pompe, donnant une énergie d'impulsion libre d'environ 1 mJ14. Pour les systèmes DFG, Haidar et al. ont démontré une accordabilité de ralenti dans la plage de 5 à 12 µm avec une énergie d'impulsion maximale de 25 μJ à ~ 8 μm en mélangeant le signal et les sorties de ralenti d'un KTP OPO pompé par laser Nd: YAG dans ZGP15. Mennerat a établi un fonctionnement à énergie beaucoup plus élevée (jusqu'à 10 mJ) dans la plage de 5,8 à 24 µm en mélangeant le signal et les sorties libres d'un LiNbO3 OPO pompé par laser Nd:YAG dans CdSe, GaSe et Tl3AsSe316. Cependant, tous ces systèmes nécessitent un réglage de l'angle du cristal non linéaire et/ou un réglage de la longueur d'onde d'entrée en faisant tourner un réseau de diffraction, un prisme, etc. pour obtenir les sorties libres accordables, ce qui entraîne une faible vitesse de balayage. Le réglage de la température du cristal non linéaire est également possible (par exemple, voir 17), mais avec une vitesse de balayage encore plus faible.