[论文解读] Generation of Kerr combs centered at 4.5{\mu}m in crystalline microresonators pumped by quantum cascade lasers

Anatoliy A. Savchenkov, Vladimir S. Ilchenko+5 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用 6

一句话总结

本论文展示了利用连续波量子级联激光器（QCL）泵浦高Q值的MgF2和CaF2晶体微腔，生成中心波长为4.5 µm的中红外克尔频率梳。仅需15 mW的泵浦功率，即可实现超过半个倍频程（高达10 THz）的带宽，标志着迄今为止报道的最长波长克尔梳，并为分子光谱学和环境传感提供了应用前景。

ABSTRACT

We report on the generation of mid-infrared Kerr frequency combs in high-finesse CaF$_2$ and MgF$_2$ whispering-gallery mode resonators pumped with continuous wave room temperature quantum cascade lasers. The combs were centered at 4.5$\mu$m, the longest wavelength to date. A frequency comb wider than a half of an octave was demonstrated when approximately 20mW of pump power was coupled to an MgF2 resonator characterized with quality factor exceeding 10$^8$.

研究动机与目标

• 将克尔梳生成扩展至4.5 µm以上的中红外波段，聚焦于分子指纹区。
• 通过使用连续波QCL作为泵浦源，克服传统锁模激光器的局限性。
• 证明晶体氟化物微腔（MgF2、CaF2）由于具有高Q值和反常群速度色散，可在4.5 µm波段实现高效的四波混频。
• 实现紧凑、集成化的现场可部署中红外频率梳平台，适用于光谱学和传感。

提出的方法

• 使用室温分布式反馈（DFB）QCL（中心波长4.5 µm）泵浦高精细度的MgF2和CaF2微腔的温迪希-盖勒模式（WGM）结构。
• 通过自注入锁定实现QCL与微腔WGM模式的无源频率锁定，将泵浦稳定在共振模式上。
• 利用可调谐MgF2微腔作为窄带一阶洛伦兹型滤波器（带宽300 MHz至0.3 MHz），分辨单个梳线。
• 通过滤波后光谱线的洛伦兹拟合测量梳线线宽，全宽半最大值（FWHM）约为60 kHz。
• 采用配备中红外透射光纤的傅里叶变换光学光谱分析仪（OSA）进行光谱表征。
• 监测不同泵浦功率和失谐条件下的梳动态与稳定性，识别出不同梳态（图灵图案、多孤子态）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用连续波QCL作为泵浦源，在晶体微腔中实现4.5 µm波段的克尔频率梳？
• RQ2 此类系统可实现的最大光谱带宽是多少？所需泵浦功率水平如何？
• RQ3 在4.5 µm波段，MgF2与CaF2微腔中的梳动态与光谱特性有何差异？
• RQ4 能否利用可调谐微腔滤波器实现高精度的梳线线宽测量？所得线宽结果如何？
• RQ5 该系统在长中红外波长下能否支持多种梳态（如图灵图案、多孤子态）？

主要发现

• 在MgF2微腔中，使用约20 mW泵浦功率生成了光谱带宽超过10 THz的克尔梳。
• 首次观测到中心波长为4.5 µm的克尔梳，代表迄今为止报道的最长波长克尔梳。
• 在CaF2和MgF2微腔中均实现了泵浦功率低至15 mW的克尔梳生成。
• 单个梳线的全宽半最大值（FWHM）约为60 kHz，通过可调谐MgF2微腔滤波器测量获得。
• 在CaF2和MgF2微腔中均观测到类似图灵图案和多孤子态的梳包络，表明存在丰富的非线性动力学行为。
• 系统在热稳定与自注入锁定QCL频率锁定条件下均表现出稳定的梳运行，实现了可重复、可扩展的中红外梳生成。