[논문 리뷰] Frequency chirped Fourier-Transform spectroscopy

Sergej Markmann, Martin Frankié외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 26.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 선형 거울 이동 대신 연속적으로 회전하는 거울을 사용하여 스펙트럼 해상도와 시간 해상도를 분리함으로써, 0.5 cm⁻¹ 스펙트럼 해상도로 1밀리초 이내의 측정 속도를 구현하는 회전형 푸리에 변환 스펙트럼계를 제시한다. 이 시스템은 단일 양자 캐스케이드 레이저 주파수 군을 사용하여 도플러 시프트된 군을 두 번째 군으로 활용함으로써 밀리초 수준의 듀얼콤 스펙트럼계를 실현하며, 가시광선에서 테라헤르츠 주파수에 이르는 넓은 광역 스펙트럼 대역에서 FT 스펙트럼계의 재료적 이점인 자크비노, 펠레티, 콘스 이점을 유지한다.

ABSTRACT

Fast (sub-second) spectroscopy with high spectral resolution is of vital importance for revealing quantum chemistry kinetics of complex chemical and biological reactions. Fourier transform (FT) spectrometers can achieve high spectral resolution and operate at hundreds of ms time scales in rapid-scan mode. However, the linear translation of a scanning mirror imposes stringent time-resolution limitations to these systems, which makes simultaneous high spectral and temporal resolution impossible. Here, we demonstrate an FT spectrometer whose operational principle is based on continuous rotational, rather than linear, motion of the scanning mirror, decoupling the spectral resolution from the temporal one. This enables 0.5 cm${}^{-1}$ resolution on sub-ms time scales. Furthermore, we show that such rotational FT spectrometers can perform dual-comb spectroscopy with a single comb source, since the Doppler-shifted version of the comb serves as the second comb. In this way, we combine the advantages of dual-comb and FT spectroscopy using a single quantum cascade laser frequency comb as a light source. Our technique does not require any diffractive or dispersive optical elements and hence preserve the Jacquinot's-, Fellgett's-, and Connes'-advantages of FT spectrometers. The system supports a large optical bandwidth from visible to THz frequencies. The combination of a rotational delay line with collimated coherent or non-coherent light sources pave the way for FT spectrometers in applications where high speed, large optical bandwidth, and high spectral resolution are desired.

연구 동기 및 목표

• 기존 선형 스캔 푸리에 변환 스펙트럼계에서 시간 해상도와 스펙트럼 해상도 사이의 근본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 빠른 화학적 및 생물학적 반응의 실시간 모니터링에 적합한 고속·고해상도 스펙트럼계를 구현하기 위해.
• 도플러 시프트된 군을 두 번째 군으로 활용함으로써 단일 주파수 군 소스를 사용하여 듀얼콤 스펙트럼계를 구현하기 위해.
• 분산 또는 회절 요소가 필요 없이 FT 스펙트럼계의 핵심 이점인 자크비노, 펠레티, 콘스 이점을 유지하기 위해.
• 가시광선에서 테라헤르츠 주파수까지 광역 스펙트럼 대역에서 일관성 있는 및 비일관성 있는 빛원천과 호환되는 컴act하고 광역 스펙트럼계를 개발하기 위해.

제안 방법

• 연속적으로 회전하는 거울이 광경로 차이를 조절하는 회전형 지연선(RDL)을 사용하여 주파수 끌림을 갖는 간섭무늬를 생성한다.
• 간섭무늬는 고속 광검출기로 측정되고, 푸리에 변환을 통해 스펙트럼을 복원한다.
• 회전하는 거울에 의해 유도된 도플러 시프트는 두 번째 효과적 주파수 군을 생성하여 단일 소스로 듀얼콤 스펙트럼계를 가능하게 한다.
• 광경로 차이는 회전 각도와 거울 형상에 의해 제어되며, 스펙트럼 해상도는 거울 크기와 반사 횟수에 의해 결정된다.
• GPU 기반 실시간 데이터 수집 시스템이 간섭무늬를 고속으로 처리하여 1밀리초 이내의 화면 레이트를 지원한다.
• 저압 메탄 선과 저정밀도 에탈론을 사용하여 시스템을 검증하였으며, 높은 스펙트럼 해상도와 시간 해상도를 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전 거울 메커니즘은 푸리에 변환 스펙트럼계에서 스펙트럼 해상도를 시간 해상도로부터 분리할 수 있는가?
• RQ2 도플러 시프트된 군이 두 번째 군으로 기능할 경우, 단일 주파수 군 소스로 듀얼콤 스펙트럼계를 구현할 수 있는가?
• RQ3 회전형 FT 스펙트럼계는 분산 또는 회절 요소 없이도 자크비노, 펠레티, 콘스 이점을 유지할 수 있는가?
• RQ4 양자 캐스케이드 레이저 주파수 군을 사용할 때, 회전형 지연선을 통해 달성 가능한 스펙트럼 해상도와 시간 해상도는 무엇인가?
• RQ5 시스템은 가시광선에서 테라헤르츠 주파수까지 넓은 스펙트럼 대역에서 고해상도와 고속도를 동시에 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 0.5 cm⁻¹ 스펙트럼 해상도와 1밀리초 이내의 측정 시간을 달성하여 빠른 동역학의 실시간 스펙트럼계를 가능하게 한다.
• 단일 양자 캐스케이드 레이저 주파수 군을 사용하여 도플러 시프트된 군을 두 번째 군으로 활용함으로써 밀리초 수준의 듀얼콤 스펙트럼계를 실현하였다.
• 회전형 지연선은 FT 스펙트럼계의 자크비노, 펠레티, 콘스 이점을 유지하며, 분산 또는 회절 요소가 필요 없음을 입증하였다.
• 스펙트럼 해상도와 시간 해상도가 분리되어 양쪽 모두에서 고해상도를 동시에 확보할 수 있으며, 이는 기존 선형 스캔 FT 스펙트럼계에서는 이룰 수 없는 것이다.
• 시스템은 가시광선에서 테라헤르츠 주파수까지 광역 스펙트럼 대역에서 작동 가능하며, 다중 소스 시간 multiplexing 또는 동시 작동을 통해 확장 가능성이 있다.
• 모터를 자기 레벨링된 것으로 교체함으로써 측정 속도를 30 kHz(스펙트럼당 33 µs)로 증가시켜 반응 모니터링 및 라인 내 분석 응용에 적합하게 하였다.