Frequenzkämme

Frequenzkamm-Spektroskopie, insbesondere die Doppel-Frequenzkamm-Spektroskopie, ist eine neuartige Technik, die sich zur schnellen, präzisen und breitbandigen Messung an einer Vielzahl an Absorbern anbietet. So ist es zum Beispiel möglich, die Konzentration mehrerer Gase mithilfe einer Einzelmessung in weniger als 1 Millisekunde zu bestimmen. Dabei bietet die Doppel-Frequenzkamm-Spektroskopie eine große Flexibilität für den besten Kompromiss aus Messgeschwindigkeit, Messgenauigkeit und Anzahl der zu messenden Stoffe. Fraunhofer IPM hat sich zum Ziel gesetzt, diese Technologie für die Prozessmesstechnik einfach zugänglich und nutzbar zu machen. Daher legen wir unsere Forschungsschwerpunkte im Rahmen des Projekts COSPA auf die Bereiche Frequenz-Kamm-Erzeugung, Frequenz-Konversion und parallele, schnelle Messung mehrerer Gaskomponenten einer Probe. Ein besonderes Augenmerk liegt auf größtmöglicher Flexibilität zur Messung von Gasen im mittleren Infrarot, da Gasmoleküle in diesem Wellenlängenbereich starke und charakteristische Spektrallinien aufweisen.

Frequenzkämme: Optische Lineale

Ein Frequenzkamm (frequency comb, FC) ist eine Laserlichtquelle, die Licht mit einer Vielzahl sehr eng benachbarter Spektrallinien emittiert, deren Frequenzabstand immer gleich und genau bekannt ist. Daher der Name Frequenzkamm. Mithilfe eines Frequenzkamms lässt sich die Frequenz elektromagnetischer Strahlung sehr präzise messen, sodass man auch von einem »optischen Lineal« spricht. Die Entwicklung von Frequenzkämmen begann vor mehr als 20 Jahren und gilt als bahnbrechend. Ihre maßgeblichen Erfinder, Prof. Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenphysik und sein US-Kollege John Hall erhielten 2005 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zu optischen Frequenzkamm-Generatoren.

Doppel-Frequenzkamm-Systeme: Multi-Heterodyne Spektrometer

Die Verwendung zweier Frequenzkämme ermöglicht ein multi-heterodynes Messverfahren, bei dem ein Kamm mit einem zweiten überlagert wird. Sind die Spektrallinien des einen Kammes zu den Spektrallinien des zweiten versetzt, kommt es zur Schwebung oder auch periodischen Intensitätsänderung, die ähnlich wie in der Fourier-Transform-Spektroskopie ausgewertet werden kann. Somit tritt ein einzelner Photodetektor an die Stelle, wo sonst ein klassisches Spektrometer verwendet werden müsste. Dies ist für die Gasspektroskopie zusätzlich von Vorteil, da das Messverfahren Limitierungen klassischer Spektrometer umgeht und eine frei wählbare Frequenz-Auflösung im Bereich von wenigen hundert MHz erlaubt. Vergleicht man dies mit typische Breiten von Gasabsorptionen unter Atmosphärenbedingungen liegen diese im einstelligen GHz Bereich.

Forschungsschwerpunkt: Doppel-Kamm-Erzeugung

Der Bau eines einzelnen Frequenzkamms ist aufwendig, da viele hochgradig kontrollierbare Bauelemente benötigt werden. Die Kontrollanforderungen steigen für die Doppel-Frequenzkamm-Technik durch die zusätzlich notwendige Synchronisation der beiden Einzelkämme. Vielversprechend für den Einsatz außerhalb von Laborumgebungen sind Frequenz-Kämme, die aus einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden können, da hier die Synchronisation erheblich vereinfacht ist. Vor diesem Hintergrund generieren wir zwei Frequenzkämme über elektrooptische Modulation aus einem einzigen Dauerstrichlaser und verbreitern sie spektral in einem weiteren Schritt über nichtlineare Effekte in einer Faser.

Forschungsschwerpunkt: Konversion ins Mittelinfrarote

Für die Gasspektroskopie geeignete Frequenz-Kämme werden typischerweise im nahen Infrarot erzeugt, und sind somit nur für Gase, die in diesem Spektralbereich Absorptionen aufweisen, einsetzbar. Es ist daher nach derzeitigem Stand der Technik unumgänglich, diese Frequenz-Kämme mittels nichtlinearer Prozesse wie der Differenz-Frequenz-Mischung in den gewünschten Spektralbereich zu konvertieren. Bei der Spektroskopie kommt dem mittleren Infrarot besondere Bedeutung zu, denn viele Moleküle besitzen dort charakteristische Spektrallinien. Für den MIR-Bereich entwickeln wir ein Konversions-Modul, das in der Lage ist, einen einzelnen oder zwei überlagerte Frequenz-Kämme in einen beliebigen Spektralbereich von 3 µm bis 5 µm zu konvertieren. Wir können dabei auf langjährige Erfahrungen im Bereich der Erzeugung von abstimmbaren Laserquellen und der nichtlinearen Konversion verschiedenster Lichtquellen zurückgreifen.

Forschungsschwerpunkt: Mehrkomponenten-Analyse

Die hohe Frequenzauflösung und der große Spektralbereich, der in einer Einzelmessung abgedeckt werden kann, ist vielversprechend um Absorptionen unterschiedlicher Komponenten einer Probe trennen und somit eine isolierte Konzentrationsbestimmung durchführen zu können. Wir untersuchen daher zum einen die Möglichkeiten, die Konzentration mehrerer Gase, deren charakteristische Spektrallinien einen Überlapp aufweisen, gleichzeitig zu messen und zum anderen verschiedene Gase, die in unterschiedlichen Spektralbereichen absorbieren, durch zeitlich getrennte Messung zu bestimmen.

Publikationen »Frequenzkämme«

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2023 Mid-infrared frequency combs and staggered spectral patterns in χ(2) microresonators
Amiune, Nicolás; Fan, Zhiwei; Pankratov, Vladislav V.; Puzyrev, Danila N.; Skryabin, Dmitry V.; Zawilski, Kevin; Schunemann, Peter G.; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Rapid Quantitative Analysis of IR Absorption Spectra for Trace Gas Detection by Artificial Neural Networks Trained with Synthetic Data
Goldschmidt, Jens; Nitzsche, Leonard; Wolf, Sebastian; Lambrecht, Armin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Doppel-Frequenzkamm-Spektrometer für die Spurengasdetektion
Nitzsche, Leonard
Dissertation
Doctoral Thesis
2022 Dual backgrounds and their stability during frequency comb and second harmonic generation in CH(2) microresonators
Sturman, Boris; Podivilov, Evgeniy; Szabados, Jan; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Two-component gas sensing with MIR dual comb spectroscopy: Fast and precise monitoring of concentrations despite complex spectra
Nitzsche, Leonard; Goldschmidt, Jens; Lambrecht, Armin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Frequenzkammerzeugung mittels Frequenzverdopplung in Lithiumniobat-Flüstergalerieresonatoren
Szabados, Jan
Dissertation
Doctoral Thesis
2022 CH(2) frequency comb generation based on optical parametric oscillation in a lithium niobate microresonator
Amiune, Nicolás; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Low-threshold frequency comb generation using second-order nonlinearities in lithium niobate whispering gallery resonators
Szabados, Jan; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Soliton based CH(2) combs in high-Q optical microresonators
Smirnov, Sergey; Andryushkov, Valeriy; Podivilov, Evgeniy; Sturman, Boris; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Electro-Optic Control of Lithium Niobate Bulk Whispering Gallery Resonators: Analysis of the Distribution of Externally Applied Electric Fields
Minet, Yannick; Zappe, Hans; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Real-Time Data Processing for an Electro-Optic Dual-Comb Spectrometer
Nitzsche, Leonard; Goldschmidt, Jens; Kießling, Jens; Wolf, Sebastian; Kühnemann, Frank; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 From optical parametric oscillation to frequency-comb generation in whispering gallery resonators made of CdSiP2
Amiune, Nicolas; Zawilski, Kevin T.; Schunemann, Peter G.; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Fine structure of second-harmonic resonances in CH(2) optical microresonators
Szabados, Jan; Amiune, Nicolás; Sturman, Boris; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Advances in Pockels-effect-based adiabatic frequency conversion in lithium niobate high-Q optical microresonators
Minet, Yannick; Basler, Michael; Zappe, Hans; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Frequency comb generation based on optical parametric oscillation with second-order nonlinear materials
Amiune, Nicolás; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 A dual-comb spectrometer for trace gas analysis in the mid-infrared
Nitzsche, Leonard; Goldschmidt, Jens; Kießling, Jens; Wolf, Sebastian; Kühnemann, Frank; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Optical-parametric-oscillation-based CH(2) frequency comb in a lithium niobate microresonator
Amiune, Nicolás; Puzyrev, Danila N.; Pankratov, Vladislav V.; Skryabin, Dmitry V.; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Tunable dual-comb spectrometer for mid-infrared trace gas analysis from 3 to 4.7 µm
Nitzsche, Leonard; Goldschmidt, Jens; Kießling, Jens; Wolf, Sebastian; Kühnemann, Frank; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Frequency comb generation threshold via second-harmonic excitation in CH(2) optical microresonators
Szabados, Jan; Sturman, Boris; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Juggling with light: Powerful second-order nonlinear optical effects in whispering gallery resonators
Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 Frequency comb generation in non-centrosymmetric optical microresonators
Szabados, Jan; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 Frequency comb solutions for driven X(2) optical microresonators
Podivilov, Evgeniy; Sturman, Boris; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Nonlinear solutions for CH(2) frequency combs in optical microresonators
Podivilov, Evgeniy; Smirnov, Sergey; Breunig, Ingo; Sturman, Boris
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Electro-optic eigenfrequency tuning of potassium tantalate-niobate microresonators
Szabados, Jan; Werner, Christoph S.; Herr, Simon J.; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 A Dual Frequency Comb spectrometer suited for open-path greenhouse (GHG) and trace gas detection
Nitzsche, Leonard; Goldschmidt, Jens; Kießling, Jens; Wolf, Sebastian; Kühnemann, Frank; Wöllenstein, Jürgen
Poster
2020 Frequency Comb Generation via Cascaded Second-Order Nonlinearities in Microresonators
Szabados, Jan; Puzyrev, Danila N.; Minet, Yannick; Reis, Luis; Buse, Karsten; Villois, Alberto; Skryabin, Dmitry V.; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Walk-off controlled self-starting frequency combs in CH(2) optical microresonators
Smirnov, Sergey; Sturman, Boris; Podivilov, Evgeniy; Breunig, Ingo
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Femtosecond-Driven Up-Conversion in a Radially Poled LiNbO3 Microresonator
Roiz, Mikhail; Werner, Christoph S.; Breunig, Ingo; Vaini, Markku
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Frequency Comb Generation and Conversion in Non-Centrosymmetric Optical Microresonators
Szabados, Jan; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 High repetition rate frequency comb up- and down-conversion in synchronously driven microresonators
Szabados, Jan; Brasch, Victor; Herr, Simon J.; Obrzud, Ewelina; Jia, Yuechen; Lecomte, Steve; Buse, Karsten; Breunig, Ingo; Herr, Tobias
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Radially-Poled Stoichiometric Lithium Tantalate Microresonators for Nonlinear-Optical Applications
Uluda, Macit; Szabados, Jan; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Adiabatic Frequency Conversion in Non-Centrosymmetric High-Q Optical Microresonators
Minet, Yannick; Reis, Luis; Buse, Karsten; Breunig, Ingo
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Frequency combs in a microring optical parametric oscillator
Villois, Alberto; Kondratiev, Nikita M.; Breunig, Ingo; Puzyrev, Danila N.; Skryabin, Dmitry V.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Frequency comb up- and down-conversion in synchronously driven CH(2) optical microresonators
Herr, Simon J.; Brasch, Victor; Szabados, Jan; Obrzud, Ewelina; Jia, Yuechen; Lecomte, Steve; Buse, Karsten; Breunig, Ingo; Herr, Tobias
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Electro-optic tuning of potassium tantalate-niobate whispering gallery resonators
Szabados, Jan; Kini Manjeshwar, Sushanth; Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Konferenzbeitrag
Conference Paper
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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