[論文レビュー] On-the-fly precision spectroscopy with a dual-modulated tunable diode laser and Hz-level referencing to a cavity

Shuangyou Zhang, Toby Bi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、11 THzの範囲で1 THz/sのスキャン速度で15 Hz未満の周波数安定性を達成する、ファイバーキャビティに参照された二重変調型可変波長半導体レーザーを用いた、リアルタイムでの精度の高いスペクトロスコピー手法を提案する。この技術により、周波数補正と即時のスキャン速度追跡が可能となり、従来の半導体レーザー分光法と比較して、精度が2桁以上向上する。

ABSTRACT

Advances in high-resolution laser spectroscopy have enabled many scientific breakthroughs in physics, chemistry, biology and astronomy. Optical frequency combs have pushed measurement limits with ultrahigh-frequency accuracy and fast-measurement speed while tunable diode laser spectroscopy is used in scenarios that require high power and continuous spectral coverage. Despite these advantages of tunable diode laser spectroscopy, it is challenging to precisely determine the instantaneous frequency of the laser because of fluctuations in the scan speed. Here we demonstrate a simple spectroscopy scheme with a frequency modulated diode laser that references the diode laser on-the-fly to a fiber cavity with sub-15 Hz frequency precision over an 11-THz range at a measurement speed of 1 THz/s. This is an improvement of more than two orders of magnitude compared to existing diode laser spectroscopy methods. Our scheme provides precise frequency calibration markers while simultaneously tracking the instantaneous scan speed of the laser. We demonstrate several applications, including dispersion measurement of an ultra-high-Q microresonator and spectroscopy of an HF gas cell, which can be used for absolute frequency referencing of the tunable diode laser. The simplicity, robustness and low costs of this spectroscopy scheme could prove extremely valuable for out-of-the-lab applications like LIDAR, gas spectroscopy and environmental monitoring.

研究の動機と目的

• スキャン速度の変動により、可変波長半導体レーザー分光法における即時の周波数の正確な決定が困難であるという課題を克服すること。
• リアルタイムの周波数補正を実現する低コストで耐障害性に富み、コンactな方法の開発。
• 広い11-THzの調整範囲にわたり、15 Hz未満の周波数参照精度を達成すること。
• ガスセンシングやLIDARなどの応用分野において、絶対周波数参照を可能とすること。

提案手法

• 可変波長レーザーに二重変調方式を適用：一方の変調はサイドバンドの生成に、もう一方は周波数スキャン制御に使用。
• 11 THzの範囲で15 Hz未満の安定性を示す高フィネス比ファイバーキャビティに、周波数をリアルタイムで参照。
• レーザーと安定化された基準レーザーのビートノートを検出し、スキャン速度の変動を補正に使用。
• フィードバックループにより、レーザー周波数をキャビティモードにロックし、調整中も継続的な補正を可能に。
• 二重変調技術により、レーザーの即時の周波数とスキャン速度を同時に測定可能。
• シンプルな光学構成と標準部品を用いるため、耐障害性が向上し、コストが低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変波長半導体レーザー分光法において、急速なレーザースキャン中にリアルタイムで15 Hz未満の周波数参照が達成可能か。
• RQ2 二重変調が、レーザー周波数とスキャン速度の両方を同時に追跡する仕組みをどのように実現するか。
• RQ3 ファイバーキャビティにリアルタイムで参照されたレーザー系の周波数安定性と調整範囲は、どの程度達成可能か。
• RQ4 この手法により、ガスセンシングや環境モニタリングなどの応用分野で絶対周波数補正が可能になるか。
• RQ5 従来の半導体レーザー分光法と比較して、このアプローチが精度をどの程度向上させるか。

主な発見

• 本システムは、1 THz/sのスキャン速度で11 THzの調整範囲にわたり、15 Hz未満の周波数参照精度を達成した。
• 従来の半導体レーザー分光法と比較して、周波数精度が2桁以上向上した。
• 本技術により、高精度な即時のレーザーのスキャン速度追跡が可能となった。
• 超高Qファイバー共振器の分散を高精度に測定する応用に成功した。
• HFガスセル分光法において絶対周波数参照が実証され、トレーサブルな周波数測定が可能となった。
• 構成のシンプルさ、耐障害性、低コスト性から、LIDARや環境モニタリングなどの現場応用に適した。