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

Riepilogo Tecnico: Rilevamento di upconversion nel medio infrarosso ad alta sensibilità basato su potenziamento della pompa a cavità esterna

Enunciato del Problema
Il rilevamento sensibile nel medio infrarosso (MIR) è fondamentale per applicazioni che vanno dal telerilevamento e il monitoraggio ambientale alla diagnosi biomedica. Tuttavia, ottenere un rilevamento MIR passivo ad alte prestazioni rimane una sfida. I rivelatori commerciali basati su semiconduttori (ad es. HgCdTe, InSb) soffrono tipicamente di elevato rumore di buio e basse velocità di risposta, risultando in livelli di potenza equivalente al rumore (NEP) intorno a pW/Hz$^{1/2}$. Sebbene l'upconversion di frequenza offra una via per il rilevamento ad alta sensibilità a temperatura ambiente trasferendo i segnali MIR nel regime visibile/near-infrared, gli schemi a onda continua (CW) esistenti presentano un compromesso: le configurazioni a passaggio singolo richiedono elevate potenze di pompa (decine di watt) per una conversione efficiente, mentre gli schemi di potenziamento intra-cavità soffrono spesso di un aumento del rumore dovuto alla sovrapposizione spettrale tra la pompa e il segnale upconvertito, limitando il NEP all'intervallo di decine di fW/Hz$^{1/2}$.

Metodologia
Gli autori propongono e implementano un sistema di rilevamento MIR basato su upconversion che utilizza il potenziamento della pompa a cavità esterna per superare le limitazioni legate all'elevata richiesta di potenza e al rumore. La configurazione sperimentale coinvolge tre fasi principali:

1. Generazione del Segnale MIR: Un laser a fibra drogata con Er (1550 nm) a frequenza singola e un laser a fibra drogata con Yb (1064 nm) vengono amplificati e combinati per guidare la generazione di differenza di frequenza (DFG) in un cristallo di niobato di litio periodicamente polarizzato (PPLN1) da 50 mm, producendo un segnale MIR CW sintonizzabile a 3,4 µm.
2. Potenziamento della Pompa a Cavità Esterna: Il fascio di pompa a 1064 nm viene iniettato in una cavità ottica a onda stazionaria di tipo bowtie con una finesse di circa 109. La cavità è costruita con quattro specchi (due piani, due curvi) e ospita un cristallo PPLN2 da 25 mm per la generazione di somma di frequenza (SFG). Un sistema di blocco digitale basato su un Field Programmable Gate Array (FPGA) stabilizza la lunghezza della cavità tramite un attuatore piezoelettrico (PZT) utilizzando una tecnica di dither-locking. Questa configurazione disaccoppia la sorgente di pompa dalla cavità di potenziamento, consentendo l'uso di laser a fibra a frequenza singola compatti e a basso rumore.
3. Rilevamento e Filtraggio: Il segnale upconvertito (810 nm) viene estratto, filtrato attraverso un filtro spettrale multistadio (filtri notch, passa-alto, passa-basso e passa-banda) per sopprimere la pompa a 1064 nm di ~190 dB, e accoppiato in una fibra monomodale. Il rilevamento viene eseguito utilizzando un modulo di conteggio dei singoli fotoni (SPCM) o un contatore di fotoni a più pixel (MPPC) per estendere la gamma dinamica.

Contributi Chiave e Risultati

• Potenziamento della Pompa: La cavità esterna potenzia con successo la potenza della pompa intra-cavità di un fattore di 36. Con una potenza di pompa in ingresso di 1,53 W, la potenza circolante raggiunge circa 55 W.
• Efficienza di Conversione: Alla potenza intra-cavità massima di 55 W, il sistema raggiunge un'efficienza di conversione massima del 22%. L'efficienza totale di rilevamento (inclusi filtraggio, accoppiamento in fibra ed efficienza quantica del rivelatore) è di circa il 6,8%.
• Prestazioni di Rumore: Il sistema raggiunge una Potenza Equivalente al Rumore (NEP) bassa quanto 0,3 fW/Hz$^{1/2}$. Ciò rappresenta un miglioramento di dieci volte rispetto ai valori precedentemente riportati per i rivelatori di upconversion MIR pompati in CW (che erano tipicamente nell'intervallo pW/Hz$^{1/2}$) ed è significativamente inferiore rispetto agli schemi intra-cavità che soffrono di sovrapposizione spettrale pompa-segnale.
• Gamma Dinamica: Utilizzando un contatore di fotoni a più pixel (MPPC) con capacità di risoluzione del numero di fotoni, la gamma dinamica di rilevamento viene estesa a 30 dB, un miglioramento di 15 dB rispetto alla gamma di 15 dB di un SPCM a singolo pixel.
• Stabilità: L'unità di blocco digitale basata su FPGA abilita la stabilizzazione automatica e capacità di ri-blocco rapide, garantendo un'operazione a lungo termine con fluttuazioni della potenza di pompa stimate solo all'1% circa.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma che questo schema di potenziamento a cavità esterna affronta efficacemente i rigorosi requisiti di potenza del rilevamento MIR passivo mantenendo un rumore ultra-basso. Separando la sorgente di pompa dalla cavità di potenziamento, il sistema evita le difficoltà di filtraggio spettrale intrinseche agli schemi intra-cavità, raggiungendo così un livello di rumore di fondo che consente un NEP di 0,3 fW/Hz$^{1/2}$.

Gli autori evidenziano che l'uso di pompa a frequenza singola è particolarmente vantaggioso per la mappatura spettrale ad alta fedeltà, rendendo il sistema adatto alla spettroscopia di upconversion MIR ad alta precisione in scenari "privi di fotoni" (photon-starved). L'architettura è presentata come una piattaforma versatile che può essere adattata per l'imaging e estesa a lunghezze d'onda più lunghe (fino a 12 µm) utilizzando diversi cristalli non lineari (ad es. BaGa$_4$Se$_7$ o AgGaS$_2$). Il lavoro dimostra che la combinazione di contatori di fotoni al silicio ad alte prestazioni con il potenziamento della pompa a cavità esterna può realizzare un rilevamento MIR ad alta sensibilità a temperatura ambiente, adatto all'analisi di tracce e al telerilevamento.