[论文解读] On-the-fly precision spectroscopy with a dual-modulated tunable diode laser and Hz-level referencing to a cavity

Shuangyou Zhang, Toby Bi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Spectroscopy and Laser Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的实时精密光谱测量方法，采用双调制可调谐二极管激光器，以光纤腔为参考，在1 THz/s的扫描速度下，于11 THz的波段范围内实现低于15 Hz的频率稳定性。该技术可实现实时频率校准与瞬时扫描速度追踪，与现有二极管激光光谱测量方法相比，精度提高了两个多数量级。

ABSTRACT

Advances in high-resolution laser spectroscopy have enabled many scientific breakthroughs in physics, chemistry, biology and astronomy. Optical frequency combs have pushed measurement limits with ultrahigh-frequency accuracy and fast-measurement speed while tunable diode laser spectroscopy is used in scenarios that require high power and continuous spectral coverage. Despite these advantages of tunable diode laser spectroscopy, it is challenging to precisely determine the instantaneous frequency of the laser because of fluctuations in the scan speed. Here we demonstrate a simple spectroscopy scheme with a frequency modulated diode laser that references the diode laser on-the-fly to a fiber cavity with sub-15 Hz frequency precision over an 11-THz range at a measurement speed of 1 THz/s. This is an improvement of more than two orders of magnitude compared to existing diode laser spectroscopy methods. Our scheme provides precise frequency calibration markers while simultaneously tracking the instantaneous scan speed of the laser. We demonstrate several applications, including dispersion measurement of an ultra-high-Q microresonator and spectroscopy of an HF gas cell, which can be used for absolute frequency referencing of the tunable diode laser. The simplicity, robustness and low costs of this spectroscopy scheme could prove extremely valuable for out-of-the-lab applications like LIDAR, gas spectroscopy and environmental monitoring.

研究动机与目标

• 为解决可调谐二极管激光光谱测量中由于扫描速度波动导致的精确瞬时频率确定难题。
• 开发一种低成本、鲁棒且紧凑的方法，实现在激光扫描过程中的实时频率校准。
• 在宽达11 THz的调谐范围内，实现低于15 Hz的频率参考精度。
• 为气体传感和室外环境中的LIDAR等应用提供绝对频率参考。

提出的方法

• 对可调谐二极管激光器应用双调制方案：一种调制用于边带生成，另一种用于频率扫描控制。
• 激光频率实时参考至高精细度光纤腔，11 THz波段内稳定性低于15 Hz。
• 检测激光与稳定参考激光之间的拍频信号，并用于校正扫描速度波动。
• 系统采用反馈回路将激光频率锁定至腔模，实现在调谐过程中的连续校准。
• 双调制技术可同时测量激光的瞬时频率与扫描速率。
• 该方法依赖于简单的光学结构与标准器件，提升了鲁棒性并降低了成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可调谐二极管激光光谱测量中，能否在快速激光扫描过程中实现实时、低于15 Hz的频率参考？
• RQ2 双调制技术如何实现对激光频率与扫描速度的同步追踪？
• RQ3 以光纤腔为参考的二极管激光系统可实现的频率稳定性和调谐范围是多少？
• RQ4 该方法能否实现气体传感与环境监测等应用中的绝对频率校准？
• RQ5 与传统二极管激光光谱测量技术相比，该方法在精度方面提升了多少？

主要发现

• 系统在1 THz/s的扫描速度下，于11 THz的调谐范围内实现了低于15 Hz的频率参考精度。
• 与现有二极管激光光谱测量技术相比，该方法将频率精度提高了两个多数量级。
• 该技术可高精度实现实时追踪激光的瞬时扫描速度。
• 该系统成功应用于高Q值微谐振器色散的高精度测量。
• 该方法在HF气体池光谱测量中实现了绝对频率参考，支持可追溯的频率测量。
• 该系统的简洁性、鲁棒性与低成本使其适用于现场部署应用，如LIDAR与环境监测。