Лазерный диод на основе ТГц

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13476 (2023) Цитировать эту статью

309 Доступов

Подробности о метриках

Терагерцовая спектроскопия во временной области (THz-TDS) стала мощным и универсальным инструментом в различных научных областях. К ним относятся, среди прочего, визуализация, определение характеристик материала и измерение толщины слоя. Хотя ТГц-TDS добилась значительных успехов в исследовательской среде, высокая стоимость и громоздкость большинства систем препятствовали широкой коммерциализации этой технологии. Двумя основными факторами, влияющими на размер и стоимость этих систем, являются лазер и блок оптической задержки (ODU). Следовательно, наша группа сосредоточилась на разработке систем ТГц-TDS на основе компактных монолитных лазерных диодов с синхронизацией мод (MLLD). Сверхвысокая частота повторения (UHRR) MLLD имеет дополнительное преимущество: позволяет нам использовать более короткие ODU, тем самым снижая общую стоимость и размер наших систем. Однако достижение необходимой точности ODU для получения точных терагерцовых сигналов во временной области остается важнейшим аспектом. Чтобы решить эту проблему, мы разработали и усовершенствовали интерферометрическое расширение для систем UHRR-THz-TDS. Это расширение недорогое, компактное и простое в установке. В данной статье мы представляем настройку системы, само расширение и алгоритмическую процедуру восстановления оси задержки на основе интерферометрического опорного сигнала. Мы оцениваем набор данных, содержащий 10 000 трасс сигнала, и сообщаем, что стандартное отклонение измеренной терагерцовой фазы на частоте 1,6 ТГц составляет всего 3 мрад. Кроме того, мы демонстрируем оставшийся размах джиттера всего 20 фс и рекордно высокое пиковое отношение сигнал/шум 133 дБ на частоте 100 ГГц после усреднения. Метод, представленный в этой статье, позволяет упростить построение системы ТГц-TDS, уменьшая объем и стоимость. В результате это еще больше облегчает переход терагерцовых технологий от лабораторных к полевым применениям.

Терагерцевая спектроскопия во временной области (ТГц-TDS) с использованием фотопроводящих излучателей и детекторов прошла долгий путь с момента ее создания в конце 1980-х годов Фаттингером и Гришковским1,2. Технологические и системные достижения сделали ТГц-TDS мощным и универсальным инструментом экспериментальной науки3,4. Заметными вехами в повышении экономичности и удобства использования ТГц-TDS являются сдвиг длины волны возбуждающего фемтосекундного лазера в телекоммуникационный диапазон 1,55 мкм5,6,7 и внедрение первого полностью волоконного спектрометра, использующего фемтосекундный волоконный лазер8. Использование улучшенных материалов и фотопроводящих антенных конструкций позволило в обычных условиях достичь полосы пропускания до 6,5 ТГц и пикового динамического диапазона до 111 дБ9 в системах с оптоволоконной связью. Последние достижения в технологии фотопроводящих антенн увеличили полосу пропускания до 10 ТГц10. Кроме того, внедрение таких концепций, как асинхронная оптическая выборка (ASOPS)11,12,13, оптическая выборка с электронным управлением (ECOPS)14, оптическая выборка с помощью настройки резонатора (OSCAT)15 и оптическая выборка с однолазерным поляризационным управлением (SLAPCOPS) )16 позволило построить системы ТГц-TDS без механо-оптического блока задержки (ODU). Такие системы, как правило, более механически устойчивы и, что более важно, обеспечивают скорость обновления спектра до 100 000 спектров в секунду12.

Эти улучшения позволили реализовать несколько маяковых приложений в области промышленности. К ним относятся определение характеристик графена17, автомобильной краски18 и общий неразрушающий контроль (НК)19. Комплексный обзор промышленного применения терагерцового зондирования представлен в 20. Многие другие применения, включая контроль качества семян сахарных бобов21, анализ сырых масел22 и контроль качества в бумажной промышленности23, оказались осуществимыми, но пока не удалось перейти от лабораторных демонстраций к полевым. К сожалению, высокая стоимость современных ТГц-TDS-систем по-прежнему препятствует их широкому внедрению, а их большие размеры и вес исключают возможность использования по-настоящему мобильных приложений. Поскольку фемтосекундный волоконный лазер, несмотря на свою относительную компактность, по-прежнему вносит основной вклад как в размер, так и в стоимость системы, было предпринято много усилий по поиску альтернативных — предпочтительно полупроводниковых — источников света. В одной из первых работ незадолго до начала века Тани и др.24 продемонстрировали генерацию широкого терагерцового спектра путем возбуждения фотопроводящей антенны с помощью многомодового лазерного диода (MMLD). Впоследствии Морикава и др.25 продемонстрировали использование этого источника в сочетании с измерением мощности с частотным разрешением для спектроскопических приложений. Вскоре после этого они сделали новаторское открытие, что обычный спектрометр во временной области, использующий фотопроводящий эмиттер и фотопроводящий детектор, генерирует фототок, который является периодическим в области задержки26. Поскольку периодичность фототока равна обратной величине межмодового расстояния MMLD, они объяснили это взаимной корреляцией флуктуирующей интенсивности света и падающего терагерцового сигнала на фотопроводящем детекторе, таким образом введя термин «терагерцовая кросс-корреляционная спектроскопия». (ТГц-CCS). В последующие годы эта концепция была усовершенствована путем перехода от оптической системы в свободном пространстве к оптоволоконной установке27 и путем изменения длины волны возбуждения на телекоммуникационный диапазон 1550 нм28. Периодически концепцию переименовывали в «терагерцовую квазивременную спектроскопию» (THz-QTDS), и была разработана улучшенная математическая модель29. Недавно полоса пропускания системы была увеличена за счет использования MMLD с низким рабочим циклом30 и с оптической обратной связью с лазером31 соответственно. Вариант концепции ТГц-CCS с использованием суперлюминесцентного диода (SLD) в качестве безмодового полупроводникового источника света был впервые продемонстрирован Молтером и др.32, а затем более подробно изучен с помощью формирования спектра Тайбуссеком и др.33. Безмодовый характер SLD генерирует непрерывный терагерцовый спектр, так что частотное разрешение системы ограничено только длиной блока оптической задержки (ODU). Подробный обзор ТГц-CCS представлен в 34.