[논문 리뷰] Video-rate broadband longwave IR dual-comb spectroscopy with 240,000 comb-mode resolved data points

Sergey Vasilyev, Andrey Muraviev외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2.4 μm에서 20 fs 이내의 서브-세 사이클(Cr:ZnS 레이저 펄스)을 사용하여 ZGP 결정에서 내부 펄스 차주파수 간섭을 통한 내재된 주파수 간섭(İDFG)을 통해 고도로 간섭성이고 넓은 대역폭(6.6–11.4 μm)의 주파수 콤을 생성함으로써, 영상 속도의 광역 적외선(LWIR) 이중 콤 분광법을 구현한다. 이 시스템은 최대 12초 동안 한 스펙트럼을 실시간으로 획득할 수 있으며, 80 MHz 간격으로 240,000개의 콤 모드를 해상하고 SNR >300를 달성한다. 이는 낮은 위상 및 강도 노이즈와 7.5%의 İDGF 효율성으로 인해 가능해졌으며, 이로 인해 콤 채널당 300 mW의 출력이 가능하다.

ABSTRACT

We report molecular detection using dual frequency-comb spectroscopy with highly coherent broadband (6.6-11.4 {\m}m) long-wavelength infrared (LWIR) combs. The combs were produced via intra-pulse difference frequency generation (IDFG) in ZGP crystals using sub-three-cycle (20 fs) driving pulses from mode-locked Cr:ZnS lasers at the central wavelength of 2.4 {\m}m). Real-time and up to video rate (0.1-12 s per spectrum) acquisition of molecular spectra with some 240,000 comb-mode-resolved data points spaced by 80 MHz and referenced to a Rb clock with a signal-to-noise ratio (SNR) >300 has been demonstrated. The key to achieving such a high rate of massive spectral data acquisition is a low phase and intensity noise of the LWIR combs and excellent mutual coherence. The high SNR was also facilitated by the high (7.5%) IDFG conversion efficiency resulting in an average LWIR comb power of 300 mW per channel.

연구 동기 및 목표

• 광역 적외선(LWIR) 영역에서 실시간, 고속 분자 분광법을 가능하게 하기 위해.
• 광대역 LWIR 콤의 스펙트럼 획득 속도 및 데이터 해상도에 대한 제한을 극복하기 위해.
• 6.6–11.4 μm 범위에서 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 콤 모드 해상도를 달성하기 위해.
• 매우 많은 스펙트럼 데이터 포인트를 포함한 영상 속도의 데이터 획득(스펙트럼당 0.1–12초)을 실현하기 위해.
• 실용적이고 실시간 분자 감지에 적합한 고간섭성, 저노이즈 주파수 콤을 활용하기 위해.

제안 방법

• 광대역 LWIR 콤은 아연 게르마늄 포스파이드(ZGP) 결정에서 내부 펄스 차주파수 간섭(İDGF)을 통해 생성되었다.
• 2.4 μm에서 모드 동기화된 Cr:ZnS 레이저에서 유도된 서브-세 사이클(20 fs) 주입 펄스를 사용하여 İDGF를 자극하였다.
• 시스템은 7.5%의 İDGF 변환 효율을 달성하여 콤 채널당 평균 300 mW의 출력을 확보하였다.
• 스펙트럼 데이터는 80 MHz의 모드 간격으로 획득되었으며, 고안정성을 확보하기 위해 Rb 시계 기반 참조를 사용하였다.
• 두 콤 간의 상호 간섭성과 낮은 위상/강도 노이즈 덕분에 고SNR(>300) 및 영상 속도 작동이 가능했다.
• 이중 콤 구성 덕분에 스펙트럼당 240,000개의 콤 모드 해상 데이터 포인트를 동시에 측정할 수 있었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고스펙트럼 해상도와 높은 신호 대 잡음비를 갖춘 영상 속도의 광대역 LWIR 이중 콤 분광법을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실시간 기능을 갖춘 LWIR 범위에서 스펙트럼당 획득 가능한 콤 모드 해상 데이터 포인트의 최대 수는 얼마인가?
• RQ3 ZGP 결정에서의 내부 펄스 차주파수 간섭은 저노이즈로 고출력, 광대역 LWIR 콤을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 콘이 간섭성과 낮은 위상 노이즈는 실시간 분광법에서 고SNR를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ5 서브-세 사이클 주입 펄스를 사용한 İDGF를 통해 LWIR에서 콤 채널당 300 mW의 평균 출력을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 영상 속도로 실시간 스펙트럼 획득을 달성하였으며, 스펙트럼당 획득 시간은 0.1~12초 사이였다.
• 스펙트럼당 총 240,000개의 콘보 모드 해상 데이터 포인트가 획득되었으며, 간격은 80 MHz였다.
• 신호 대 잡음비(SNR)는 300을 초과하여 높은 스펙트럼 정밀도를 입증하였다.
• 7.5%의 İDGF 변환 효율 덕분에 LWIR 콤의 평균 출력이 채널당 300 mW에 도달하였다.
• 콘이 낮은 위상 및 강도 노이즈를 보였으며, 이는 높은 상호 간섭성과 안정된 스펙트럼 측정을 가능하게 하였다.
• 시스템은 6.6–11.4 μm 범위에서 광대역 작동을 실현하였으며, 2.4 μm에서 서브-세 사이클(20 fs) 주입 펄스를 사용하였다.