Sintesi thz per conversione di frequenza ottica
Nel quadro della spettroscopia THz, lo studio di transizioni fini richiede l’uso di sorgenti monocromatiche accordabili. Una proprietà chiave, utile in molti esperimenti, è la conoscenza della radiazione THz generata con grande accuratezza. Il panorama odierno della generazione THz in continua comprende essenzialmente: i) la moltiplicazione in frequenza di sorgenti microonde; ii) l’unica sorgente THz compatta e potente attualmente disponibile, il laser a cascata quantica (QCL); iii) la conversione di frequenza a partire da una coppia di laser nel vicino infrarosso. Il primo approccio, tuttavia, è efficiente solo nella gamma di frequenze al di sotto di 1 THz, mentre i QCL THz funzionano ancora oggi solo a temperature criogeniche (<200K). La conversione di frequenza si presenta invece, al momento, come lo schema di generazione THz più flessibile, adatto alla spettroscopia ad alta risoluzione in tutto lo spettro THz (0.1-10 THz, 3 mm-30 μm).
Fino ad oggi, la conversione di frequenza è stata realizzata principalmente per mezzo di dispositivi optoelettronici (photomixers), nei quali la radiazione THz è generata in un substrato semiconduttore dal battimento fra due laser nel vicino infrarosso in continua. Per quanto riguarda la conoscenza della frequenza THz generata, il photomixing si è avvalso dell’uso dei pettini di frequenza, uno strumento che permette di stabilire un link coerente ultra stabile tra il dominio delle frequenze ottiche e quello delle radiofrequenze. Agganciando i due laser a due denti del pettine, la radiazione THz generata può esser così riferita facilmente ad uno standard di frequenza nelle microonde, dando accesso in tal modo alla sintesi di frequenze THz. La potenza THz generata attraverso il photomixing può arrivare anche a 100 μW, al di sotto di 1 THz, ma diminuisce rapidamente a frequenze maggiori, a causa della banda ottica intrinsecamente limitata del photomixer.
La nostra strategia per lo sviluppo di una sorgente THz efficiente ed accordabile si basa sulla conversione di frequenza ottica a partire da due laser in CW iniettati in un cristallo nonlineare, attraverso un processo di generazione di frequenza differenza in accordo di fase. Analogamente a quanto già dimostrato per il photomixing, la frequenza THz così generata può essere riferita ad uno standarddi frequenza microonde grazie ad un pettine di frequenza, ottenendo così la sintesi THz. In virtù della banda larga degli odierni pettini di frequenza e della risposta quasi istantanea dei mezzi ottici nonlineari, un tale sintetizzatore può potenzialmente coprire per interi lo spettro THz, l’unico limite essendo la regione di trasparenza del cristallo nonlineare utilizzato.