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    Fully Frequency-Locked Multiheterodyne Architecture for Remote Optical Frequency Comb Rapid Detection

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    In this paper, a new approach to optical frequency comb (OFC) detection based on a multiheterodyne arrangement is presented. The architecture relies on optical injection locking as a mechanism to induce coherence between an incoming remote OFC and a local oscillator comb with slightly different repetition frequency to retrieve the information encoded in the former. An additional RF locking technique between combs is also implemented, cancelling any frequency drifts and ensuring the temporal stability of the detection scheme while preserving its autonomy from any remote comb. The detection system is validated by recording the coherently averaged transmission spectra of a fibre Bragg grating sensor imprinted into an electro-optic comb around 1540 nm within 100 mu s integration time. While maintaining the range of advantages of dual-comb architectures, such as simultaneous access to manifold spectral points, high resolution, and ultrafast measurement times, the presented system holds promise for being employed as a remote comb detector for different field applications.Spanish Ministry of Economy and Competitiveness for supporting the project under the TEC-2014-52147-R (MOSSI). The work by Borja Jerez has been performed in the frame of a FPU Program, #FPU014/06338, granted by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports. The work by Frederik Walla is supported by the European project H2020-MSCA-ITN-2015 (CELTA)

    Nanoscopic surface measurements on metasurfaces and 2D materials

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    Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit. Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil. Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet. Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen. In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde. Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte. Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden..

    Flexible electro-optic, single-crystal difference frequency generation architecture for ultrafast mid-infrared dual-comb spectroscopy

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    Crowded with the fundamental signatures of many popular molecules, the mid-infrared range of the electromagnetic spectrum is particularly attractive for applications ranging from identification of transient phenomena to sensing of trace gases. Dual-comb spectroscopy is a technique that unveils the potential to access this region with a pair of phase-locked optical frequency combs on a high-resolution, real-time basis without the mechanical limitations of traditional spectrometers. As the ideal characteristics of an optical frequency comb are strongly influenced by the target application, electro-optic dual-comb systems are one of the most promising solutions with full capabilities to neatly fit to the application of interest beyond laboratory environments. Parameters such as resolution, measurement speed, or central wavelength are easily adjustable by means of compact, low-cost arrangements based on commercial off-the-shelf components. To fully exploit their potential for molecular spectroscopy, we present here a modular instrument designed to perform ultrafast dual-comb spectroscopy in the mid-infrared region. The architecture comprises a fiberized near-infrared electro-optic dual-comb scheme and a single-crystal difference frequency generation module to generate mid-infrared combs, thus significantly alleviating the complexity of the free-space setup while preserving absolute independence between the instrument and the sample of study. The feasibility of the instrument is successfully validated by recovering the absorption profile of methane at 2896.98 cm-1 within tens of microseconds.The authors would like to thank the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness for supporting the project under the grant TEC-2014-52147-R (MOSSI). The work by B.J. has been performed in the frame of an FPU Program, #FPU014/06338, granted by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports. The work by F.W. is supported by the Europeanproject H2020-MSCA-ITN-2015 (CELTA)

    Electro-optic THz dual-comb architecture for high-resolution, absolute spectroscopy

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    An absolute-frequency terahertz (THz) dual-frequency comb spectrometer based on electro-optic modulators for tunable, high-resolution, and real-time rapid acquisition is presented. An optical line of a master frequency comb (filtered via optical injection locking) serves as the seed to electro-optically generate a pair of new frequency combs (probe and local oscillator). Photomixing both combs with another coherent line from the same original master comb generates a narrow linewidth THz dual-comb with teeth frequencies that can be referenced to a radio-frequency standard. The system is validated with a proof-of-principle measurement of a microwave filter in the W-band.Ministerio de EconomĂ­a y Competitividad (MINECO) (TEC2017-86271-R); Ministerio de EducaciĂłn, Cultura y Deporte (MECD) FPU Program (FPU014/06338); H2020 European Research Council (ERC) (H2020-MSCAITN-2015)

    Anisotropic excitation of surface plasmon polaritons on a metal film by a scattering-type scanning near-field microscope with a non-rotationally-symmetric probe tip

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    We investigated the excitation of surface plasmon polaritons on gold films with the metallized probe tip of a scattering-type scanning near-field optical microscope (s-SNOM). The emission of the polaritons from the tip, illuminated by near-infrared laser radiation, was found to be anisotropic and not circularly symmetric as expected on the basis of literature data. We furthermore identified an additional excitation channel via light that was reflected off the tip and excited the plasmon polaritons at the edge of the metal film. Our results, while obtained for a non-rotationally-symmetric type of probe tip and thus specific for this situation, indicate that when an s-SNOM is employed for the investigation of plasmonic structures, the unintentional excitation of surface waves and anisotropic surface wave propagation must be considered in order to correctly interpret the signatures of plasmon polariton generation and propagation
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