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Phase-stabilized dual-comb spectroscopy
Phase-stabilized dual-comb spectroscopy
Optische Frequenzkämme zeichnen sich durch ihre phasenkohärenten, äquidistanten Laserlinien im Spektrum aus. Gegenwärtig werden sie unter anderem neben ihrem ursprünglichen Verwendungszweck für Frequenzmessungen verwendet. Molekulare Spektroskopie profitiert von der großen spektralen Bandbreite. Die hier vorliegende Arbeit trägt zum Fortschritt von Zwei-Kamm-Spektroskopie bei, einer frequenzkammbasierten Spielart der Fourierinterferometrie ohne bewegliche Teile. Zwei-Kamm-Spektroskopie beruht darauf, Interferenzen in der Zeit-Domäne zwischen zwei Frequenzkämmen mit gering voneinander abweichenden Wiederholraten zu messen. Die Fouriertransformierte des Interferenzmusters spiegelt dabei das Spektrum wider. Die Technik erfordert den kohärenten Betrieb zwischen beiden Frequenzkämmen über die Dauer der Messung. In dieser Arbeit wird eine neue Technik dafür vorgestellt, die auf feed-forward Kontrolle der Differenz im Versatz der Trägerwellenfrequenzen, welche oftmals das hochfrequente Rauschen der Frequenzgeneratoren tragen. Wir zeigen die Möglichkeit, im nahinfraroten Bereich durch direkte Mittelung Interferogramme mit über 2 000 Sekunden Messzeit ohne Abstriche beim Signal-zu-Rausch-Verhältnis und ohne analoge oder digitale Datenkorrektur zu erhalten. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung von drei Größenordnungen gegenüber den vormals besten Methoden direkter Mittelung, was eine verbesserte Kontrolle systematischer Effekte bedeutet. Die Ergebnisse konnten durch doppler-verbreiterte Spektrum der v1+v3-Kombination an gasförmigem Acetylen validiert werden. Wir verwenden das entwickelte nahinfrarote Spektrometer, um Spektroskope durch abgeschwächte Totalreflexion an Gasphasen zu demonstrieren. Wir benutzen dabei die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes an gezogenen Fasern mit wenigen Molekülen, um Gasvolumina von wenigen Zehn Pikolitern zu untersuchen. Die hohe Auflösung sowie die große spektrale Bandbreite durch Zwei-Kamm-Spektroskopie bleibt dabei erhalten. Wir erweitern die Technik von vorwärtsgerichteten Zwei-Kamm-Spektroskopie in die mittlere Infrarotregion von 3 microns, in der fundamentale Streckschwingungen von CH-, NH- und OH-Gruppen in Molekülen zu finden sind. Anhand von Spektren der v9/v11-dyad von Ethylen demonstrieren wir die gleichen Fähigkeiten des Mittelns von Interferogrammen über einen Zeitraum einer halben Stunden wie im Nahinfrarotbereich. Die Spektren haben eine Frequenzskala, die direkt an einem Wasserstoff-Maser kalibriert wurde mit einer instrumentellen Linienbreite, die drei Größenordnungen schmalbandiger ist als durch Dopplerverbreiterung gegebene Linienbreiten kleiner Moleküle bei Raumtemperatur. Diese Ergebnisse ermöglichen die präzise Bestimmung von spektralen Linien und deren Form in der mittleren Infrarotregion., Optical frequency combs are spectra of phase-coherent evenly spaced laser lines. They currently find applications beyond their initial purpose, frequency metrology. They advance techniques of molecular spectroscopy over broad spectral bandwidths. This thesis is a contribution to the progress of dual-comb spectroscopy, a comb-based technique of Fourier transform interferometry without moving parts. Dual-comb spectroscopy relies on measuring the time domain interference between two frequency combs of slightly different repetition frequencies. The Fourier transform of the interference pattern reveals the spectrum. The technique implies maintaining coherence between the two frequency combs over the time of a measurement. Here, a new technique for achieving this objective is explored: it is based on feed-forward control of the difference in carrier-envelope offset frequencies of the combs, which often carry the high-frequency noise of the synthesizers. In the near-infrared region, we show the possibility to directly average the time-domain interferograms over 2 000 seconds without any loss in signal-to-noise ratio and without any analog or digital corrections to the data. This represents an improvement of three orders of magnitude over the previous best direct averaging capabilities and this may therefore enable a better control of systematic effects. These developments are validated with Doppler-broadened spectra of the v1+v3 combination band of gaseous acetylene. We use the developed near-infrared spectrometer to demonstrate gas-phase attenuated-total-reflectance spectroscopy over broad spectral bandwidths. We use the interaction of the evanescent wave at a fiber taper with small molecules to interrogate gas volumes as little as a few tens of picoliters. The features of high resolution and broad spectral bandwidth brought by dual-comb spectroscopy are preserved. We extend the technique of feed-forward dual-comb spectroscopy to the mid-infrared 3-microns region, where the fundamental CH, NH, OH stretches in molecules are found. With spectra of the v9/v11 dyad of ethylene, we demonstrate the same capabilities of averaging interferograms during half-an-hour as in the near-infrared. The spectra have a frequency scale directly calibrated to a hydrogen maser, an instrumental line shape that is three orders of magnitude narrower than the Doppler width of small molecules at room temperature. These results open up the prospect of precise determination of line positions and line shapes in the mid-infrared range.
Frequency comb, Dual-comb spectroscopy, Fourier transform spectroscopy, Molecular spectroscopy
Chen, Zaijun
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Chen, Zaijun (2019): Phase-stabilized dual-comb spectroscopy. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Optische Frequenzkämme zeichnen sich durch ihre phasenkohärenten, äquidistanten Laserlinien im Spektrum aus. Gegenwärtig werden sie unter anderem neben ihrem ursprünglichen Verwendungszweck für Frequenzmessungen verwendet. Molekulare Spektroskopie profitiert von der großen spektralen Bandbreite. Die hier vorliegende Arbeit trägt zum Fortschritt von Zwei-Kamm-Spektroskopie bei, einer frequenzkammbasierten Spielart der Fourierinterferometrie ohne bewegliche Teile. Zwei-Kamm-Spektroskopie beruht darauf, Interferenzen in der Zeit-Domäne zwischen zwei Frequenzkämmen mit gering voneinander abweichenden Wiederholraten zu messen. Die Fouriertransformierte des Interferenzmusters spiegelt dabei das Spektrum wider. Die Technik erfordert den kohärenten Betrieb zwischen beiden Frequenzkämmen über die Dauer der Messung. In dieser Arbeit wird eine neue Technik dafür vorgestellt, die auf feed-forward Kontrolle der Differenz im Versatz der Trägerwellenfrequenzen, welche oftmals das hochfrequente Rauschen der Frequenzgeneratoren tragen. Wir zeigen die Möglichkeit, im nahinfraroten Bereich durch direkte Mittelung Interferogramme mit über 2 000 Sekunden Messzeit ohne Abstriche beim Signal-zu-Rausch-Verhältnis und ohne analoge oder digitale Datenkorrektur zu erhalten. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung von drei Größenordnungen gegenüber den vormals besten Methoden direkter Mittelung, was eine verbesserte Kontrolle systematischer Effekte bedeutet. Die Ergebnisse konnten durch doppler-verbreiterte Spektrum der v1+v3-Kombination an gasförmigem Acetylen validiert werden. Wir verwenden das entwickelte nahinfrarote Spektrometer, um Spektroskope durch abgeschwächte Totalreflexion an Gasphasen zu demonstrieren. Wir benutzen dabei die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes an gezogenen Fasern mit wenigen Molekülen, um Gasvolumina von wenigen Zehn Pikolitern zu untersuchen. Die hohe Auflösung sowie die große spektrale Bandbreite durch Zwei-Kamm-Spektroskopie bleibt dabei erhalten. Wir erweitern die Technik von vorwärtsgerichteten Zwei-Kamm-Spektroskopie in die mittlere Infrarotregion von 3 microns, in der fundamentale Streckschwingungen von CH-, NH- und OH-Gruppen in Molekülen zu finden sind. Anhand von Spektren der v9/v11-dyad von Ethylen demonstrieren wir die gleichen Fähigkeiten des Mittelns von Interferogrammen über einen Zeitraum einer halben Stunden wie im Nahinfrarotbereich. Die Spektren haben eine Frequenzskala, die direkt an einem Wasserstoff-Maser kalibriert wurde mit einer instrumentellen Linienbreite, die drei Größenordnungen schmalbandiger ist als durch Dopplerverbreiterung gegebene Linienbreiten kleiner Moleküle bei Raumtemperatur. Diese Ergebnisse ermöglichen die präzise Bestimmung von spektralen Linien und deren Form in der mittleren Infrarotregion.

Abstract

Optical frequency combs are spectra of phase-coherent evenly spaced laser lines. They currently find applications beyond their initial purpose, frequency metrology. They advance techniques of molecular spectroscopy over broad spectral bandwidths. This thesis is a contribution to the progress of dual-comb spectroscopy, a comb-based technique of Fourier transform interferometry without moving parts. Dual-comb spectroscopy relies on measuring the time domain interference between two frequency combs of slightly different repetition frequencies. The Fourier transform of the interference pattern reveals the spectrum. The technique implies maintaining coherence between the two frequency combs over the time of a measurement. Here, a new technique for achieving this objective is explored: it is based on feed-forward control of the difference in carrier-envelope offset frequencies of the combs, which often carry the high-frequency noise of the synthesizers. In the near-infrared region, we show the possibility to directly average the time-domain interferograms over 2 000 seconds without any loss in signal-to-noise ratio and without any analog or digital corrections to the data. This represents an improvement of three orders of magnitude over the previous best direct averaging capabilities and this may therefore enable a better control of systematic effects. These developments are validated with Doppler-broadened spectra of the v1+v3 combination band of gaseous acetylene. We use the developed near-infrared spectrometer to demonstrate gas-phase attenuated-total-reflectance spectroscopy over broad spectral bandwidths. We use the interaction of the evanescent wave at a fiber taper with small molecules to interrogate gas volumes as little as a few tens of picoliters. The features of high resolution and broad spectral bandwidth brought by dual-comb spectroscopy are preserved. We extend the technique of feed-forward dual-comb spectroscopy to the mid-infrared 3-microns region, where the fundamental CH, NH, OH stretches in molecules are found. With spectra of the v9/v11 dyad of ethylene, we demonstrate the same capabilities of averaging interferograms during half-an-hour as in the near-infrared. The spectra have a frequency scale directly calibrated to a hydrogen maser, an instrumental line shape that is three orders of magnitude narrower than the Doppler width of small molecules at room temperature. These results open up the prospect of precise determination of line positions and line shapes in the mid-infrared range.