[論文レビュー] Ultraviolet astronomical spectrograph calibration with laser frequency combs from nanophotonic lithium niobate waveguides

Markus Ludwig, Furkan Ayhan+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、赤外線の電気光学的周波数コンブから高調波コンブラインを生成するチャネル内に周期的ポーラリティを持つリン酸リチウムナノ波ガイドを統合した半導体チップを用いて、400 nm未満の紫外線（UV）波長域で、初めての天文学的分光計校正を実現した。この手法により、次世代のUV分光計における高精度で安定した校正が可能となり、宇宙の膨張の検出や基本定数の検証に不可欠である。

ABSTRACT

Astronomical precision spectroscopy underpins searches for life beyond Earth, direct observation of the expanding Universe and constraining the potential variability of physical constants across cosmological scales. Laser frequency combs can provide the critically required accurate and precise calibration to the astronomical spectrographs. For cosmological studies, extending the calibration with such astrocombs to the ultraviolet spectral range is highly desirable, however, strong material dispersion and large spectral separation from the established infrared laser oscillators have made this exceedingly challenging. Here, we demonstrate for the first time astronomical spectrograph calibrations with an astrocomb in the ultraviolet spectral range below 400 nm. This is accomplished via chip-integrated highly nonlinear photonics in periodically-poled, nano-fabricated lithium niobate waveguides in conjunction with a robust infrared electro-optic comb generator, as well as a chip-integrated microresonator comb. These results demonstrate a viable route towards astronomical precision spectroscopy in the ultraviolet and may contribute to unlocking the full potential of next generation ground- and future space-based astronomical instruments.

研究の動機と目的

• 400 nm未満の紫外線（UV）波長域への周波数コンブ校正の応用を拡大し、高精度な天文学的分光計測に貢献すること。
• 短波長域における強い材料分散と低効率な非線形効率の課題を、統合ナノフォトニクスプラットフォームを用いて克服すること。
• 周期的ポーラリティを持つリン酸リチウムナノ波ガイドを用いたチップ統合型周波数コンブ生成を実証し、UVアストロコンブ用途に応用すること。
• 今後の地上および宇宙用分光計のラジアル速度測定および宇宙定数の安定性検証を目的とした校正を可能にすること。

提案手法

• 周波数コンブ生成のシード源として、高繰り返し周波数（10 GHz）の電気光学的コンブ発生器を用いた。
• 周期的ポーラリティを有するナノフォトニクス加工リン酸リチウム波ガイドを用い、χ(2)非線形性により2次、3次、4次高調波周波数を生成した。
• UVコンブ出力をマイクロレゾネータベースのコンブと統合し、スペクトルカバレッジと安定性を向上させた。
• 電子ビームリソグラフィーとイオンビームエッチングを用いて、800 nm x-切片リン酸リチウムオブインシュレータ（LNOI）基板上でのチップスケール周波数コンブ生成を実現した。
• 10 GHzの電気光学的コンブからの2次高調波生成（SHG）および3次高調波生成（THG）により、350 nmまで延長されたUVコンブ出力を達成した。
• UV放射照射試験を通じて性能を検証し、405 nmの照射を12時間継続した後でも、透過率に顕著な低下が認められなかった（60 Jのエネルギー供給）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップ統合型リン酸リチウムナノ波ガイドは、400 nm未満の紫外線（UV）波長域で、安定的かつ広帯域の周波数コンブを生成可能か、天文学的校正に適しているか？
• RQ2 周期的ポーラリティを持つリン酸リチウムナノ波ガイドを用いた場合、赤外線から紫外線へのコンブラインへの変換効率はどの程度達成可能か？
• RQ3 材料の分散性と非線形効率の低さが、統合フォトニクスプラットフォームにおける紫外線コンブ生成をどのように制限するか？
• RQ4 UVコンブは、10 cm/sの精度でラジアル速度測定に使用可能な分光計を校正するのに十分なスペクトル分解能と安定性を維持できるか？
• RQ5 アストロコンブ運用に必要な高強度紫外線照射下において、リン酸リチウム波ガイドの長期的光安定性はどの程度か？

主な発見

• 400 nm未満の紫外線（UV）波長域で、初めての天文学的分光計校正を、周波数コンブを用いて実現した。
• 周期的ポーラリティを持つリン酸リチウムナノ波ガイドで、4次高調波生成（FHG）の変換効率が0.1%を超えた。
• 10 GHzの電気光学的コンブから出力された2次および3次高調波生成により、350 nmまで延長されたUVコンブを生成した。
• UV照射下でも波ガイドの光安定性が確認され、405 nmの光を12時間にわたり60 Jのエネルギーで照射した後でも、透過率に測定可能な低下が認められなかった。
• 高調波生成の重畳によりUVコンブのスペクトル拡張が達成され、分光計校正に向けた広帯域カバレッジが可能になった。
• 今後のELT望遠鏡搭載のANDESミッションに向けた、チップ統合型高繰り返し周波数周波数コンブの実用可能性が検証された。