[論文レビュー] Video-rate broadband longwave IR dual-comb spectroscopy with 240,000 comb-mode resolved data points

Sergey Vasilyev, Andrey Muraviev+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、2.4 μmで動作する3周期未満（20 fs）のCr:ZnSレーザー脈動を用いて、ZGP結晶内でのイントラパルス周波数差動生成（IDFG）により、高コherentlyで広帯域（6.6–11.4 μm）の周波数コンブを生成し、ビデオレートの広帯域長波長赤外（LWIR）デュアルコンブ分光法を実証した。このシステムは、低位相ノイズおよび低強度ノイズと7.5%のIDFG効率に起因する300 mWの1チャネルあたりの出力により、240,000モードのコンブモードを80 MHz間隔で解像し、SNR >300を達成し、1ス toward 12秒のリアルタイムスペクトル取得を実現した。

ABSTRACT

We report molecular detection using dual frequency-comb spectroscopy with highly coherent broadband (6.6-11.4 {\m}m) long-wavelength infrared (LWIR) combs. The combs were produced via intra-pulse difference frequency generation (IDFG) in ZGP crystals using sub-three-cycle (20 fs) driving pulses from mode-locked Cr:ZnS lasers at the central wavelength of 2.4 {\m}m). Real-time and up to video rate (0.1-12 s per spectrum) acquisition of molecular spectra with some 240,000 comb-mode-resolved data points spaced by 80 MHz and referenced to a Rb clock with a signal-to-noise ratio (SNR) >300 has been demonstrated. The key to achieving such a high rate of massive spectral data acquisition is a low phase and intensity noise of the LWIR combs and excellent mutual coherence. The high SNR was also facilitated by the high (7.5%) IDFG conversion efficiency resulting in an average LWIR comb power of 300 mW per channel.

研究の動機と目的

• 長波長赤外（LWIR）領域におけるリアルタイムで高速な分子分光法の実現を目的とする。
• 広帯域LWIRコンブにおけるスペクトル取得速度とデータ解像度の制限を克服することを目的とする。
• 6.6–11.4 μm範囲で高い信号対ノイズ比（SNR）とコンブモード解像度を達成することを目的とする。
• 大量のスペクトルデータポイントを有するリアルタイム能力を有するビデオレートのデータ取得（1ス toward 12秒/ス toward）を実証することを目的とする。
• 実用的でリアルタイムの分子検出を可能にする高コherentlyで低ノイズの周波数コンブを活用することを目的とする。

提案手法

• 広帯域LWIRコンブは亜鉛ケイ化ホスファイト（ZGP）結晶を用いたイントラパルス周波数差動生成（IDFG）により生成された。
• 2.4 μmでモードロックされたCr:ZnSレーザーから得られる3周期未満（20 fs）の駆動パルスを用いてIDFGを励起した。
• システムは7.5%のIDFG変換効率を達成し、1チャネルあたり300 mWの平均出力が得られた。
• スペクトルデータは80 MHzのモード間隔で取得され、高い安定性を確保するためルビジウム（Rb）クロックに同期された。
• コンブ間の相互コherentlyおよび低位相・低強度ノイズにより、高SNR（>300）とビデオレート動作が実現された。
• デュアルコンブ構成により、1ス toward あたり240,000のコンブモード解像データポイントを同時に測定できた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高スペクトル解像度と高い信号対ノイズ比を有するビデオレート広帯域LWIRデュアルコンブ分光法は実現可能か？
• RQ2 リアルタイム能力を有するLWIR範囲で、1ス toward あたり得られるコンブモード解像データポイントの最大数は何か？
• RQ3 ZGP結晶内でのイントラパルス周波数差動生成は、低ノイズで高出力の広帯域LWIRコンブをどのように実現するか？
• RQ4 コンブのコherently性および低位相ノイズは、リアルタイム分光法における高SNRをどの程度実現可能にするか？
• RQ5 3周期未満の駆動パルスを用いたIDFGにより、LWIRで1チャネルあたり300 mWの平均出力を達成できるか？

主な発見

• システムはビデオレートでのリアルタイムスペクトル取得を達成し、1ス toward 0.1～12秒のスペクトル取得時間となった。
• 1ス toward あたり合計240,000のコンブモード解像データポイントが取得され、80 MHz間隔で配置された。
• 信号対ノイズ比（SNR）は300を超えた。これは高いスペクトル忠実性を示している。
• 7.5%のIDFG変換効率に起因し、LWIRコンブの平均出力は1チャネルあたり300 mWに達した。
• コンブは低位相および低強度ノイズを示し、高相互コherently性と安定したスペクトル測定を可能にした。
• 20 fsの3周期未満の駆動パルスを用いたことで、6.6–11.4 μmの広帯域動作が実現した。