Single-Cavity Dual-Comb Laser

Das Forschungsfeld der Spektroskopie beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen beziehungsweise der Detektion von Molekülen. Hierzu strahlt man breitbandiges Licht (also Licht verschiedener Farben) auf die zu messende Probe und beobachtet welche Farben des Lichts von der Probe verschluckt (genauer absorbiert) werden. Aus diesem spezifischen Absorptions-Fingerabdruck lassen sich dann Rückschlüsse über die vorhandenen Gase bzw. deren Molekülstruktur ziehen. Die oben beschriebene Methodik ist seit langem in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen etabliert und funktioniert sehr gut im Laborbetrieb und wenn nur ein geringes Auflösungsvermögen benötigt wird. Bei komplexen Gasmischungen, z.B. mit vielen verschiedene Gasen zusammen mit Spurengasen in kleinster Konzentration stößt die Methodik wegen des geringen Farbenunterscheidungsvermögens (Auflösungsvermögens) an Ihre Grenzen. Zudem sind herkömmliche Geräte relativ komplex und sperrig. Mit der Erfindung des optischen Frequenzkammes wurde es möglich die Auflösung spektroskopischer Messungen drastisch zu erhöhen. Einen Frequenzkamm kann man sich wie viele verschiedene Laser genau definierter Farben vorstellen. Das wohldefinierte Farb-Spektrum des Frequenzkammes erlaubt es genauere Rückschlüsse über das absorbierte Licht zu ziehen. Die Messgeräte welche auf dieser neuen Technologie basieren wurden allerdings komplexer und benötigen entweder ausgereifte Regelungsschleifen zur Stabilisierung des erzeugten Lichts oder weiterhin einen klobigen Aufbau für die Vermessung des Lichtes. In diesem Projekt erforschen wir einen neuartigen Ansatz bei welchem zwei optische Frequenzkämme in einem Laser erzeugt werden. Diese beiden Frequenzkämme sind relativ zueinander stabil da sie aus der gleichen Quelle kommen. Nutzt man nun beide Frequenzkämme um ein Differenzsignal zu erzeugen, dann ist dieses Signal auch ohne Regelungsschleifen stabil genug für Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie. Ein weiterer Vorteil dieser als Dual- Comb Spektroskopie bekannten Messmethode ist, dass das benötigte Signal mit einem einfachen Lichtsensor erzeugt werden kann. Ein klobiger Detektor ist also nicht mehr nötig um hochauflösenden die Zusammensetzung komplexer gase zu bestimmen. Mit diesem Projekt legen wir die Grundlagen für einfache hochauflösende Spektroskopie und untersuchen das Potential der neuen Methode Spektrometer zum Einsatz im freien Feld außerhalb einer dedizierten Laborumgebung. Mögliche Anwendungsfelder für dieses Spektrometer sind z.B. die Messung von Treibhausgasen in der Atmosphäre oder die Überwachung von Kontaminationen in industriellen Produktionsprozessen.

Optical frequency combs-ultra-precise laser sources emitting a spectrum of evenly spaced lines-have revolutionized the way we measure time, space, and matter. Within this project, we focused on advancing dual-comb laser technology: a powerful technique that enables high-resolution, rapid spectroscopy without moving parts. Our overarching goal was to build compact, low-noise laser systems that serve as reliable platforms for real-world sensing applications. While we initially explored a Yb:fiber-based dual-comb system, we faced challenges related to noise and stability. In response, we strategically pivoted to an Er:fiber-based single-cavity dual-comb (SC-DC) laser using polarization multiplexing. This new architecture proved transformative: it enabled mutual coherence without active stabilization, exhibited excellent long-term stability, and relied entirely on robust, off-the-shelf components. Our work culminated in the demonstration of free-running dual-comb spectroscopy of carbon monoxide-a key milestone published in Journal of Physics: Photonics [1]. The system operates at a repetition rate of ~75 MHz with tunable difference frequencies up to 200 kHz and supports acquisition rates compatible with real-time molecular sensing. The ability to tune the repetition rate offset allows flexible adaptation to different applications, while the clean, overlapping spectra eliminate the need for additional broadening. We also investigated how noise in fiber-based lasers can be passively minimized by carefully tuning intracavity parameters. We discovered that the amplitude noise of mode-locked lasers based on nonlinear amplifying loop mirrors (NALMs) can be reduced by more than 50% through subtle adjustments of internal waveplates. This finding, reported in Optics Express [2], opens new routes to optimize laser performance without added hardware complexity. In a complementary study published in Optics Letters [3], we showed how to extend the ambiguity-free range of dual-comb-based distance measurements-enabling accurate ranging over hundreds of kilometers with simple, compact setups. This represents a step forward in integrating dual-comb technology into metrology and sensing applications beyond the laboratory. Although the full mid-infrared extension via difference frequency generation (DFG) is still in progress, the laser platform developed during this project provides a robust and low-noise foundation ideally suited for this next step. The demonstrated performance in the near-infrared marks a major milestone in compact, reliable dual-comb systems. With the groundwork now laid, we are well-positioned to pursue broadband mid-IR spectroscopy in future work-offering exciting prospects for environmental monitoring, industrial quality control, and precision measurements. Key Publications: [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