Инфракрасный (ИК) диапазон длин волн представляет собой область значительного интереса для метрологии, поскольку ряд молекул демонстрирует характерные полосы поглощения именно в этом диапазоне. Однако детекторы, работающие в этом диапазоне, ограничены высоким шумом и требуют охлаждения для улучшения отношения сигнал/шум, что увеличивает стоимость и снижает общую чувствительность приборов.
В проекте предлагается альтернативный подход к ИК-измерениям, основанный на использовании квантовой интерференции коррелированных пар фотонов, возникающих при спонтанном параметрическом рассеянии (СПР) в двух идентичных нелинейных кристаллах. В невырожденном режиме генерации СПР один из фотонов пары (холостой) находится в ИК-диапазоне, тогда как другой (сигнальный) – в видимом. Благодаря корреляциям между фотонами регистрация интерференции сигнальных фотонов в видимом диапазоне позволяет извлекать информацию о свойствах образца в среднем ИК-диапазоне, исключая необходимость в шумных ИК-детекторах и используя вместо них высокоэффективные кремниевые фотоприёмники.
В одной из работ проекта был рассчитан режим генерации СПР в квантовой интерферометрии с использованием кристалла ниобата лития (LiNb) [1]. Благодаря фазовому согласованию в этом кристалле удалось обеспечить зондирование газов в среднем ИК-диапазоне (4-6 мкм) при регистрации видимого света (585–615 нм). Было продемонстрировано обнаружение оксида азота и углекислого газа, полосы поглощения которых находятся в области 4,5 мкм и 4,3 мкм соответственно. Широкий спектральный охват метода позволяет одновременно выявлять несколько газов с высокой скоростью и спектральным разрешением, что делает его перспективным для применения в экологическом мониторинге.
Дальнейшее развитие квантовой интерферометрии требует расширения в область диапазона «отпечатков пальцев» (6–12 мкм). Ранее в этих диапазонах применялись кристаллы тиогаллата серебра (AGS), обладающие значительно меньшей эффективностью нелинейного преобразования по сравнению с LiNb. Это обусловило необходимость поиска более подходящих нелинейных материалов. В нашей работе [2] был проведён сравнительный анализ нелинейных кристаллов с учётом их прозрачности, величины нелинейных коэффициентов и условий фазового согласования. По результатам исследования кристаллы HGS, BGGS и BGGSe были идентифицированы как более эффективные по сравнению с AGS. Их применение позволяет повысить отношение сигнал/шум и приблизить реализацию квантовой интерферометрии в диапазоне 6–12 мкм.
В результате, предложенная методика позволяет проводить химическое картирование образов и потенциально может быть использована в медицинской диагностике и химическом анализе. Благодаря высокой чувствительности и спектральной избирательности, технология актуальна для задач неинвазивного выявления биомаркеров, мониторинга состава воздуха, а также анализа сложных многокомпонентных смесей.
[1] А. Sabanin et al, Laser Phys. Lett. 22, 015203 (2024)
[2] A. Sabanin et al, Laser Phys. Lett. 22, 015205 (2024)
Цель проекта:
Преодоление ограничений традиционных методов ИК-спектроскопии, связанных с высоким фоновым шумом ИК-детекторов, необходимости их охлаждения для увеличения отношения сигнал/шум, низкой чувствительностью и высокой стоимостью за счет технологии квантовой интерферометрии.
Задачи проекта:
- Выполнение расчета дизайна (формы и ориентации) и режимов генерации спонтанного параметрического рассеяния (далее – СПР) в новых нелинейных кристаллах с соединениями лития (Li) или серебра (Ag).
- Провести сборку и отладку экспериментальной установки для наблюдения генерации СПР в широком диапазоне длин волн (в интервале от 600 до 10 000 нм).
- Разработать дизайн вариантов установок для квантовой ИК-микроскопии.
- Собрать экспериментальную установку для квантовой ИК-микроскопии.
- Разработать и реализовать технологию квантовой микроскопии в дальнем ИК-диапазоне спектра.