THz à base de diode laser

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13476 (2023) Citer cet article

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La spectroscopie térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) est devenue un outil puissant et polyvalent dans divers domaines scientifiques. Celles-ci incluent, entre autres, l'imagerie, la caractérisation des matériaux et les mesures d'épaisseur de couche. Bien que le THz-TDS ait connu un succès significatif dans les environnements de recherche, le coût élevé et la nature encombrante de la plupart des systèmes ont entravé la commercialisation à grande échelle de cette technologie. Deux principaux facteurs contribuant à la taille et au coût de ces systèmes sont le laser et l'unité de retard optique (ODU). Par conséquent, notre groupe s'est concentré sur le développement de systèmes THz-TDS basés sur des diodes laser monolithiques compactes à mode verrouillé (MLLD). Le taux de répétition ultra-élevé (UHRR) du MLLD présente l'avantage supplémentaire de nous permettre d'utiliser des ODU plus courts, réduisant ainsi le coût global et la taille de nos systèmes. Cependant, atteindre la précision nécessaire dans l’ODU pour acquérir des signaux précis dans le domaine temporel térahertz reste un aspect crucial. Pour résoudre ce problème, nous avons développé et amélioré une extension interférométrique pour les systèmes UHRR-THz-TDS. Cette extension est peu coûteuse, compacte et facile à intégrer. Dans cet article, nous présentons la configuration du système, l'extension elle-même et la procédure algorithmique de reconstruction de l'axe de retard basée sur le signal de référence interférométrique. Nous évaluons un ensemble de données comprenant 10 000 traces de signaux et rapportons un écart type de la phase térahertz mesurée à 1,6 THz aussi bas que 3 mrad. De plus, nous démontrons une gigue crête à crête restante de seulement 20 fs et un rapport signal/bruit record de 133 dB à 100 GHz après moyenne. La méthode présentée dans cet article permet de simplifier la construction de systèmes THz-TDS, réduisant ainsi l'encombrement et les coûts. En conséquence, cela facilite encore davantage la transition des technologies térahertz des applications en laboratoire vers les applications sur le terrain.

La spectroscopie térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) utilisant des émetteurs et des détecteurs photoconducteurs a parcouru un long chemin depuis sa création à la fin des années 1980 par Fattinger et Grischkowsky1,2. Les progrès technologiques et systémiques ont fait du THz-TDS un outil puissant et polyvalent pour la science expérimentale3,4. Les étapes notables dans l'amélioration de l'économie et de la convivialité du THz-TDS incluent le déplacement de la longueur d'onde du laser femtoseconde de commande vers la bande de télécommunications de 1,55 µm5,6,7 et l'introduction du premier spectromètre entièrement fibre utilisant un laser à fibre femtoseconde8. L'utilisation de matériaux améliorés et de structures d'antenne photoconductrices a permis d'atteindre régulièrement une bande passante allant jusqu'à 6,5 THz et une plage dynamique maximale allant jusqu'à 111 dB9 avec des systèmes couplés par fibre. Les progrès récents dans la technologie des antennes photoconductrices ont augmenté la bande passante à 10 THz10. De plus, l'introduction de concepts tels que l'échantillonnage optique asynchrone (ASOPS)11,12,13, l'échantillonnage optique à commande électronique (ECOPS)14, l'échantillonnage optique par réglage de cavité (OSCAT)15 et l'échantillonnage optique à polarisation contrôlée par un seul laser (SLAPCOPS )16 a permis de construire des systèmes THz-TDS sans unité de retard optique mécanique (ODU). De tels systèmes ont tendance à être plus robustes mécaniquement et, plus important encore, à atteindre des taux de mise à jour spectrale allant jusqu'à 100 000 spectres par seconde12.

Ces améliorations ont permis quelques applications phares dans le domaine de l'industrie. Il s’agit notamment de la caractérisation du graphène17, de la peinture automobile18 et des essais non destructifs (CND) généraux19. Un examen complet des applications industrielles de la détection térahertz est présenté dans20. De nombreuses autres applications, notamment le contrôle qualité des graines de sucre21, l’analyse des huiles brutes22 et le contrôle qualité dans l’industrie du papier23, se sont avérées réalisables, mais n’ont pas encore réussi à passer des démonstrations en laboratoire au terrain. Malheureusement, le coût élevé des systèmes THz-TDS de pointe entrave encore leur déploiement à grande échelle, et leur taille et leur poids importants excluent les applications véritablement mobiles. Étant donné que le laser à fibre femtoseconde, malgré sa relative compacité, reste un contributeur majeur à la fois à la taille et au coût du système, de nombreux efforts ont été déployés pour trouver des sources lumineuses alternatives, de préférence à semi-conducteurs. Dans un premier travail juste avant le début du siècle, Tani et al.24 ont démontré la génération de larges spectres térahertz en pilotant une antenne photoconductrice avec une diode laser multimode (MMLD). Par la suite, Morikawa et al.25 ont montré l’utilisation de cette source en combinaison avec une mesure de puissance résolue en fréquence pour des applications spectroscopiques. Peu de temps après, ils ont fait la découverte révolutionnaire qu'un spectromètre temporel conventionnel utilisant un émetteur photoconducteur et un détecteur photoconducteur génère un photocourant périodique dans le domaine du retard26. Puisque la périodicité du photocourant est égale à l'inverse de l'espacement des modes du MMLD, ils l'ont attribué à la corrélation croisée de l'intensité lumineuse fluctuante et du signal térahertz incident au niveau du détecteur photoconducteur, inventant ainsi le terme « spectroscopie de corrélation croisée térahertz ». » (THz-CCS). Au cours des années suivantes, ce concept a été amélioré en passant d'une configuration optique en espace libre à une configuration couplée par fibre27 et en changeant la longueur d'onde d'excitation dans la bande de télécommunications de 1 550 nm28. Par intermittence, le concept a été rebaptisé « spectroscopie térahertz quasi-temporelle » (THz-QTDS) et un modèle mathématique amélioré a été développé29. Récemment, la bande passante du système a été augmentée en faisant fonctionner le MMLD avec un faible cycle de service30 et avec un retour optique dans le laser31, respectivement. Une variante du concept THz-CCS utilisant une diode superluminescente (SLD) comme source de lumière à semi-conducteur sans mode a été démontrée pour la première fois par Molter et al.32, puis étudiée plus en détail avec la mise en forme spectrale par Tybussek et al.33. La nature sans mode du SLD génère un spectre térahertz continu, de sorte que la résolution en fréquence du système n'est limitée que par la longueur de l'unité à retard optique (ODU). Un examen approfondi du THz-CCS est présenté dans34.