Fotomezcla

La fotomezcla es un proceso que utiliza dos haces láser con frecuencias ópticas ligeramente diferentes para generar radiación a la frecuencia diferencial. Dependiendo del proceso y método de fotomezcla, la frecuencia de la radiación producida puede variar desde frecuencias cercanas a la CC hasta varios THz. Una ventaja de esta técnica es la capacidad de producir radiación de alta pureza espectral en un amplio rango de frecuencias. Una desventaja son los niveles de potencia típicamente bajos, inferiores a ^10⁻⁸ W.

La fotomezcla es la generación de radiación de onda continua mediante un proceso en el que dos láseres con polarización alineada y frecuencias diferentes iluminan un fotomezclador. ^{[ 1 ]} El campo eléctrico total del haz de excitación en el material de fotomezcla se puede escribir como:

${\displaystyle E(t)=\sum _{i=1}^{2}A_{i}\cos \!{\big (}\omega _{i}t+\phi _{i}{\big )}\,{\hat {e}}_{i}}$

dónde${\displaystyle \omega _{i}}$es la frecuencia angular del haz láser${\displaystyle i}$,${\displaystyle A_{i}}$su amplitud,${\displaystyle {\sombrero {e}}_{i}}$el vector unitario a lo largo de la dirección de polarización del haz láser${\displaystyle i}$, y${\displaystyle \phi _{i}}$la diferencia de fase entre los dos haces. Dependiendo del material empleado, la fotomezcla puede ocurrir a través de dos procesos diferentes: un proceso óptico no lineal donde los haces láser generan radiación a la frecuencia diferencial ^{[ 2 ] [ 3 ]} o un proceso óptico lineal donde los haces láser modulan la conductancia de una antena integrada en un material semiconductor. ^{[ 4 ]}

Proceso óptico no lineal. En cristales dieléctricos no lineales, la fotomezcla es un proceso no lineal de segundo orden que produce un campo no lineal.

${\displaystyle P^{(2)}(t)={\boldsymbol {\chi }}^{(2)}:E(t)E(t)}$

dónde${\displaystyle {\boldsymbol {\chi }}^{(2)}}$es un tensor de conversión, y “:” denota el producto tensorial. La generación de radiación por el proceso no lineal resulta del término de batido (diferencia de frecuencia).${\displaystyle \Delta \omega =\left|\omega _{1}-\omega _{2}\right|}$. ^{[ 2 ]}

A medida que los dos haces láser y la radiación generada se propagan en el cristal, la intensidad de la radiación generada es: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle I(\Omega )\propto I_{1}I_{2}\,n(\Omega )\,d_{\mathrm {eff} }^{\,2}\,{\frac {\sin ^{2}(\Delta k\,z/2)}{(\Delta k/2)^{2}}}}$

dónde${\displaystyle \Omega =\Delta \omega }$es la frecuencia angular generada,${\displaystyle I_{1,2}}$son respectivamente las intensidades de los haces láser 1 y 2,${\displaystyle n(\Omega )}$es el índice de refracción del cristal en${\displaystyle \Omega }$,${\displaystyle z}$es la distancia de propagación,${\displaystyle d_{\mathrm {eff} }}$es el coeficiente no lineal efectivo (una función de los coeficientes del tensor no lineal)${\displaystyle \chi _{ijk}^{(2)}}$y de los ángulos de polarización), y${\displaystyle \Delta k}$es el desajuste del vector de onda. Cuando${\displaystyle \Delta k=0}$La radiación generada en una ubicación determinada del cristal está en fase y se suma constructivamente. En el caso de desajuste de fase (${\displaystyle \Delta k\neq 0}$) la señal es más débil o nula y varía periódicamente con${\displaystyle z}$. Si los dos haces láser a frecuencias${\displaystyle \omega _{1}}$y${\displaystyle \omega _{2}}$son colineales, la radiación generada se propaga en la misma dirección y la condición de coincidencia de fase se expresa simplemente como:

${\displaystyle k(\omega _{1})-k(\omega _{2})-k(\Omega )=0}$. ^{[ 5 ]}

En general, la eficiencia de la fotomezcla no lineal en cristales dieléctricos es bastante débil, debido a que la susceptibilidad no lineal es pequeña y a la conservación de la energía en las relaciones de interacción de fotones (Manley-Rowe): ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\frac {\Delta P_{\mathrm {THz} }}{\Delta P_{\mathrm {bomba} }}}={\frac {\hbar \Omega }{\hbar \omega }}\ll 1}$

Aquí${\displaystyle \Delta P_{\mathrm {bomba} }}$es la disminución de la potencia del haz de bombeo debido al proceso no lineal, mientras que${\displaystyle \Delta P_{\mathrm {THz} }}$es el aumento de la potencia de THz. Dado que${\displaystyle \Omega \ll \omega }$, la eficiencia del fotón (cuántico) es

${\displaystyle \eta \approx {\frac {\Omega }{\omega }}}$

y por lo tanto es pequeño en las relaciones de frecuencia óptica a THz. Cuando los láseres operan en el rango visible,${\displaystyle \eta }$es del orden de${\displaystyle 10^{-3}}$y la eficiencia de conversión total es baja (por ejemplo,${\displaystyle 0,5\times 10^{-9}\ \mathrm {W} ^{-1}}$con GaP bombeado alrededor de 1 µm). ^{[ 6 ]}

Proceso óptico lineal. Históricamente, los fotomezcladores semiconductores se han fabricado a partir de arseniuro de galio cultivado a baja temperatura (LTG-GaAs). El doble haz láser ilumina el centro de una antena depositada por pulverización catódica sobre el semiconductor. La iluminación con radiación óptica de energía fotónica mayor que la banda prohibida del semiconductor (y dentro del rango de absorción) crea una población de fotoportadores libres. Para el LTG-GaAs, las longitudes de onda típicas son inferiores a 850 nm. Si la vida útil del fotoportador${\displaystyle \tau }$es más corto que el período del producto de mezcla, la fotodensidad varía a la frecuencia de batido óptico. Un voltaje aplicado a la estructura de la antena acelera los portadores a través de la antena y produce una onda radiante a la frecuencia diferencial de los dos láseres. ^{[ 4 ]} La potencia radiada (de carga) de la antena se puede escribir: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle P_{\mathrm {THz} }\propto {\frac {R_{L}}{1+\omega ^{2}C^{2}\tau ^{2}}}\,\eta \,P_{\mathrm {opt} }}$

dónde${\displaystyle R_{L}}$es la resistencia de carga,${\displaystyle C}$es la capacitancia del espacio de la antena,${\displaystyle \tau }$es la vida útil del fotoportador,${\displaystyle P_{\mathrm {opt} }}$es la potencia del láser de bombeo y${\displaystyle \eta }$es la eficiencia de conversión óptica/eléctrica en el semiconductor. Estos dispositivos muestran una emisividad espectral amplia , con un máximo alrededor de 0,8–1 THz, que se extiende hasta ~3 THz. Típicamente, se entrega una potencia de ~1 µW alrededor de 1 THz. Se utilizan como osciladores locales sintonizables y fuentes de barrido de THz de banda ancha en aplicaciones de espectroscopia. ^{[ 8 ]} Generalmente, la polarización del fotomezclador se modula para permitir el uso de técnicas de detección síncrona. ^{[ 9 ]}

Debido a la abundancia (y el bajo costo) de componentes disponibles para las comunicaciones por fibra óptica, se ha realizado un trabajo significativo para desarrollar materiales de fotomezcla que operen en longitudes de onda alrededor de 1550 nm. Por ejemplo, los fotomezcladores LTG-InGaAs/InAlAs exhiben un rendimiento similar al de LTG-GaAs a 850 nm, al igual que los dispositivos basados ​​en erbio, aunque los dispositivos construidos con estos materiales pueden ser menos robustos que los dispositivos LTG-GaAs. ^{[ 10 ]}

La generación de radiación mediante iluminación a 1550 nm también puede lograrse mediante mezcla en diodos PIN o diodos de portador único viajero (UTC) . ^{[ 11 ]} En los diodos UTC, a diferencia de los diodos PN o PIN, solo los electrones libres participan en la respuesta fotoeléctrica. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, los diodos UTC exhiben un tiempo de respuesta muy rápido y pueden usarse para fotomezcla de THz. Gracias a la eficiente recolección de fotoelectrones y la rápida movilidad en semiconductores InP/InGaAs, Ito et al. han producido 80 µW a 0,3 THz (2,6 µW a 1 THz). ^{[ 11 ]}

La fuente de fotomezcla puede entonces constituir la base de un espectrómetro láser que puede utilizarse para examinar la firma de terahercios de diversos materiales, como gases, líquidos o sólidos.

El instrumento se puede dividir en las siguientes unidades funcionales:

• Fuentes láser que proporcionan una señal de batido en el dominio de terahercios (THz) en el dominio óptico. Suelen ser dos láseres de infrarrojo cercano y, posiblemente, un amplificador óptico .
• El dispositivo fotomezclador convierte la señal de batido en radiación de terahercios, que a menudo se emite al espacio libre mediante una antena integrada.
• En una trayectoria de propagación de terahercios, según la aplicación, se utilizan elementos de enfoque adecuados para colimar el haz de terahercios y permitir que atraviese la muestra en estudio.
• Debido a los niveles relativamente bajos de potencia disponible, del orden de 1  μW, se requiere un detector sensible para garantizar una relación señal/ruido adecuada. Los bolómetros de silicio ofrecen una solución para instrumentos no coherentes. Como alternativa, se puede utilizar un segundo fotomezclador como detector, lo que permite la detección coherente.

Una revisión de la historia de la fotomezcla se puede encontrar en Fundamentos de dispositivos y aplicaciones de THz por Peytavit et al. ^{[ 13 ]} Algunos hitos seleccionados en el desarrollo de la fotomezcla son:

• 1955 – Primera demostración experimental por Forrester et al. ^{[ 14 ]} Debido a la falta de fuentes coherentes, utilizaron dos componentes Zeeman de una lámpara de mercurio, lo que resultó en una frecuencia de batido de 10 GHz detectada con un tubo fotoeléctrico cuyo fotocátodo de SbCs₃ actuaba como mezclador.
• 1962 – Poco después de demostrar el primer láser He-Ne, Javan et al. realizaron la mezcla de dos láseres He-Ne monomodo (5 MHz) en el fotocátodo de un fotomultiplicador. ^{[ 15 ]} Su objetivo era estudiar el ancho espectral del haz láser en lugar de producir microondas.
• 1962 – Inaba y Siegman informaron del primer uso de un fotodiodo de unión PIN como mezclador óptico. ^{[ 16 ]}
• 1995 – Un importante avance de Brown et al. demostró la fotomezcla en GaAs cultivado a baja temperatura (LTG-GaAs). ^{[ 17 ]} Utilizando un fotointerruptor de electrodos interdigitados en una oblea de LTG-GaAs bombeada por dos láseres de Ti:Al₂O₃ (λ ≈ 0,8 µm), generaron radiación de THz de hasta 3,8 THz, produciendo 4 µW a 300 GHz y 1 µW a 800 GHz. Esto fue posible gracias a la vida útil de los portadores del material, inferior a un picosegundo, a su alta movilidad electrónica (~150 cm² ^/ V·s) y a su alta ruptura por campo eléctrico (~300 kV/cm). ^{[ 18 ]}
• 2003 – Ito et al. lograron aproximadamente 80 µW a 300 GHz y 2,6 µW a 1 THz utilizando fotodiodos de portadores de viaje único (UTC-PD) basados ​​en InP. ^{[ 19 ]}

Gracias a estos avances, y a las mejoras en la estabilidad del láser y el diseño de antenas de THz, actualmente existen espectrómetros de THz comerciales en el dominio de la frecuencia basados ​​en fotomezcla, disponibles a través de varios fabricantes. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• Francis Hindle, Arnaud Cuisset, Robin Bocquet, Gaël Mouret "Terahercios de onda continua mediante fotomezcla: aplicaciones a la detección y cuantificación de contaminantes en fase gaseosa" Comptes Rendus Physique (2007), doi : 10.1016/j.crhy.2007.07.009