Instrumentação

Embora tenha revolucionado a espectroscopia THz, espectrômetros THz-TDS ainda apresentam uma desvantagem significativa: o fato de possuírem partes móveis. Para contornar este problema, uma técnica alternativa ao estágio de translação mecânico foi desenvolvida: a amostragem óptica assíncrona de alta velocidade (asynchronous optical sampling – ASOPS) [78,79].

Na Figura 18, é exibido um diagrama esquemático deste tipo de instrumento. A diferença crucial do sistema ASOPS para o THz-TDS convencional reside no fato de dois lasers de fs serem utilizados ao invés de apenas um. O atraso entre os dois lasers é controlado mantendo uma diferença fixa Δfrep entre suas taxas de repetição. Para isso, parte dos feixes de

cada laser é desviada para um fotodetector rápido que monitora a taxa de repetição de cada um deles, gerando um sinal de erro utilizado para retroalimentar um circuito de controle. A geração e detecção de radiação THz é idêntica àquela de um sistema THz-TDS convencional, podendo ser realizada pelos mesmos dispositivos (PCAs, cristais não-lineares, entre outros).

Uma das principais vantagens da tecnologia ASOPS em comparação com os espectrômetros convencionais é a altíssima velocidade de aquisição de dados que ele possibilita. A taxa de varredura é dada pelo inverso de Δfrep, uma vez que a cada intervalo de

tempo 1/ Δfrep, os pulsos de ambos os lasers apresentam atraso igual a zero entre si. Por

exemplo, se Δfrep = 1 kHz entre dois lasers para os quais frep = 100 MHz, os 10 ns entre cada

Figura 18: Diagrama simplificado do espectrômetro THz-TD com tecnologia ASOPS.

Na Figura 19, é apresentado um diagrama do espectrômetro THz-TDS ASOPS da Laser Quantum (HASSP THz), juntamente com uma fotografia do mesmo. Nota-se uma série de detalhes adicionais essenciais ao seu funcionamento, bem como componentes variáveis – isto é, que estão sempre presentes, mas que podem ser de tipos diferentes, como detectores, por exemplo – que foram omitidos no digrama genérico por clareza.

A primeira peça fundamental, cuja estabilidade assegura o bom funcionamento de todo o resto do equipamento, é o laser de bombeio. Neste caso, é utilizado um laser de Nd:YVO4

cuja frequência de emissão é dobrada por SHG para fornecer radiação em 532 nm. São gerados no total 10 W de potência, e eles são divididos igualmente por um divisor de feixe (BS) para bombear cada um dos osciladores de Ti:safira.

Figura 19: Espectrômetro THz-TDS ASOPS da Laser Quantum. Acima: diagrama esquemático indicando as partes principais; abaixo: fotografia de cima do instrumento real. 1) Laser de bombeio NdYVO4; 2) Lasers de Ti:safira; 3) detectores rápidos para monitoramento de frep; 4) espelhos de dispersão negativa; 5) trigger óptico; 6) PCA; 7) conjunto de espelhos

parabólicos; 8) amostra; 9) detecção eletro-óptica.

Os lasers de Ti:safira são constituídos por cavidades em anel com 6 espelhos cada, conforme a Figura 20. O cristal de Ti:safira é posicionado entre dois espelhos curvos, cuja distância regula a operação CW ou mode locking. O método utilizado para gerar o mode

locking neste laser é chamado de Kerr lens mode locking, pelo fato de estar baseado na

alteração do índice de refração no cristal pelo efeito Kerr. Uma vez gerado por uma perturbação aleatória na cavidade – bloqueio temporário do feixe, movimentação de algum

espelho –, o pulso será mantido pois o cristal irá comprimi-lo, minimizando a GVD introduzida pelos demais espelhos da cavidade.

Figura 20: Vista superior do par de lasers de Ti:safira (centro) com os diagramas de cada laser (laterais). A única diferença entre as duas cavidades é a presença de PZTs em dois espelhos

do escravo.

O espectro dos lasers de Ti:safira operando em mode locking é bem largo, cobrindo cerca de 400 nm, com máximo de emissão em 810 nm, e uma taxa de repetição (frep) de 1

GHz. Este valor alto de frep só é possível pois o controle de GVD na cavidade – necessário

para manutenção do mode locking – é realizado por meio do uso de chirped mirrors, ao invés de grades de difração ou prismas. Com isso, é possível reduzir o tamanho da cavidade e, consequentemente, aumentar frep.

No laser escravo, nota-se a presença de PZTs nos suportes de dois espelhos. A função deles é servir de atuadores do módulo de controle de taxa de repetição e permitir que Δfrep seja

mantido fixo em 2 kHz durante as medidas, o que significa que 1 espectro bruto pode ser adquirido a cada 500 µs. No entanto, um único espectro apresenta uma relação S/R ruim e, portanto, o mínimo utilizado para as medidas é a média de 1000 varreduras (maiores detalhes a respeito da aquisição de dados serão fornecidos na seção seguinte). A estabilidade de Δfrep é

crucial para que as varreduras sejam reprodutíveis, e por isso são utilizados dois PZTs – um para um ajuste lento, e outro rápido. O módulo é alimentado pela taxa de repetição medida nos dois fotodetectores e, a partir da diferença calculada, aplica tensões variáveis em cada PZT.

Embora as configurações de fábrica da cavidade tenham sido otimizadas para a operação mode locking, ajustes rotineiros devem ser efetuados, uma vez que o instrumento adquirido é ainda um protótipo. Os micrômetros dos posicionadores que precisam ser regulados periodicamente estão indexados na Figura 20, e a seguir suas funções serão detalhadas.

1) Translação do cristal de Ti:safira ao longo do plano perpendicular à propagação do feixe. Este micrômetro não afeta o alinhamento do laser; apenas muda a região do cristal utilizada. Isto é importante porque ao longo do tempo o cristal acumula material particulado do ar, e tais impurezas prejudicam a estabilidade da operação mode locking. Como as partículas tendem a se concentrar no ponto onde o laser incide por atração eletrostática, pequenos deslocamentos do cristal ao longo desse plano são suficientes para recuperar a estabilidade. Eventualmente, é necessário remover o cristal do suporte para limpá-lo por completo (a limpeza é realizada com lenços específicos para materiais ópticos e acetona ou metanol).

2) Distância entre o espelho curvo (E2) e o cristal. Esta é a distância que determina a predominância da operação mode locking sobre o modo CW. Assim, pequenas correções são necessárias quando se observa uma tendência a operar em modo CW mesmo quando o cristal está limpo.

3) Posição do espelho de saída. Este ajuste não altera em nada a estabilidade do laser, e serve exclusivamente para aumentar ou diminuir o tamanho da cavidade, visando modificar frep.

Uma vez estabelecida a operação mode locking, deve-se travar as taxas de repetição em 2 kHz antes de iniciar as medidas. Caso o módulo não consiga fazer esse ajuste de forma automática, o ajuste 3 deve ser realizado. Embora seja indiferente se feito no mestre ou escravo, em geral, convenciona-se alterar somente um dos dois.

Logo na saída de ambos os lasers, os feixes passam por um par adicional de chirped

mirrors, que tem a função de compressores de pulso. A duração dos pulsos, ao sair da

cavidade, é de cerca de 80 fs e é reduzida à 30 fs após os compressores. Como o instrumento é capaz de detectar uma ampla faixa espectral – o que corresponde a pulsos mais curtos –, tal compressão é necessária para que se faça proveito de toda sua potencialidade.

Outro módulo a ser destacado é o trigger óptico. Ele consiste em um detector de dois fótons – que funciona por geração por SHG e fornece um sinal proporcional à sobreposição espacial e temporal dos pulsos. Quando o atraso entre os pulsos dos lasers é zero, um sinal é gerado e uma nova varredura é iniciada. O estágio de translação colocado no caminho de um

dos feixes que é desviado para esse detector tem a função de variar o atraso, o que permite controlar o instante em que pulso THz é registrado. Isso é importante no caso de amostras muito espessas com alto índice de refração, que alterariam excessivamente a diferença temporal entre os dois feixes.

Para geração de radiação THz, uma PCA interdigitada de área larga é empregada. Cerca de 750 mW de potência são necessários para excitá-la, contrastando com valores mais baixos – em torno de 20 mW – empregados em PCAs convencionais. Em compensação, a potência emitida é de cerca de 1,5 mW, cerca de 1000 vezes superior aos valores conseguidos com antenas de dipolo [80]. Um conjunto de quatro espelhos parabólicos coleta a radiação, focalizando-a na amostra e conduzindo-a ao sistema de detecção eletro-óptica. Nesse caso, o cristal utilizado é o GaP, que permite detectar até 6 THz. Como a potência THz é alta o suficiente, não é necessário lançar mão da detecção balanceada comentada na seção 1.3.2, e apenas um dos feixes após o PBS é medido. Toda a câmara da amostra é purgada continuamente durante as medidas para remover o vapor d’água ambiente e evitar interferência.