Hochkohärente Dual-Comb-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich von 2,6 bis 5,2 μm

G. Ycas, FR Giorgetta, E. Ba µm ann, I. Coddington, D. Herman, SA Diddams & NR Newbury

Abstrakt

Die Dual-Comb-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich hat das Potenzial, die konventionelle Fourier-Transformationsspektroskopie in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Auflösung, Genauigkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und Geschwindigkeit zu ersetzen. Bislang war die Dual-Comb-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich auf schmale optische Bandbreiten oder niedrige Signal-Rausch-Verhältnisse beschränkt. Mithilfe digitaler Signalverarbeitung und Breitband-Frequenzkonvertierung in Wellenleitern demonstrieren wir ein Dual-Comb-Spektrometer für den mittleren Infrarotbereich, das den Frequenzbereich von 2,6 bis 5,2 µm abdeckt und eine Kammzahnauflösung, eine Frequenzpräzision und -genauigkeit im Sub-MHz-Bereich sowie ein spektrales Signal-Rausch-Verhältnis von bis zu 6.500 aufweist. Zur Demonstration messen wir den hochstrukturierten Breitband-Wirkungsquerschnitt von Propan im Bereich von 2840 bis 3040 cm⁻¹, die komplexen Phasen-/Amplitudenspektren von Carbonylsulfid im Bereich von 2000 bis 2100 cm⁻¹ sowie eines Methan-, Acetylen- und Ethan-Gemisches im Bereich von 2860 bis 3400 cm⁻¹. Die Kombination aus großer Bandbreite, Kammauflösung und hoher Helligkeit ermöglicht präzise Infrarotspektroskopie im mittleren Infrarotbereich für Laborexperimente und Anwendungen außerhalb des Labors, darunter die offene Gasanalyse in der Atmosphäre, Prozessüberwachung und Verbrennungsforschung.