Mid-infrared wavelength- and freque

Mid-infrared wavelength- and frequency- modulation spectroscopy with a pump-modulated singly-resonant optical parametric oscillator

I.D. Lindsay, P. Groß, C.J. Lee, B. Adhimoolam and K.-J. Boller
Laser Physics and Nonlinear Optics Group, Faculty of Science and Technology, University of Twente, P.O. Box 217, 7500 AE Enschede, The Netherlands [e-mail]

Abstract: We describe the implementation of the wavelength- and frequency-modulation spectroscopy techniques using a singly-resonant optical parametric oscillator (OPO) pumped by a fiber-amplified diode laser. Frequency modulation of the diode laser was transferred to the OPO’s mid-infrared idler output, avoiding the need for external modulation devices. This approach thus provides a means of implementing these important techniques with powerful, widely tunable, mid-infrared sources while retaining the simple, flexible modulation properties of diode lasers.
©2006 Optical Society of America
OCIS codes: (190.4970) Parametric oscillators and amplifiers; (140.3510) Lasers, fiber; (140.3600) Lasers, tunable; (300.6380) Spectroscopy, modulation.


References and links

1. D.S. Bomse, A.C. Stanton and J.A. Silver, "Frequency-Modulation and Wavelength Modulation
Spectroscopies - Comparison of Experimental Methods Using a Lead-Salt Diode-Laser," Appl. Opt. 31,
718-731 (1992).
2. F.S. Pavone and M. Inguscio, "Frequency-Modulation and Wavelength-Modulation Spectroscopies - Comparison of Experimental Methods Using an AlGaAs Diode-Laser," Appl. Phys. B. 56, 118-122 (1993).
3. H.J. Li, G.B. Rieker, X. Liu, J.B. Jeffries and R.K. Hanson, "Extension of wavelength-modulation spectroscopy to large modulation depth for diode laser absorption measurements in high-pressure gases," Appl. Opt. 45, 1052-1061 (2006).
4. A.A. Kosterev, Y.A. Bakhirkin, R.F. Curl and F.K. Tittel, "Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy," Opt. Lett. 27, 1902-1904 (2002).
5. S. Borri, S. Bartalini, P. de Natale, M. Inguscio, C. Gmachl, F. Capasso, D.L. Sivco, A.Y. Cho, "Frequency modulation spectroscopy by means of quantum-cascade lasers," Appl. Phys. B. 85, 223-229 (2006).
6. P. Maddaloni, G. Gagliardi, P. Malara and P. De Natale, "A 3.5-mW continuous-wave difference-frequency source around 3 mu m for sub-Doppler molecular spectroscopy," Appl. Phys. B. 80, 141-145 (2005).
7. M. van Herpen, S.E. Bisson, A.K.Y. Ngai, F.J.M. Harren, "Combined wide pump tuning and high power of a continuous-wave, singly resonant optical parametric oscillator," Appl. Phys. B. 78, 281-286 (2004).
8. J. Ng, A.H. Kung, A. Miklos and P. Hess, "Sensitive wavelength-modulated photoacoustic spectroscopy with a pulsed optical parametric oscillator," Opt. Lett. 29, 1206-1208 (2004).
9. I.D. Lindsay, B. Adhimoolam, P. Gross, M.E. Klein and K.J. Boller, "110GHz rapid, continuous tuning from an optical parametric oscillator pumped by a fiber-amplified DBR diode laser," Opt. Express 13,
1234-1239 (2005).
10. M.E. Klein, P. Gross, K.J. Boller, M. Auerbach, P. Wessels and C. Fallnich, "Rapidly tunable continuous- wave optical parametric oscillator pumped by a fiber laser," Opt. Lett. 28, 920-922 (2003).
11. A. Henderson and R. Stafford, "Low threshold, singly-resonant CWOPO pumped by an all-fiber pump source," Opt. Express 14, 767-772 (2006).
12. J.P. Koplow, D.A.V. Kliner and L. Goldberg, "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier," Opt. Lett. 25, 442-444 (2000).
13. L.S. Rothman et al. "The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database," J. Quant. Spectrosc. Radiat.
Transfer 96, 139-204 (2005).
14. G.C. Bjorklund, M.D. Levenson, W. Lenth and C. Ortiz, "Frequency modulation (FM) spectroscopy.
Theory of lineshapes and signal-to-noise analysis," Appl. Phys. B. B32, 145-52 (1983).

1. Introduction

Frequency modulation techniques are widely used in laser spectroscopy to achieve a high signal-to-noise ratio and, therefore, sensitive spectroscopic detection. These techniques exploit the fact that, on passage through a medium having frequency-dependent absorption, frequency-modulation of a laser results in a transmitted power variation at the modulation frequency and its harmonics. Phase-sensitive detection at frequencies beyond the range of technical noise sources is thus possible. In practice, these techniques are typically classified into two approaches [1,2]. Wavelength-modulation spectroscopy (WMS) conventionally describes the case where the modulation frequency is much less than the width of the spectral feature of interest and the modulation index is high. In practice this typically corresponds to modulation frequencies from a few kilohertz to a few megahertz. In the case usually termed frequency-modulation spectroscopy (FMS) the modulation frequency is comparable to, or greater than, the spectral width of the target feature and the modulation index is sufficiently low that only the first two sidebands of the modulated laser spectrum have significant amplitude. In this case, modulation frequencies are typically in excess of 100 MHz.
Both techniques have been most widely applied in diode-laser spectroscopy due to the
ease with which diode lasers can be frequency modulated via their injection current. In contrast to external electro-optic modulators required by other laser types, current modulation of diode lasers can be achieved over broad bandwidths, extending to several gigahertz, with minimal RF power requirements and simple control of the modulation index over a wide range. This flexibility allows the same laser system to be easily reconfigured for different FM techniques [2]. Many variations on these techniques have been demonstrated with diode lasers including two-tone FMS [2], high modulation index WMS [3] and photo-acoustic WMS [4]. To access fundamental molecular vibrational bands in the mid-infrared (mid-IR) FM spectroscopic techniques have been demonstrated with lead salt diode lasers [1], and, more recently, quantum cascade lasers [5], which offer similar advantages to diode lasers in terms of ease of modulation. Mid-IR WMS with milliwatt-level powers has also been demonstrated by difference frequency generation (DFG) between amplified near-IR diode lasers, whose modulation then transfers to the mid-IR output [6].
Advances in nonlinear optical materials and pump lasers have made continuous-wave singly-resonant optical parametric oscillators (OPOs) attractive sources for mid-IR spectroscopy. These devices can produce watt-level output powers, far exceeding those of other mid-IR sources, while having tuning ranges of hundreds of wavenumbers [7]. Combining these attributes with the benefits of WMS and FMS techniques would, therefore, be highly attractive. Hybrid wavelength-amplitude modulation has been used with a pulsed OPO for systematic background cancellation in photoacoustic spectroscopy [8]. However, the intrinsically low modulation frequency (30Hz) would preclude many of the signal to noise advantages WMS usually offers. WMS and FMS in the conventional sense, as described above, appear never to have been demonstrated with an OPO source.
Recently, we have shown that pump-tuned singly-resonant OPOs represent particularly attractive spectroscopic sources [9]. In this case, the resonant signal wave remains fixed in frequency and tuning of the pump is transferred directly to the mid-IR idler output. This approach allows rapid tuning over hundreds of wavenumbers [10], wide-range continuous tuning [9], and mid-IR tuning with narrow linewidth [11]. In this paper, we extend this approach to include transfer to the idler of pump laser modulation and use this to demonstrate mid-IR WMS and FMS detection. Use of a diode laser-based pump source allows this to be achieved while retaining simplicity of modulation and avoiding the requirement for an external modulator in the mid-IR. We believe this to be the first reported demonstration of the WMS and FMS detection techniques with an OPO.

2. Experimental arrangement

The optical configuration used for both WMS and FMS investigations is shown schematically in Fig. 1. The pump source consisted of a commercial multi-section DBR diode laser seeding

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

กกลางอินฟราเรดความยาวคลื่น - และเอฟเอ็ม มีความสันทัดปั๊มเดี่ยวคงแสงพาราเมตริก oscillatorประชาชนลินด์เซย์ P. Groß ลี C.J., B. Adhimoolam และคุณเจ Bollerเลเซอร์ฟิสิกส์ และ กลุ่มเลนส์ไม่เชิงเส้น คณะวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัย Twente ตู้ป.ณ. 217, 7500 AE อย่างไร Enschede, [e-mail] ประเทศเนเธอร์แลนด์บทคัดย่อ: เราอธิบายปฏิบัติเทคนิคกความยาวคลื่น - และเอฟเอ็มที่ใช้คำเดี่ยวคงแสงพาราเมตริก oscillator (ปอ) สูบ โดยเลเซอร์ไดโอดที่มีขยายเส้นใย เอฟเอ็มของเลเซอร์ไดโอดถูกถ่ายโอนไปของปออินฟราเรดกลาง idler ผล หลีกเลี่ยงต้องการเอ็มภายนอกอุปกรณ์ วิธีการนี้จึงมีวิธีการใช้เทคนิคเหล่านี้สำคัญกับแหล่งที่มีประสิทธิภาพ tunable อย่างกว้างขวาง อินฟราเรดกลางเอ็มยืดหยุ่น เรื่องสมบัติของแสงเลเซอร์ไดโอด© 2006 สมาคมแสงของอเมริการหัส OCIS: oscillators พาราเมตริก (190.4970) และเครื่องขยายเสียง แสงเลเซอร์ (140.3510) ไฟเบอร์ แสงเลเซอร์ (140.3600) tunable ก (300.6380) เอ็มอ้างอิงและเชื่อมโยง1. D.S. Bomse เอซีสแตนตันและเงินโรงแรมเจเอ "เอฟเอ็มและเอ็มความยาวคลื่นSpectroscopies - การเปรียบเทียบวิธีการทดลองโดยใช้เกลือนำไดโอดเลเซอร์ ใช้ Opt. 31718-731 (1992)2. F.S. Pavone และ M. Inguscio "เอ็มความถี่และความยาวคลื่นเอ็ม Spectroscopies - การเปรียบเทียบวิธีการทดลองโดยใช้การ AlGaAs เลเซอร์ไดโอด- ใช้กายภาพ B. 56, 118-122 (1993)3. H.J. Li, G.B. Rieker ไฟร์หลิว Jeffries หรรษาและอาร์เคแฮนสัน "ส่วนขยายของความยาวคลื่นเอ็มกกับเอ็มใหญ่ลึกสำหรับการวัดการดูดซึมของไดโอดเลเซอร์ก๊าซแรงดันสูง ใช้ Opt. 45, 1052-1061 (2006)4. อ.ศศ. Kosterev, Y.A. Bakhirkin, R.F. ขด และ F.K. Tittel "สนับสนุนควอตซ์ photoacoustic ก Opt. Lett 27, 1902-1904 (2002)5. S. Borri, S. Bartalini, P. เด Natale, M. Inguscio, C. Gmachl, F. Capasso อิน Sivco, A.Y. Cho "เอฟเอ็มกโดยใช้แสงเลเซอร์ทั้งหมดควอนตัม 85 B. ใช้กายภาพ 223-229 (2006)6. P. Maddaloni, G. Gagliardi, P. Malara และ P. เด Natale, "3.5 mW continuous-wave ความแตกต่างความถี่แหล่งประมาณ 3 เมตรหมู่สำหรับ Doppler ย่อยโมเลกุลก 80 B. ใช้กายภาพ 141-145 (2005)7. M. van Herpen, S.E. Bisson ไห A.K.Y., F.J.M. Harren "รวมพลังงานสูงของการ continuous-wave เดี่ยวคงแสงพาราเมตริก oscillator และปรับแต่งปั๊มกว้าง" ใช้กายภาพ B. 78, 281-286 (2004)8. J. Ng, Kung ฮฺปีฮ A. Miklos และ P. Hess "ก photoacoustic สันทัดความยาวคลื่นมีความสำคัญกับการพัลแสงพาราเมตริก oscillator," Opt. Lett 29, 1206 1208 (2004)9. ประชาชนลินด์เซย์ B. Adhimoolam, P. รวม M.E. Klein และ K.J. Boller, "110GHz อย่างรวดเร็ว ปรับแต่งจาก oscillator พาราเมตริกแสงขุ่น โดยการขยายเส้นใย DBR เลเซอร์ไดโอด ต่อเนื่อง" Opt. Express 131234-1239 (2005)10. M.E. Klein, P. รวม K.J. Boller, M. Auerbach, P. Wessels และ C. Fallnich, "tunable อย่างรวดเร็วอย่างต่อเนื่องของคลื่นแสงพาราเมตริก oscillator สูบ โดยเลเซอร์ไฟเบอร์ Opt. Lett 28, 920-922 (2003)11. A. Henderson และ R. สตัฟฟอร์ด "ขีดจำกัดต่ำสุด CWOPO เดี่ยวคงสูบ โดยแหล่งที่มีเส้นใยทั้งหมดปั๊ม 14 เอ็กซ์เพรส Opt., 767-772 (2006)12. โฟร์เซ้นฟู้ด Koplow, D.A.V. Kliner และ L. Goldberg "โหมดเดียวการทำงานของเพาเวอร์แอมป์เป็นใยม้วน multimode," Opt. Lett 25, 442-444 (2000)13. L.S. รอธแมน et al. "HITRAN 2004 โมเลกุล spectroscopic ฐาน J. Quant. Spectrosc Radiatโอนย้าย 96, 139-204 (2005)14. ศูนย์ Bjorklund นพ. Levenson, Lenth ฝั่งตะวันตก และ พล.ต. C. "เอ็มความถี่ (FM) กทฤษฎีของ lineshapes และการวิเคราะห์สัญญาณเสียง ใช้กายภาพ B. B32, 145-52 (1983) 1. บทนำเอฟเอ็มเทคนิคใช้ในกเลเซอร์เพื่อให้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงที่สูง และ จึง ตรวจจับด้านที่สำคัญ เทคนิคเหล่านี้ใช้ความจริงที่ว่า บนเส้นทางผ่านสื่อมีการดูดซึมขึ้นอยู่กับความถี่ เอฟเอ็มเลเซอร์ผลการเปลี่ยนแปลงพลังงานนำส่งที่ความถี่เอ็มและของนิคส์ ตรวจสอบขั้นตอนสำคัญที่ความถี่เกินกว่าช่วงของแหล่งเสียงเทคนิคจึงเป็นไปได้ ในทางปฏิบัติ เทคนิคเหล่านี้โดยทั่วไปแบ่งออก 2 วิธี [1, 2] กความยาวคลื่นเอ็ม (WMS) อธิบายถึงกรณีที่เอ็มความถี่มีค่าน้อยกว่าความกว้างของสเปกตรัมคุณลักษณะน่าสนใจมาก และดัชนีเอ็มสูงดี ในทางปฏิบัติ โดยทั่วไปเท่ากับความถี่เอ็มจาก kilohertz กี่จะกี่เมกะเฮิร์ตซ์ ในกรณีที่มักจะเรียกว่าเอฟเอ็มก (FMS) ความถี่เอ็มนั้นเทียบได้กับ หรือมากกว่า ความกว้างของสเปกตรัมของคุณลักษณะเป้าหมาย และดัชนีเอ็มอยู่ในระดับต่ำพอที่เท่า sidebands สองของสเปกตรัมเลเซอร์ซ้อนมีคลื่นอย่างมีนัยสำคัญ ในกรณีนี้ เอ็มความถี่เกินกว่า 100 MHz โดยทั่วไปเทคนิคทั้งสองได้อย่างแพร่หลายใช้ในกเลเซอร์ไดโอดเนื่องในสันทัดง่าย ด้วยไดโอดที่แสงเลเซอร์สามารถให้ความถี่ผ่านการฉีดปัจจุบัน ปัจจุบันเอ็มของแสงเลเซอร์ไดโอดสามารถสำเร็จกว่าแบนด์วิธกว้าง ขยายการกิกะเฮิร์ตซ์หลาย มีความต้องการพลังงาน RF น้อยและควบคุมเรื่องของดัชนีเอ็มหลากหลายตรงข้ามภายนอกใย electro ข้อต้องใช้เลเซอร์ชนิดอื่น ๆ ความยืดหยุ่นนี้ช่วยให้ระบบเลเซอร์เหมือนกันเพื่อจะได้เรียบร้อยแล้วสำหรับเทคนิค FM ต่าง ๆ [2] มีการแสดงหลายรูปแบบในเทคนิคเหล่านี้กับไดโอดแสงเลเซอร์รวม FMS โทน [2], เอ็มสูงดัชนี WMS [3] และ WMS อคูสติกภาพ [4] ถึงพื้นฐานระดับโมเลกุล vibrational วงในอินฟราเรดกลาง (กลาง IR) FM ด้านเทคนิคมีการแสดง ด้วยนำเกลือไดโอดเลเซอร์ [1], และ เมื่อเร็ว ๆ นี้ ควอนตัมซ้อนแสงเลเซอร์ [5], ซึ่งมีข้อดีคล้ายแสงเลเซอร์ไดโอดในแง่ของความง่ายของเอ็ม นอกจากนี้ยังรับแสดง โดยสร้างความแตกต่างความถี่ (DFG) กลาง IR WMS มีอำนาจระดับ milliwatt ระหว่างแสงเลเซอร์ไดโอดใกล้ IR เอาต์ เอ็มที่แล้วโอนย้ายไปออกกลาง IR [6]ความก้าวหน้าในวัสดุไม่เชิงเส้นแสงและแสงเลเซอร์ปั๊มได้ทำ continuous-wave เดี่ยวคง oscillators พาราเมตริกแสงแหล่งน่าสนใจ (OPOs) กกลาง IR อุปกรณ์เหล่านี้สามารถสร้างผลผลิตวัตต์ระดับอำนาจ ไกลเกินของแหล่งอื่น ๆ กลาง IR ในขณะที่มีการปรับแต่งช่วงหลายร้อย wavenumbers [7] รวมแอตทริบิวต์เหล่านี้ ด้วยเทคนิค WMS และ FMS ดังนั้น จะน่าสนใจอย่างมาก ใช้ผสมความยาวคลื่นเอ็มกับปอพัลสำหรับการยกเลิกระบบพื้นหลังในก photoacoustic [8] อย่างไรก็ตาม (30Hz) ความถี่ต่ำทำเอ็มจะห้ามหลายสัญญาณไป WMS จะมีข้อได้เปรียบของเสียง WMS และ FMS ในแง่ทั่วไป อธิบายไว้ข้างต้น เมื่อจะมีการแสดงกับปอแหล่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ เราได้แสดงว่า ปรับปั๊ม OPOs เดี่ยวคงหมายถึงแหล่งที่น่าสนใจโดยเฉพาะอย่างยิ่งด้าน [9] ในกรณีนี้ คลื่นสัญญาณที่คงอยู่ถาวรในความถี่ และปรับแต่งของเครื่องสูบจะถูกโอนย้ายโดยตรงกับผลลัพธ์ idler กลาง IR วิธีการนี้ช่วยให้การปรับแต่งอย่างรวดเร็วกว่าหลายร้อย wavenumbers [10], หลากหลายอย่างต่อเนื่องปรับ [9], และปรับกลาง IR มี linewidth แคบ [11] ในเอกสารนี้ เราขยายวิธีการนี้เพื่อรวมการโอนย้ายไปทำของเอ็มเลเซอร์ปั๊ม และใช้ข้อมูลนี้เพื่อแสดงให้เห็นถึงกลาง IR WMS และ FMS ตรวจ ใช้เป็นไดโอดเลเซอร์ปั๊มมาให้นี้ได้รักษาความเรียบง่ายของเอ็ม และหลีกเลี่ยงข้อกำหนดสำหรับเป็น modulator ภายนอกในที่กลางใด เราเชื่อว่าเป็น การสาธิตรายงานแรกของเทคนิคการตรวจหา WMS และ FMS กับปอ2. ทดลองจัดการกำหนดค่าแสงที่ใช้สำหรับตรวจสอบ WMS และ FMS แสดง schematically ใน Fig. 1 ประกอบด้วยการค้าหลายส่วน DBR ไดโอดเลเซอร์ปลูกต้นปั๊ม