Mid-IR frequency comb with sub-Hertz relative line width based on Raman soliton self-frequency shift

Abstract

Optical frequency combs in the mid-infrared spectral region became an invaluable tool for molecular spectroscopy. This spectral region is filled with highly specific vibrational transitions which allow for a precise identification of the composition of gas mixtures and fundamental research of phenomena in physics and chemistry with highest precision. Frequency combs in the mid-infrared are often generated via nonlinear frequency conversion of near-infrared lasers. In this work, two frequency components of the same Yb:fiber comb are converted to the mid-infrared at 4 μm via difference frequency generation (DFG) inside a nonlinear crystal. The long-wavelength component is generated from the shorter wavelength driving laser via Raman soliton self-frequency shift in a highly nonlinear fiber. In the past, not much attention has been paid to the coherence properties and optical line widths of similar DFG frequency combs. To study these properties, the generated mid-infrared light is interfered with a reference frequency comb of known properties. The phase noise of the generated heterodyne beat is characterized to determine the optical line width of the mid-infrared frequency comb. The results show sub-Hz relative line widths relative between the two combs. This method also allows to characterize optical sidebands generated by a dither-and-lock technique, which was used in a previous work for long-term stabilization of the source for minimal intensity noise. In this work, this stabilization mechanism is replaced with an interferometric method which does not require modulation. Paired with the low comb line width this allows for the use of the presented mid-infrared frequency comb for molecular spectroscopy at high resolution with high long-term stability.

Optische Frequenzkämme im Spektralbereich des mittleren Infrarots sind zu einem wichtigen Werkzeug der molekularen Spektroskopie geworden. Jener Spektralbereich ist reich an hochspezifischen Vibrationsübergängen, die sowohl eine genaue Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen als auch die Erforschung von grundlegenden Phänomenen der Physik und Chemie mit höchster Präzision erlauben. Frequenzkämme im mittleren Infrarot werden für gewöhnlich durch nichtlineare Frequenzkonversionsprozesse von Lasern im nahen Infrarot erzeugt. Für diese Arbeit werden zwei Frequenzkomponenten des selben Yb:Faser-Frequenzkammes in einem nichtlinearen Kristall mittels Differenzfrequenzmischung (DFG) in den mittleren Infrarot bei 4 μm konvertiert. Dabei entsteht die langwellige Komponente mittels Raman-Soliton-Selbstfrequenzverschiebung in einer hochnichtlinearen Faser aus dem kurzwelligerem Licht des treibenden Lasersystems. Für ähnliche DFG-Frequenzkämme ist in der Vergangenheit wenig Augenmerk auf deren Kohärenzeigenschaften und optischen Linienbreiten gelegt worden. Um diese zu vermessen, wird das erzeugte Mitt-Infrarot-Licht mit einem Referenzfrequenzkamm mit bekannten Eigenschaften interferiert. Das Phasenrauschen der erzeugten heterodynen Schwebungsnoten wird charakterisiert, um die optische Linienbreite des Mitt-Infrarot-Kamms zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen Sub-Hz relative Linienbreiten zwischen den beiden Kämmen. Diese Methode erlaubt ebenfalls die Charakterisierung optischer Seitenbänder, die von einer Dither-and-Lock-Technik erzeugt wurden, die in einer Vorarbeit zur Langzeitstabilisierung der Quelle für minimales Intensitätsrauschen genutzt wurde. In dieser Arbeit wird jene Stabilisierungsmethode durch eine neue interferometrische Methode ersetzt, die ohne Modulation auskommt. Dies gepaart mit der geringen Kamm-Linienbreite erlaubt den Einsatz des präsentierten Mitt-Infrarot-Frequenzkamms für molekulare Spektroskopie mit hoher Auflösung und hoher Langzeitstabilität.