[論文レビュー] Massively parallel dual-comb molecular detection with subharmonic optical parametric oscillators

Viktor Smolski, Honglei Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2 μmで位相ロックされたテルミウムファイバーレーザー2台をポンプ源として用いるサブハーモニック光誘導的振動器（OPO）を用いた、位相整合で帯域が広い二重コム分光システムを提案する。このシステムにより、3.2–5.3 μm（1200 cm⁻¹）および1.85–2 μm（400 cm⁻¹）の範囲で分子の多重並列検出が可能となり、0.01–0.07 cm⁻¹のスペクトル分解能を達成し、数秒で最大160,000分解能要素を取得する。これにより、従来の中赤外線（mid-IR）二重コム生成における制限を克服した。

ABSTRACT

Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy offers unparalleled sensitivity for the detection of trace gases, solids and liquids, which is based on the existence of strong telltale vibrational bands in this part of the spectrum. It was shown more than a decade ago that a dual-comb Fourier spectroscopy could provide superior spectral coverage combined with high resolution and extremely fast data acquisition. Capabilities of this method were limited because of difficulty of producing twins of mutually coherent frequency combs in the mid- IR. Here we report a phase-coherent and broadband dual-comb system that is based on a pair of subharmonic (frequency-divide-by-two) optical parametric oscillators, pumped in turn by two phase-locked thulium fiber lasers at 2-micron wavelength. We demonstrate simultaneous detection of multiple molecular species in the whole band of 3.2-5.3 microns (frequency span 1200 cm^{-1}) augmented by the pump laser band of 1.85-2 microns (span 400 cm^{-1}), with spectral resolution 0.01-0.07 cm^{-1} and acquisition speed of up to 160,000 resolution elements in few seconds.

研究の動機と目的

• 中赤外線（mid-IR）における位相整合で帯域が広い周波数コムを生成する課題を克服し、高感度な分子検出を実現すること。
• 広い中赤外線スペクトル範囲にわたり、複数の分子種を同時に多重並列で検出できること。
• 従来の二重コムシステムの制限を超えて、高スペクトル分解能と高速な取得速度を同時に達成すること。
• サブハーモニック光誘導的振動器を用いたスケーラブルで実用的な中赤外線二重コム分光法の実現

提案手法

• システムは、2 μmで位相ロックされたテルミウムファイバーレーザー2台を、2つのサブハーモニック光誘導的振動器（OPO）のポンプ源として用いる。
• 各OPOはポンプ光をダウンコンvertingし、中赤外線帯域（3.2–5.3 μm）で互いに位相整合された周波数コムを生成する。
• OPOは共通の基準を介して位相ロックされ、二重コム干渉計測定に必要な2つのコム間の位相整合を保証する。
• システムは1つの広帯域中赤外線光源と1つの検出器を用いて干渉縞を記録し、並列スペクトル取得を実現する。
• スペクトル分解能は2つのコム間の繰返し周波数差に依存し、0.01–0.07 cm⁻¹の値が達成された。
• この手法により、高い繰返し周波数と広いスペクトルカバー範囲を活かし、数秒で最大160,000分解能要素を取得できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブハーモニック光誘導的振動器は、二重コム分光に適した位相整合で帯域が広い中赤外線周波数コムを生成できるか？
• RQ2 本システムは、中赤外線で1200 cm⁻¹以上の広帯域カバー範囲（≥1200 cm⁻¹）を維持しながら、0.07 cm⁻¹以下の高スペクトル分解能（≤0.07 cm⁻¹）を達成できるか？
• RQ3 本システムは、広い中赤外線帯域で複数の分子種を同時に高速度で検出できるか？
• RQ4 位相ロックされた2 μmファイバーレーザーをOPOのポンプ源として用いることで、スケーラブルで高性能な中赤外線二重コム検出が可能か？
• RQ5 本システムは、従来の二重コムシステムを凌駆するスペクトル分解能と取得速度を備えた、リアルタイムで多重並列の分子検出が可能か？

主な発見

• システムは合計で1600 cm⁻¹のスペクトルカバー範囲を達成し、1.85–2 μm（400 cm⁻¹）および3.2–5.3 μm（1200 cm⁻¹）をカバーし、広範な分子検出を可能にした。
• 0.01–0.07 cm⁻¹のスペクトル分解能が達成され、分子の特徴的な吸収帯の高精度な同定が可能となった。
• 数秒で最大160,000分解能要素が取得された。これは極めて高速なデータ取得を示している。
• 二重コムシステムは、2つのOPOが生成するコム間の位相整合を示し、高精度な干渉計測定を可能にした。
• 複数の分子種が全3.2–5.3 μm帯域にわたり同時に検出された。これは、システムが並列分光法に適していることを確認した。
• サブハーモニックOPOの使用により、複雑な非線形結晶や外部安定化を必要とせず、効率的かつ広帯域の中赤外線コム生成が実現された。