[論文レビュー] Widely-tunable mid-IR frequency comb source based on difference frequency generation

Axel Ruehl, Alessio Gambetta+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、151 MHzのYb:ファイバー周波数コンブをポンプ源とし、スルーレイクコアファイバーからのラマンシフトされたソリトンをシード源として用いることで、ガリウムサルファイド（GaSe）結晶における差周波数生成を介して、3–10 μmにわたる広帯域で周波数を連続的に調整可能な中赤外周波数コンブ光源を提案する。このシステムは、4.7 μmで最大1.5 mWの平均出力パワーを達成し、分子の指紋領域をカバーする広帯域スペクトルを提供する。

ABSTRACT

We report on a mid-infrared frequency comb source of unprecedented tunability covering the entire 3-10 μm molecular fingerprint region. The system is based on difference frequency generation in a GaSe crystal pumped by a 151 MHz Yb:fiber frequency comb. The process was seeded with Raman shifted solitons generated in a highly nonlinear suspended-core fiber with the same source. Average powers up to 1.5 mW were achieved at 4.7 μm wavelength.

研究の動機と目的

• 分子の指紋領域（3–10 μm）にわたる広帯域で周波数を連続的に調整可能な中赤外周波数コンブ光源の開発。
• 高いスペクトル輝度と広帯域カバーを要する実用的な中赤外分光法の応用を可能にする。
• 周波数コンブ技術と差周波数生成を組み合わせることで、既存の中赤外光源の限界を克服する。
• 広帯域チューナビリティとコherエンスを維持しつつ、中赤外域で高い平均出力パワーを達成する。

提案手法

• 151 MHzのYb:ファイバー周波数コンブが、GaSe結晶における差周波数生成のポンプ源として機能する。
• 高非線形性を示すスルーレイクコアファイバー内で生成されたラマンシフトされたソリトンが、差周波数生成プロセスをシードする。
• GaSe結晶は、3–10 μm範囲で広帯域の透過性と高い非線形性を示すため、効率的な中赤外生成に適している。
• ポンプ源およびシード源のコンブ特性を活用することで、中赤外域にコherンスのある周波数コンブを生成する。
• 目的とするスペクトル帯域全体にわたる差周波数生成のため、GaSe結晶内の位相一致を最適化する。
• ポンプおよびシードの強度とファイバーの非線形性を精密に制御することで、出力パワーのスケーリングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 差周波数生成を用いて、3–10 μmの分子の指紋領域全体にわたる中赤外周波数コンブを生成できるか？
• RQ2 ファイバー駆動のポンプ源を用いたこの手法で、中赤外域で達成可能な最大平均出力パワーは何か？
• RQ3 ラマンシフトされたソリトンをシード源として用いることで、周波数コンブの効率とスペクトルカバー範囲はどのように向上するか？
• RQ4 GaSeを用いた差周波数生成において、出力パワーとチューナビリティの実用的限界は何か？
• RQ5 コンactなファイバー統合型システムが、広帯域で周波数を連続的に調整可能で、コherンスのある中赤外周波数コンブを生成できるか？

主な発見

• システムは、3–10 μmの全スペクトル範囲にわたって連続的にチューナブルな中赤外周波数コンブを実現した。
• 4.7 μmの波長で、ピーク平均出力パワーが1.5 mWに達した。
• ラマンシフトされたソリトンをシード源として用いることで、効率的で広帯域の差周波数生成が可能になった。
• GaSe結晶は、高い非線形性と透過性のおかげで、目的とする中赤外帯域全体での効率的な周波数変換を可能にした。
• コherンスのある中赤外周波数コンブ動作が実証され、実世界の分光法応用への応用が期待できる。
• 本手法により、コンパクトでファイバー駆動型の光源が実現され、高いスペクトル輝度と広帯域チューナビリティを兼ね備えた。