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Single-cavity dual-comb architectures tailored for ranging and spectroscopic applications
Collin Aldia Pulickal Edwin
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Oliver H. Heckl
DOI
10.25365/thesis.80569
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25144.29059.232137-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Optische Frequenzkämme (engl. optical frequency combs (OFCs)) haben sich in zahlreichen Bereichen – von der Umweltüberwachung bis hin zur grundlegenden Metrologie – zu einem unverzichtbaren Werkzeug entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kohärenz, eine präzise Frequenzgenauigkeit und eine große spektrale Bandbreite aus. Die größte Herausforderung besteht jedoch weiterhin darin, OFCs zu realisieren, die robust, zuverlässig und äußerst rauscharm sind. Eine Doppelkamm-Architektur ist hierbei besonders interessant, da sie hochauflösende Messungen ohne bewegliche Bauteile ermöglicht und gleichzeitig eine schnelle und genaue Datenerfassung erlaubt. Damit eignet sich ein Doppelkammsystem für feldeinsatzfähige Anwendungen, wobei es als Lichtquelle dient und die Detektionseinheit aus einer schnellen Photodiode besteht. Konventionell bestehen Doppelkammsysteme aus zwei unabhängigen OFCs, was jedoch zu komplexen und sperrigen Aufbauten führt. Eine vielversprechende Alternative ist der sogenannte Einkavitäts-DoppelKamm (engl. single-cavity dual-comb (SCDC)), bei dem beide Frequenzkämme aus derselben Laserkavität erzeugt werden. Dieser Ansatz erhöht die gegenseitige Kohärenz der beiden Kämme, da gemeinsames Rauschen weitgehend kompensiert wird. Dadurch bietet ein SCDC-System ein breitbandiges und hochauflösendes Spektrum bei gleichzeitig hoher gegenseitiger Kohärenz, und dies ohne komplexe bewegliche Komponenten, was es zu einem idealen Kandidaten für Anwendungen im Feld macht. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, neue SCDC-Architekturen zu entwerfen, umzusetzen und zu charakterisieren, die speziell für Entfernungs- und spektroskopische Messungen ausgelegt sind. Die vorgestellten Doppelkammsysteme basieren vollständig auf polarisationserhaltenden (engl. polarization-maintaining (PM)) Fasern und werden mittels eines nichtlinearen verstärkenden Schleifenspiegels (engl. nonlinear amplifying loop mirror (NALM)) modengekoppelt. Faserlaser, die auf NALM-Modenkopplung beruhen, zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aus. Im ersten Teil der Arbeit untersuchen wir daher die Leistungsfähigkeit NALM-basierter Faserlaser im nahen Infrarot. Der Schwerpunkt liegt auf Frequenzkämmen bei 1.5 μm, da diese Wellenlänge geringe Verluste in Silicafasern aufweist und zudem im augensicheren Bereich liegt. Wir analysieren insbesondere, wie Kavitätsverluste das modengekoppelte Spektrum sowie das gesamte Rauschverhalten beeinflussen. Aufbauend auf diesen Untersuchungen entwickeln wir eine neue, umweltstabile SCDC-Architektur, die die beiden Polarisationsachsen der PM-Faser nutzt. Dieses System zeigt eine äußerst rauscharme Performance, übertrifft bestehende NALM-basierte Faserlaser, erreicht eine Qualität vergleichbar mit Festkörper-SCDC-Systemen und ist sogar mit Einkamm-Faserlasern konkurrenzfähig. Darüber hinaus präsentieren wir einen faserbasierten Verstärker mit gemeinsamem Strahlengang sowie eine Erweiterung des SCDC-Prinzips auf andere Wellenlängenbereiche. Neben der Laserentwicklung werden in dieser Arbeit zwei Anwendungen demonstriert, die auf Doppelkämmen basieren: Distanz- und Spektroskopiemessungen. Für die Distanzmessung wurde ein zweifarbiges SCDC-System eingesetzt. Durch die Nutzung der intrinsischen Modulationen des Lasersystems konnte der Eindeutigkeitsbereich auf 150 km erweitert werden. Diese Erweiterung wurde ohne zusätzliche Komponenten erreicht, was die Gesamtkomplexität des Systems deutlich reduziert. Damit ermöglicht das System Einzelschussmessungen der absoluten Distanz mit hoher Präzision über einen stark vergrößerten Eindeutigkeitsbereich. Für das spektroskopische Experiment wurden die Absorptionslinien von Kohlenmonoxid in einer Referenzzelle mithilfe des polarisationsgemultiplexten SCDC erfasst. Diese Messung erfolgte im freilaufenden Betrieb des Doppelkamms. Die Absorptionsmerkmale wurden dabei mit einer spektralen Auflösung von 0.03 nm bei einer zentralen Wellenlänge von 1570 nm aufgezeichnet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die zukünftige Entwicklung kompakter und zuverlässiger SCDC-Systeme. Sie bietet einen umfassenden Rahmen für die Nutzung von SCDC-Architekturen in der Doppelkamm-Distanzmessung und der Spektroskopie. Abschließend werden offene Herausforderungen und künftige Forschungsfragen diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die effiziente Erzeugung von SCDC-Systemen im mittleren Infrarot.
Abstract
(Englisch)
Optical frequency combs (OFCs) have become a ubiquitous tool in fields ranging from environmental monitoring to fundamental metrology. They are highly coherent, with high frequency precision and broad spectral coverage. However, the main challenge lies in developing a robust, reliable, and low-noise OFC. A dual-comb architecture is of particular interest owing to its capability to produce high-resolution measurements without additional moving parts, while also enabling rapid and accurate data acquisition. Thus, a dual-comb can be used for field-deployable applications as a light source with the detection unit being a fast photodiode. Conventionally, a dual-comb comprises two independent OFCs, which can lead to bulky and complex setups. A promising solution is the so-called single-cavity dual-comb (SCDC) system, wherein the two OFCs are generated from the same laser cavity. The single-cavity approach increases the mutual coherence between the two OFCs due to common-mode noise cancellation. Thus, an SCDC system provides a broadband, high-resolution spectrum with better mutual coherence and no complex moving parts, making it an ideal candidate for field-deployable applications. The main goal of this thesis is to design, implement, and characterize novel SCDC architectures tailored for ranging and spectroscopy. The dual-comb architectures are based on all polarization-maintaining (PM) fibers, mode-locked using a nonlinear amplifying loop mirror (NALM) technique. NALM-based fiber lasers are more stable and robust against environmental conditions. In this thesis, we first investigated the performance of NALM-based fiber lasers in the near-infrared region. The main focus was on the 1.5 μm OFC, since this wavelength offers low losses in silica fibers and is also in the “eye-safe” region. We examined how the losses in the cavity affect the modelocked spectrum and the overall noise performance. One of the publications led to the development of a novel, environmentally stable SCDC architecture exploiting the two polarization axes of the PM fiber. This SCDC system offers low-noise performance, outperforming existing NALM-based fiber lasers, on par with solid-state SCDCs, and even comparable to single-comb fiber lasers. A common-path fiber-based amplifier and the shift to other wavelengths are also presented in this thesis. In addition to the laser design, the thesis demonstrates two applications utilizing dual-combs: dual-comb ranging and spectroscopy. A dual-color SCDC system was used to perform a dual-comb ranging experiment. By exploiting the intrinsic modulations in the laser system, we were able to increase the non-ambiguity range to 150 km. Our dual-color SCDC was able to enhance the non-ambiguous range without the need for additional components, thereby reducing the complexity of the system. Thus, this system is capable of performing single-shot, high-precision absolute distance measurements over a large non-ambiguous range. For spectroscopy, we detected the absorption lines of carbon monoxide in a reference cell using the polarization-multiplexed SCDC. This measurement was carried out in the free-running operation of the dual-comb. We measured the absorption features at a resolution of 0.03 nm at a center wavelength of 1570 nm. This thesis concludes by providing a pathway for developing compact and reliable SCDC architectures. It gives a comprehensive framework for utilizing SCDC architectures for dual-comb ranging and spectroscopic applications. The thesis ends with open challenges and questions, especially the path toward efficient generation of mid-infrared SCDCs.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Optische Frequenzkämme Doppelkammsysteme Einkavitäts-DoppelKammsysteme Modengekoppelte Faserlaser
Schlagwörter
(Englisch)
Optical frequency combs Dual-comb systems Single-cavity dual-comb systems Modelocked fiber lasers
Autor*innen
Collin Aldia Pulickal Edwin 
Haupttitel (Englisch)
Single-cavity dual-comb architectures tailored for ranging and spectroscopic applications
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 77 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Marco Andrea Marangoni ,
Brigitta Schultze-Bernhardt
AC Nummer
AC17794071
Utheses ID
78922
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |