Frequency combs for spectroscopy and optical metrology

Abstract

Since their inception, optical frequency combs have created novel avenues for numerous applications such as molecular spectroscopy, atomic clocks, coherent communications, and microwave photonics. The future of frequency combs lies in exploring different comb generation technique, customized for specific applications. This thesis explores the synthesis of novel optical frequency combs in the near infrared wavelength region and the applications of such combs in the field of high-resolution spectroscopy and precise distance measurement. First, the generation of an electro-optic frequency comb with adjustable central wavelength and frequency spacing is experimentally demonstrated. This frequency comb is sourced from a single mode Brillouin fiber laser having an ultra-narrow linewidth that improves the overall phase noise performance of the comb spectral lines. A combined effect of electro-optic modulation, dispersion compensation, and fiber nonlinearity convert the continuous wave laser into a wideband optical frequency comb encompassing the C-band. Next, this frequency comb is used for a high-resolution distance measurement system that operates from the repetition rate modulation of the comb signal. The repetition frequency of the electro-optic comb is adjustable with a high dynamic range. Such broad tunablity of the repetition rate facilitates the measurement of distances with µm level precision. Such a system is also capable of motion tracking thanks to the rapid scan rate of the repetition frequency. Next, the application of electro-optic combs in high-resolution Fourier transform spectroscopy is demonstrated by measuring absorption lines of a chemical sample at 1.55 µm. The pulse train from a frequency comb, subject to a repetition rate modulation, stores the spectral response of a sample when sent to a length imbalanced interferometer. Such a system is equivalent to a dual-comb spectrometer but without the need for a complex phase matching mechanism. Finally, a novel laser resonator is developed for high-resolution dual-comb spectroscopy at 1.9 µm. This resonator supports two counter-propagating laser oscillations sharing a common cavity which relaxes the phase matching requirement for dual-comb spectroscopy. A proof-of-concept experiment demonstrated the measurement of absorption lines of ambient water vapor with a 100 MHz resolution. This approach holds great promise for dual-comb spectroscopy in the mid-infrared region where many chemicals have strong fundamental transitions.Depuis leur tout début, les peignes de fréquences optiques ont pavé la voie à de nombreuses applications tel que la spectroscopie moléculaire, les horloges atomiques, les communications cohérentes ainsi que la photonique appliquée aux micro-ondes. L’avenir des peignes de fréquences se trouve dans l’exploration de différentes techniques de génération de peignes spécialisés pour des applications spécifiques. Cette thèse explore la synthèse de nouveaux peignes de fréquences optiques dans l’infrarouge proche, ainsi que les applications de ces peignes dans le domaine de la spectroscopie à haute résolution et la mesure de distances de haute précision. En premier lieu, la génération d’un peigne de fréquence électro-optique à longueur d’onde centrale ajustable et à espacement de fréquence est démontré expérimentalement. Ce peigne de fréquence provient d’un laser à fibre Brillouin monomode à bande très étroite qui permet d’améliorer la performance globale du bruit de phase des lignes spectrales du peigne. Un effet combiné de la modulation électro-optique, de la compensation de la dispersion et de la non linéarité de la fibre convertit le laser à bande continue à un peigne de fréquence optique large bande englobant la bande C des télécommunications. Par la suite, ce peigne de fréquence est utilisé pour un système de mesure de distance haute résolution qui opère à partir de la modulation du taux de répétition du signal du peigne. La fréquence de répétition du peigne électro-optique est ajustable avec une plage dynamique élevée. Ceci permet de faciliter la mesure de distances avec un niveau de précision de l’ordre du micromètre. Un tel système est également capable de suivre le mouvement grâce au taux de balayage rapide de la fréquence de répétition. En deuxième lieu, l’application d’un peigne électro-optique dans la spectroscopie haute résolution par transformation de Fourier est démontrée par la mesure des lignes d’absorption d’un échantillon chimique à 1.55 µm. Le train d’impulsions d’un peigne à fréquence, sujet à la modulation du taux de répétition, contient la réponse spectrale d’un échantillon lorsqu’envoyé dans un interféromètre à bras asymétriques. Un tel système est équivalent à un spectromètre double-peigne sans le besoin d’un mécanisme d'adaptation de phase complexe. En dernier lieu, un nouveau résonateur laser est développé pour la spectroscopie haute résolution double-peigne à 1.9 µm. Ce résonateur supporte deux oscillations laser contre-propagatrices partageant une cavité commune. Cela permet d’assouplir l'exigence relative à l'adaptation de phase pour la spectroscopie double-peigne. Une preuve de concept a permis de démontrer la mesure des lignes d’absorption de la vapeur d’eau ambiante avec une résolution de 100 MHz. Cette approche s’avère très prometteuse pour la spectroscopie double-peigne dans l’infrarouge moyen où de nombreuses substances chimiques ont de fortes transitions fondamentales