Highly-sensitive mid-infrared upconversion detection based on external-cavity pump enhancement

Resumen Técnico: Detección de conversión ascendente en el infrarrojo medio altamente sensible basada en la mejora de la bomba con cavidad externa

Planteamiento del Problema
La detección sensible en el infrarrojo medio (MIR) es crítica para aplicaciones que van desde la teledetección y la monitorización ambiental hasta el diagnóstico biomédico. Sin embargo, lograr una detección pasiva de alto rendimiento en el MIR sigue siendo un desafío. Los detectores comerciales basados en semiconductores (por ejemplo, HgCdTe, InSb) suelen sufrir de ruido oscuro elevado y velocidades de respuesta bajas, lo que resulta en niveles de potencia equivalente de ruido (NEP) alrededor de pW/Hz$^{1/2}$. Aunque la conversión ascendente de frecuencia ofrece una vía para la detección de alta sensibilidad a temperatura ambiente al transferir señales MIR al régimen visible/cercano al infrarrojo, los esquemas de onda continua (CW) existentes enfrentan una compensación: las configuraciones de paso único requieren altas potencias de bomba (decenas de vatios) para una conversión eficiente, mientras que los esquemas de mejora intracavidad a menudo sufren un aumento del ruido debido a la superposición espectral entre la bomba y la señal convertida, limitando el NEP al rango de decenas de fW/Hz$^{1/2}$.

Metodología
Los autores proponen e implementan un sistema de detección por conversión ascendente en el MIR que utiliza la mejora de la bomba con cavidad externa para superar las limitaciones de los requisitos de alta potencia y el ruido. La configuración experimental involucra tres etapas principales:

1. Generación de Señal MIR: Un láser de fibra dopada con Er (1550 nm) y un láser de fibra dopada con Yb (1064 nm), ambos de frecuencia única, se amplifican y combinan para impulsar la generación de diferencia de frecuencias (DFG) en un cristal de niobato de litio periódicamente polarizado (PPLN1) de 50 mm, produciendo una señal MIR de onda continua (CW) sintonizable a 3.4 µm.
2. Mejora de la Bomba con Cavidad Externa: El haz de bomba de 1064 nm se inyecta en una cavidad óptica de onda estacionaria de tipo lazo (bowtie) con una finura de aproximadamente 109. La cavidad se construye con cuatro espejos (dos planos, dos curvos) y alberga un cristal PPLN2 de 25 mm para la generación de suma de frecuencias (SFG). Un sistema de bloqueo digital basado en un circuito lógico programable de campo (FPGA) estabiliza la longitud de la cavidad mediante un actuador piezoeléctrico (PZT) utilizando una técnica de bloqueo por dither. Esta configuración desacopla la fuente de bomba de la cavidad de mejora, permitiendo el uso de láseres de fibra de frecuencia única, compactos y de bajo ruido.
3. Detección y Filtrado: La señal convertida (810 nm) se extrae, se filtra a través de un filtro espectral de múltiples etapas (filtros de muesca, paso largo, paso corto y paso banda) para suprimir la bomba de 1064 nm en ~190 dB, y se acopla a una fibra monomodo. La detección se realiza utilizando ya sea un módulo de conteo de fotones individuales (SPCM) o un contador de fotones de múltiples píxeles (MPPC) para extender el rango dinámico.

Contribuciones y Resultados Clave

• Mejora de la Bomba: La cavidad externa mejora con éxito la potencia de la bomba intracavidad en un factor de 36. Con una potencia de entrada de bomba de 1.53 W, la potencia circulante alcanza aproximadamente 55 W.
• Eficiencia de Conversión: En la potencia intracavidad máxima de 55 W, el sistema logra una eficiencia de conversión máxima del 22%. La eficiencia total de detección (incluyendo filtrado, acoplamiento a fibra y eficiencia cuántica del detector) es aproximadamente del 6.8%.
• Rendimiento de Ruido: El sistema logra una Potencia Equivalente de Ruido (NEP) tan baja como 0.3 fW/Hz$^{1/2}$. Esto representa una mejora de diez veces sobre los valores previamente reportados para detectores de conversión ascendente en el MIR bombeados con CW (que estaban típicamente en el rango de pW/Hz$^{1/2}$) y es significativamente menor que los esquemas intracavidad que sufren superposición espectral entre bomba y señal.
• Rango Dinámico: Mediante el uso de un contador de fotones de múltiples píxeles (MPPC) con capacidades de resolución del número de fotones, el rango dinámico de detección se extiende a 30 dB, una mejora de 15 dB sobre el rango de 15 dB de un SPCM de un solo píxel.
• Estabilidad: La unidad de bloqueo digital basada en FPGA permite la estabilización automática y capacidades de re-bloqueo rápido, asegurando una operación a largo plazo con fluctuaciones de potencia de bomba estimadas en solo ~1%.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que este esquema de mejora con cavidad externa aborda eficazmente los estrictos requisitos de potencia de la detección pasiva en el MIR mientras mantiene un ruido ultra bajo. Al separar la fuente de bomba de la cavidad de mejora, el sistema evita las dificultades de filtrado espectral inherentes a los esquemas intracavidad, logrando así un nivel de ruido de fondo que permite un NEP de 0.3 fW/Hz$^{1/2}$.

Los autores destacan que el uso de bombeo de frecuencia única es particularmente ventajoso para el mapeo espectral de alta fidelidad, haciendo que el sistema sea adecuado para espectroscopia de conversión ascendente en el MIR de alta precisión en escenarios "con escasez de fotones". La arquitectura se presenta como una plataforma versátil que puede adaptarse para la imagen y extenderse a longitudes de onda más largas (hasta 12 µm) mediante el uso de diferentes cristales no lineales (por ejemplo, BaGa$_4$Se$_7$ o AgGaS$_2$). El trabajo demuestra que combinar contadores de fotones de silicio de alto rendimiento con la mejora de la bomba con cavidad externa puede lograr una detección en el MIR altamente sensible a temperatura ambiente, adecuada para el análisis de trazas y la teledetección.