[논문 리뷰] Ultraviolet astronomical spectrograph calibration with laser frequency combs from nanophotonic lithium niobate waveguides

Markus Ludwig, Furkan Ayhan외 19명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 23.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 400 nm 이하의 자외선(UV) 범위에서 레이저 주파수 콤을 사용한 첫 번째 천문학적 스펙트로미터 캘리브레이션을 보여주며, 적층된 주기적으로 극성화된 리튬니오브산나이트 웨이브가이드를 통해 적외선 전기광학 콩이 고조파 콩 라인을 생성함으로써 달성되었다. 이 방법은 향후 세대의 UV 스펙트로미터에 대해 정밀하고 안정적인 캘리브레이션을 가능하게 하며, 우주의 팽창을 탐지하고 기본 상수를 시험하는 데 핵심적이다.

ABSTRACT

Astronomical precision spectroscopy underpins searches for life beyond Earth, direct observation of the expanding Universe and constraining the potential variability of physical constants across cosmological scales. Laser frequency combs can provide the critically required accurate and precise calibration to the astronomical spectrographs. For cosmological studies, extending the calibration with such astrocombs to the ultraviolet spectral range is highly desirable, however, strong material dispersion and large spectral separation from the established infrared laser oscillators have made this exceedingly challenging. Here, we demonstrate for the first time astronomical spectrograph calibrations with an astrocomb in the ultraviolet spectral range below 400 nm. This is accomplished via chip-integrated highly nonlinear photonics in periodically-poled, nano-fabricated lithium niobate waveguides in conjunction with a robust infrared electro-optic comb generator, as well as a chip-integrated microresonator comb. These results demonstrate a viable route towards astronomical precision spectroscopy in the ultraviolet and may contribute to unlocking the full potential of next generation ground- and future space-based astronomical instruments.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 천문학적 스펙트로미터를 위한 레이저 주파수 콩 캘리브레이션을 400 nm 이하의 자외선(UV) 스펙트럼 범위로 확장한다.
• 단파장에서 강한 재료의 분산과 낮은 비선형 효율성 문제를 통합된 나노광학 플랫폼을 통해 극복한다.
• 주기적으로 극성화된 리튬니오브산나이트 웨이브가이드에서 칩 통합 주파수 콩 생성을 통해 자외선 천문학적 콩 응용을 실현한다.
• 미래의 지상 및 근지구 기반 스펙트로미터의 라디얼 속도 측정 및 우주상수 안정성 시험을 위한 캘리브레이션을 가능하게 한다.

제안 방법

• 주파수 콩 생성을 위한 시드 소스로 고반복 주기(10 GHz) 전기광학 콩 생성기를 사용하였다.
• 주기적으로 극성화된 나노공정 리튬니오브산나이트 웨이브가이드를 활용하여 χ(2) 비선형성을 통해 제2, 제3, 제4조화 주파수를 생성하였다.
• 스펙트럼 커버리지와 안정성을 향상시키기 위해 UV 콩 출력을 마이크로공진기 기반 콩과 통합하였다.
• 전자선 리소그래피와 이온선 조각 기법을 사용하여 800 nm x-절단 리튬니오브산나이트 온 인슐레이터(LNOI) 기반 기판에서 칩 수준의 주파수 콩 생성을 수행하였다.
• 적외선 콩의 제2조화 주파수 생성(SHG)과 제3조화 주파수 생성(THG)을 통해 350 nm까지 연장된 UV 콩 출력을 달성하였다.
• UV 조사 테스트를 통해 성능을 검증하였으며, 12시간 동안 405 nm 조사(60 J 에너지) 후 전송에 대해 측정 가능한 열화가 없음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 통합 리튬니오브산나이트 웨이브가이드는 400 nm 이하의 자외선(UV) 범위에서 천문학적 캘리브레이션을 위한 안정적이고 광범위한 주파수 콩을 생성할 수 있는가?
• RQ2 주기적으로 극성화된 리튬니오브산나이트 웨이브가이드를 사용할 경우, 적외선에서 자외선 콩 라인으로의 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 재료의 분산과 비선형 효율성이 통합 광학 플랫폼에서 자외선 콩 생성을 어떻게 제한하는가?
• RQ4 UV 콩은 라디얼 속도 측정을 위해 10 cm/s 정밀도를 달성하기 위한 천문학적 스펙트로미터를 캘리브레이션하는 데 충분한 스펙트럼 해상도와 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 천문학적 콩 운영에 관련된 고강도 자외선 조사 조건에서 리튬니오브산나이트 웨이브가이드의 장기적 광안정성은 어떠한가?

주요 결과

• 400 nm 이하의 자외선(UV) 범위에서 레이저 주파수 콩을 사용한 첫 번째 천문학적 스펙트로미터 캘리브레이션을 실현하였다.
• 주기적으로 극성화된 리튬니오브산나이트 웨이브가이드에서 제4조화 주파수 생성(FHG) 변환 효율이 0.1%를 초과함을 달성하였다.
• 10 GHz 전기광학 콩에서 유도된 제2 및 제3조화 주파수 생성을 통해 350 nm까지 연장된 UV 콩을 생성하였다.
• UV 노출 조건에서 웨이브가이드의 광안정성을 확인하였으며, 12시간 동안 60 J의 405 nm 빛을 조사한 후에도 측정 가능한 열화가 없음을 입증하였다.
• 조화 주파수 생성을 겹쳐서 적용함으로써 UV 콩의 스펙트럼 넓이를 확장하여 스펙트로미터 캘리브레이션에 대한 확장된 커버리지를 확보하였다.
• 미래의 UV 스펙트로미터 임무, 예를 들어 ELT의 ANDES에 대비한 칩 통합 고반복 주기 주파수 콩의 실현 가능성을 검증하였다.