[논문 리뷰] Frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared

Feng Zhu, James Bounds외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 펌터세컨드 에르비움 Doppler 섬유 레이저, 스캐닝 고정밀도 공진기, InGaAs 카메라를 사용하여 가까운 적외선 영역에서 광범위하고 고해상도이며 고감도의 흡수 측정을 실현한 주파수 콤 버니어 분광법을 제시한다. 이는 각 이미지당 0.5초 내에 5 THz 스펙트럼 범위에서 약 1.1 GHz 해상도와 약 8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/² 감도로 아세틸렌에 대해 약 70 ppbv의 감지 한계를 달성한다.

ABSTRACT

We perform femtosecond frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared with a femtosecond Er doped fiber laser, a scanning high-finesse cavity and an InGaAs camera. By utilizing the properties of a frequency comb and a scanning high-finesse cavity such spectroscopy provides broad spectral bandwidth, high spectral resolution, and high detection sensitivity on a short time scale. We achieved an absorption sensitivity of ~8E-8 cm-1Hz-1/2 corresponding to a detection limit of ~70 ppbv for acetylene, with a resolution of ~1.1 GHz in single images taken in 0.5 seconds and covering a frequency range of ~5 THz. These measurements have broad applications for sensing other greenhouse gases in this fingerprint near IR region with a simple apparatus.

연구 동기 및 목표

• 가까운 적외선 영역의 희귀 기체를 감지하기 위한 컴팩트하고 고감도의 방법을 개발하기 위해.
• 기존 분광법의 스펙트럼 대역폭, 해상도 및 감지 감도의 한계를 극복하기 위해.
• 간단한 광학 구조를 통해 Greenhouse 기체의 실시간 빠른 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 이중 주파수 콤과 고정밀도 공진기를 활용하여 스펙트럼 성능을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 가까운 적외선 영역에서 넓은 스펙트럼 커버리지가 가능한 주파수 콤을 생성하기 위해 펌터세컨드 에르비움 Doppler 섬유 레이저를 사용한다.
• 주파수 콩의 선들을 조절하고 버니어 효과를 만들어내기 위해 스캐닝 고정밀도 공진기를 활용하여 스펙트럼 해상도를 향상시킨다.
• 단일 촬영으로 5 THz 대역폭에 걸쳐 전달 스펙트럼을 감지하기 위해 InGaAs 카메라를 사용한다.
• 고정 주파수 콤과 조절 가능한 공진기 모드 사이의 버니어 효과를 적용하여 고해상도 스펙트럼 필터링을 실현한다.
• 공진 조건에 따라 주파수 콩의 선들을 선택적으로 통과시키는 가변 필터로 고정밀도 공진기를 사용한다.
• 분자 흡수 선에 해당하는 전달 도프트를 측정하여 스펙트럼 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 콤 버니어 분광법은 희귀 기체 감지에 있어 광범위한 대역폭과 고감도를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 컴팩트한 구조로 사용할 경우 도달 가능한 스펙트럼 해상도와 감지 한계는 무엇인가?
• RQ3 단일 카메라 이미지로 고해상도 흡수 스펙트럼을 얼마나 빠르게 획득할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 가까운 적외선 영역의 다른 온실가스 감지에 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 약 8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/²의 감지 감도를 달성하여 아세틸렌에 대해 약 70 ppbv의 감지 한계를 확보하였다.
• 단일 0.5초 측정으로 5 THz 주파수 범위에서 약 1.1 GHz의 스펙트럼 해상도를 확보하였다.
• 간단한 전체 섬유 기반 구조를 통해 고신호 대비 잡음 비율을 확보한 광범위한 분광법을 실현하였다.
• 주파수 콩과 스캐닝 공진기 사이의 버니어 효과는 복잡한 전자 회로 없이도 효과적인 스펙트럼 필터링을 가능하게 하였다.
• 이 기술은 아세틸렌과 같은 희귀 기체 및 가까운 적외선 영역의 다른 온실가스에 대한 실시간 감지에 적합하다.