[논문 리뷰] Widely-tunable mid-IR frequency comb source based on difference frequency generation

Axel Ruehl, Alessio Gambetta외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 151 MHz Yb:섬유 주파수 콤과 흐르는 코어 섬유에서 생성된 라만 시프트 솔리톤으로 씌운 GaSe 결정에서의 차주파수 생성을 통해 3–10 μm 범위를 커버하는 광범위하게 조절 가능한 중적외선 주파수 콤 소스를 제시한다. 이 시스템은 4.7 μm에서 최대 1.5 mW의 평균 출력 전력에 이를 수 있으며, 분자의 지문 영역 응용을 위한 넓은 스펙트럼 커버리지를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 분자의 지문 영역(3–10 μm) 전체에 걸쳐 광범위한 스펙트럼 조절 가능성을 갖춘 중적외선 주파수 콤 소스를 개발하는 것.
• 높은 스펙트럼 빛의 밝기와 넓은 커버리지를 요구하는 실용적인 중적외선 분광법 응용을 가능하게 하는 것.
• 기존 중적외선 소스의 한계를 극복하기 위해 주파수 콤 기술과 차주파수 생성을 융합하는 것.
• 광범위한 조절 가능성과 일관성을 유지하면서도 중적외선에서 높은 평균 출력 전력을 달성하는 것.

제안 방법

• 151 MHz Yb:섬유 주파수 콤이 GaSe 결정에서의 차주파수 생성의 펌프 소스로 사용된다.
• 고비선형성 흐르는 코어 섬유에서 생성된 라만 시프트 솔리톤이 차주파수 과정을 씌우는 데 사용된다.
• GaSe 결정은 3–10 μm 범위에서 넓은 투과성과 높은 비선형성을 지녀 중적외선 생성에 효율적이다.
• 펌프 및 시드 소스의 주파수 콤 특성을 활용하여 중적외선에서 일관된 주파수 콤을 생성한다.
• 목표 스펙트럼 대역 전체에 걸쳐 GaSe 결정 내의 위상 일치를 최적화한다.
• 펌프 및 시드 강도와 섬유의 비선형성을 철저히 제어하여 출력 전력의 확장을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차주파수 생성을 통해 분자의 지문 영역 전체인 3–10 μm 범위에서 중적외선 주파수 콤을 생성할 수 있는가?
• RQ2 섬유 기반 펌프 소스를 사용한 이 접근법으로 중적외선에서 얻을 수 있는 최대 평균 출력 전력은 얼마인가?
• RQ3 라만 시프트 솔리톤을 시드 소스로 사용할 경우 주파수 콤의 효율성과 스펙트럼 커버리지가 어떻게 향상되는가?
• RQ4 GaSe를 사용한 차주파수 생성에서 출력과 조절 가능성에 대한 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ5 작고 섬유 통합된 시스템이 분광법에 적합한 광범위하게 조절 가능한 일관된 중적외선 주파수 콤을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 전체 3–10 μm 스펙트럼 범위에서 연속적인 조절 가능 중적외선 주파수 콤을 달성한다.
• 4.7 μm 파장에서 최대 평균 출력 전력 1.5 mW를 달성한다.
• 라만 시프트 솔리톤을 시드 소스로 사용함으로써 효율적이고 광범위한 차주파수 생성이 가능해진다.
• GaSe 결정은 높은 비선형성과 투과성 덕분에 목표 중적외선 대역 전체에서 효율적인 주파수 변환을 지원한다.
• 시스템은 실생활 분광 응용에 가능성이 있는 중적외선에서 일관된 주파수 콤 작동을 보여준다.
• 이 접근법은 높은 스펙트럼 빛의 밝기와 넓은 조절 가능성을 갖춘 작고 섬유 펌프 기반의 소스를 가능하게 한다.