[论文解读] Mid-infrared spectroscopy with a broadly tunable thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Alexander Y. Hwang, Hubert S. Stokowski+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 8

一句话总结

论文展示了一种紧凑、广泛可调的片上薄膜铌酸锂OPO，覆盖1.5–3.3 µm，在3.2 µm实现>25 mW MIR输出，片上功率转换效率15%，并验证甲烷和氨气光谱学。

ABSTRACT

Mid-infrared spectroscopy, an important and widespread technique for sensing molecules, has encountered barriers stemming from sources either limited in tuning range or excessively bulky for practical field use. We present a compact, efficient, and broadly tunable optical parametric oscillator (OPO) device surmounting these challenges. Leveraging a dispersion-engineered singly-resonant OPO implemented in thin-film lithium niobate-on-sapphire, we achieve broad and controlled tuning over an octave, from 1.5 to 3.3 microns by combining laser and temperature tuning. The device generates > 25 mW of mid-infrared light at 3.2 microns, offering a power conversion efficiency of 15% (45% quantum efficiency). We demonstrate the tuning and performance of the device by successfully measuring the spectra of methane and ammonia, verifying our approach's relevance for gas sensing. Our device signifies an important advance in nonlinear photonics miniaturization and brings practical field applications of high-speed and broadband mid-infrared spectroscopy closer to reality.

研究动机与目标

• 以紧凑、广泛可调的光源推进中红外光谱学研究。
• 证明在LN-on-sapphire上的集成、泵增强的单腔共振OPO。
• 通过温度和泵波长控制实现八度调谐。
• 通过片上中红外源实现气体光谱学（甲烷和氨气）研究。

提出的方法

• 在 LN-on-sapphire 上设计带色散工程的单腔共振 OPO 光子电路。
• 在保持泵不共振、信号腔共振、产物腔可调的情况下设计谐振信号腔。
• 利用温度和泵波长调谐实现从1.5到3.3 µm 的广域中红外覆盖。
• 表征腔Q因子及耦合以确定阈值、效率和输出功率。
• 通过将 MIR 产物腔输出到气体腔并通过能量守恒对波长进行校准来实现光谱学演示。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个全集成、无窄脉冲的 MIR OPO 是否能提供适合气体光谱的八度可调覆盖？
• RQ2 在 LN-on-sapphire 上的泵增强单腔共振 OPO 可实现的输出功率、转换效率和光谱纯度是多少？
• RQ3 温度和泵调谐如何影响粗细 MIR 可调性和光谱稳定性？
• RQ4 器件是否能准确匹配 HITRAN 的甲烷和氨气吸收特征用于光谱学？
• RQ5 要迈向实际野外部署的 MIR 传感，还需要哪些改进？

主要发现

• 通过结合泵波长和温度调谐，实现了1.5–3.3 µm 的八度调谐。
• 片上 MIR 产物腔输出在3.2 µm 达到 29 ± 3 mW，15 ± 2% 的片上功率转换效率（45% 的量子效率）。
• 显示出高信号腔品质因子，总Q为1.3–1.6×10^6，内在/外在Q分别为1.35–1.7×10^6 和 ~20×10^6。
• 在约3.184 µm 处分辨出甲烷光谱，具多普勒展宽线形，与 HITRAN 数据吻合，分辨率为10 pm/300 MHz/0.01 cm^-1。
• 通过谐振DFG获得氨气光谱，具有带宽约100 nm、等间距的 MIR 线，匹配 HITRAN 特征。
• 结果显示该技术具有在场部署的片上 MIR 光谱学潜力，且耦合效率有望通过未来的电-光调谐得到提升。