[論文レビュー] Frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared

Feng Zhu, James Bounds+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、フェムト秒エrbium-dopedファイバーレーザー、スキャニング高ファイネスファイバー・キャビティ、およびInGaAsカメラを用いて、近赤外域における広帯域で高分解能かつ高感度な吸収測定を実現する周波数コンブバーニエル分光法を提示する。1枚の画像あたり0.5秒で、5 THzのスペクトル範囲、1.1 GHzの分解能、~8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/²の感度、アセチレンの検出限界は~70 ppbvを達成した。

ABSTRACT

We perform femtosecond frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared with a femtosecond Er doped fiber laser, a scanning high-finesse cavity and an InGaAs camera. By utilizing the properties of a frequency comb and a scanning high-finesse cavity such spectroscopy provides broad spectral bandwidth, high spectral resolution, and high detection sensitivity on a short time scale. We achieved an absorption sensitivity of ~8E-8 cm-1Hz-1/2 corresponding to a detection limit of ~70 ppbv for acetylene, with a resolution of ~1.1 GHz in single images taken in 0.5 seconds and covering a frequency range of ~5 THz. These measurements have broad applications for sensing other greenhouse gases in this fingerprint near IR region with a simple apparatus.

研究の動機と目的

• 近赤外域の特徴吸収領域における痕跡ガスを高感度で簡便に検出できるコンactな手法の開発を目的とする。
• 従来の分光法が抱えるスペクトル帯域幅、分解能、検出感度の制限を克服することを目的とする。
• 簡素な光学系を用いて、グリーンハウスガスの高速でリアルタイムモニタリングを可能とすることを目的とする。
• 二重周波数コンブと高ファイネスキャビティを活用して、スペクトル性能を向上させることを目的とする。

提案手法

• フェムト秒エルビウム-dopedファイバーレーザーを用いて、近赤外域に広帯域を有する周波数コンブを生成する。
• スキャニング高ファイネスキャビティを用いて、コンブラインを変調し、スペクトル分解能を向上させるバーニエ効果を生成する。
• 1回の取得で5 THz帯域にわたる透過スペクトルをInGaAsカメラで検出する。
• 固定周波数コンブと可変キャビティモードとの間のバーニエ効果を応用して、高分解能スペクトルフィルタリングを実現する。
• 高ファイネスキャビティを共鳴条件に基づきコンブラインを選択的に透過させる可変フィルタとして用いる。
• 分子吸収線に対応する透過ディップを測定することでスペクトル解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数コンブバーニエル分光法は、痕跡ガス検出において近赤外域で高感度かつ広帯域を実現できるか？
• RQ2 この方法を用いたコンパクトなセットアップで、達成可能なスペクトル分解能と検出限界は何か？
• RQ3 1枚のカメラ画像で、高分解能吸収スペクトルをどの程度の速さで取得できるか？
• RQ4 この手法は、近赤外域の特徴吸収領域に位置する他のグリーンハウスガスの検出に応用可能か？

主な発見

• システムは~8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/²の検出感度を達成し、アセチレンの検出限界は~70 ppbvに相当した。
• 1枚の0.5秒測定で、5 THzの周波数範囲にわたって~1.1 GHzの分解能が達成された。
• 簡素で全ファイバー構成のセットアップを用いて、高SNRの広帯域分光が可能となった。
• 周波数コンブとスキャニングキャビティとの間のバーニエ効果により、複雑な電子回路を必要としない効果的なスペクトルフィルタリングが実現された。
• アセチレンや他のグリーンハウスガスの近赤外域における痕跡ガスのリアルタイムモニタリングに適した手法であることが示された。