Single-Cavity Dual-Comb Laser

Absorption spectroscopy enables the non-destructive determination of gas composition or the detection of molecules. For this purpose, one exposes the sample to broadband light and observes which colors of the incident light are absorbed. This specific absorption fingerprint enables us to draw conclusions about the gases present or their molecular structure. The methodology described above has long been established in many scientific disciplines and works very well in laboratory operations in situations when a low resolution is sufficient. With complex gas mixtures, e.g., consisting of many different gasses, in addition to trace gases in small concentrations, this approach reaches its limits due to low color discrimination (resolution). Besides, conventional devices are relatively complex and bulky. The invention of the optical frequency comb made it possible to increase the resolution of spectroscopic measurements drastically. However, measuring devices based on this new technology have become more complex and either require sophisticated control loops to stabilize the light generated or continue to incorporate a bulky spectrometer. In this project, we are researching a new approach in which two optical frequency combs are generated in one laser. These two frequency combs are stable relative to each other since they come from the same source. If you now use both frequency combs to generate a difference signal, this signal is stable enough for absorption spectroscopy applications even without control loops. Another advantage of this detection method known as "dual-comb" spectroscopy is that the required signal is measured with a simple light sensor. A bulky detector is no longer necessary to determine the composition of complex gases in high resolution. With this project, we lay the foundations for simple high-resolution spectroscopy and investigate the potential of the new spectrometer method in the open field outside of a dedicated laboratory environment. Possible areas of application for this spectrometer are e.g., the measurement of greenhouse gases in the atmosphere or the monitoring of contamination in industrial production processes.

Optische Frequenzkämme - ultrapräzise Laserquellen, die ein Spektrum gleichmäßig verteilter Linien erzeugen - haben die Messung von Zeit, Raum und Materie revolutioniert. In diesem Projekt stand die Weiterentwicklung der Dual-Kamm-Technologie im Mittelpunkt: einer leistungsstarken Methode, die hochauflösende, schnelle Spektroskopie ohne bewegliche Teile ermöglicht. Unser übergeordnetes Ziel war die Entwicklung kompakter, rauscharmer Lasersysteme, die als zuverlässige Plattformen für Anwendungen außerhalb des Labors dienen können. Ursprünglich verfolgten wir einen auf Yb:Fasern basierenden Dual-Kamm-Ansatz, stießen dabei jedoch auf Herausforderungen hinsichtlich Rauschverhalten und Stabilität. Daher wichen wir strategisch auf einen Er:Faser-basierten Single-Cavity-Dual-Comb (SC-DC) Laser mit Polarisationsmultiplexing aus. Diese Architektur erwies sich als wegweisend: Sie ermöglichte gegenseitige Kohärenz ohne aktive Stabilisierung, zeigte hervorragende Langzeitstabilität und basierte vollständig auf handelsüblichen Komponenten. Der Höhepunkt unserer Arbeiten war der Nachweis freilaufender Dual-Kamm-Spektroskopie von Kohlenmonoxid - ein zentrales Ergebnis, veröffentlicht im Journal of Physics: Photonics [1]. Das System arbeitet mit einer Wiederholrate von ~75 MHz und bietet abstimmbare Differenzfrequenzen bis 200 kHz. Es erlaubt Messraten, die mit Echtzeit-Anwendungen vereinbar sind. Die Möglichkeit zur Abstimmung der Wiederholraten-Differenz erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungsszenarien, während das überlappende Spektrum zusätzliche Spektralverbreiterung überflüssig macht. Wir untersuchten auch, wie sich das Rauschen in faserbasierten Lasern durch gezielte Optimierung intrakavitätärer Parameter passiv reduzieren lässt. Dabei konnten wir zeigen, dass das Amplitudenrauschen von modegelockten Lasern auf Basis nichtlinearer NALM-Strukturen durch feine Justierung interner Wellenplatten um mehr als 50% gesenkt werden kann. Diese Erkenntnis, veröffentlicht in Optics Express [2], eröffnet neue Wege zur Leistungsoptimierung ohne zusätzliche Hardware. In einer komplementären Studie, erschienen in Optics Letters [3], zeigten wir, wie sich der eindeutige Messbereich von Dual-Kamm-basierten Distanzmessungen signifikant erweitern lässt - bis auf Hunderte Kilometer, mit einfachen, kompakten Aufbauten. Dies stellt einen wichtigen Schritt zur breiteren Nutzung von Dual-Kamm-Technologie in Messtechnik und Sensorik dar. Auch wenn die Erweiterung in den mittleren Infrarotbereich (DFG) noch in Arbeit ist, bietet das entwickelte Lasersystem eine stabile und rauscharme Grundlage für diesen nächsten Schritt. Die erzielte Performance im nahen Infrarot stellt bereits einen Meilenstein auf dem Weg zu kompakten, zuverlässigen Dual-Kamm-Systemen dar. Mit diesem Fundament sind wir bestens positioniert, um künftig breitbandige Mid-IR-Spektroskopie voranzutreiben - mit vielversprechenden Anwendungen in Umweltanalytik, industrieller Qualitätskontrolle und Präzisionsmesstechnik. Wichtige Veröffentlichungen: [1] P.E. Collin Aldia et al., J. Phys. Photonics 6, 045017 (2024). https://doi.org/10.1088/2515-7647/ad819f [2] V. F. Pecile et al., Opt. Express 31, 36824 (2023). https://doi.org/10.1364/OE.501997 [3] J. Fellinger et al., Opt. Lett. 46, 3677 (2021). https://doi.org/10.1364/OL.427816