RT Dissertation/Thesis
T1 Novel semiconductor laser-based architectures for dual-comb spectroscopy in the near-infrared, mid-infrared and THz ranges
A1 Jerez González, Borja
AB The potential of Optical Frequency Combs as multimode sources featuringunprecedented high levels of accuracy, high resolution and broad bandwidth hasrendered these instruments into one of the preferred tools across an everincreasingrange of disciplines. To fully capitalize on these astonishing virtues, oneof the most successful approaches in recent years is the so-called dual-combtechnique, or in a more general sense, dual-comb spectroscopy. The rationale ofthis method for comb detection lies in the employment of a second OpticalFrequency Comb with different line spacing to simultaneously access to the wholespectral content of its counterpart, thus allowing for ultra-fast measurements(usually below one second) without sacrificing any of the outstanding capabilitiesof the Optical Frequency Combs. Nevertheless, in spite of the astoundingdevelopment that dual-comb architectures have undergone in the past decade,advancements in terms of simplicity, robustness, associated cost, reduced footprintand adaptability to the target application are still underway.In order to address this set of limitations, this Ph.D dissertation exploresnew possibilities for dual-comb spectroscopy and demonstrates their potential bymeans of several contributions across the most spectroscopically relevant regionsof the electromagnetic spectrum (i.e., Near-Infrared, Mid-Infrared and the THzrange). In particular, special emphasis has been laid on two aspects: the reductionin the design complexity regardless of the spectral region; and the externalcustomization of the main set of parameters that dictate the performance of thesources so that they can easily fit the application of interest. For that purpose,different commercial off-the-shelf components, laser devices and well-establishedinterdisciplinary techniques have been employed to establish synergies that havehelped to increase the proficiency of these systems.The present work has unveiled the first demonstrations of Near-Infrared(1.5 μm) dual-comb spectrometers whose operating principle stems from Gain-Switching in semiconductor lasers together with Optical Injection Locking and hasfurther harnessed the use of the latter technique for the implementation of a novelmultiheterodyne setup that relies on electro-optic modulation for remote combdetection. In a different original contribution, Near-Infrared dual-combs based onelectro-optic modulation have been successfully shifted to the Mid-Infrared regionvia nonlinear mixing in a single periodically-poled lithium niobate crystal forultra-fast absorption spectroscopy in the 3.5 μm region. Moreover, the use of large signal modulation has been applied to a single-mode Distributed FeedbackQuantum Cascade Laser emitting at 7.5 μm to demonstrate the generation ofcoherent multiharmonic signals with adaptable line spacing for the first time inthis kind of device. Finally, an innovative architecture based on electro-opticmodulation and Optical Injection Locking has been devised for the photonicsynthesis of THz dual-combs featuring a series of unprecedented characteristics inthis spectral domain. This collection of schemes and methods have beensuccessfully validated with a number of spectroscopic samples that exhibitdifferent properties, from low-pressure gases (hydrogen cyanide or methane) andfibre Bragg grating sensors to electronic microwave filters, thus demonstrating theversatility of the proposed systems.In summary, most of the efforts in this thesis have been devoted to thedevelopment of dual-comb architectures in the main spectral windows of interestfor the scientific community, with special emphasis on flexible designs aimed tocater towards the requirements of a wide range of applications that may enabletheir eventual adoption beyond metrology laboratory environments.
AB El potencial de los peines de frecuencias ópticas como fuentes multimodocaracterizadas por su alta resolución, extenso ancho de banda o excepcional nivelde precisión ha permitido que estos instrumentos se hayan convertido en una delas herramientas preferidas para un número de disciplinas cada vez mayor. Con elfin de explotar estas virtudes, uno de los métodos que más éxito ha tenido en losúltimos años consiste en la técnica de los peines duales (dual-combs), o, dicho deforma más común, espectroscopía con peines duales (dual-comb spectroscopy). Estatécnica para detección de peines de frecuencias ópticas se fundamenta en lautilización de un segundo peine con un espaciado en frecuencia distinto paraacceder de forma simultánea a la totalidad del contenido espectral del primero,permitiendo así medidas ultrarrápidas (normalmente, por debajo de 1 segundo)sin la necesidad de sacrificar ninguna de las sobresalientes aptitudes que soncaracterísticas de los peines de frecuencias ópticas. No obstante, a pesar del grandesarrollo que las arquitecturas dual-comb han experimentado en la última década,existe todavía un gran número de avances en términos de simplicidad, robustez,coste asociado, tamaño y adaptabilidad a la aplicación de interés que se encuentrantodavía en pleno desarrollo.Con el objetivo de abordar estas limitaciones, esta Tesis Doctoral exploranuevas posibilidades para dual-comb spectroscopy y demuestra el potencial de lasmismas a través de contribuciones a lo largo y ancho de las regiones del espectroelectromagnético con más relevancia en términos espectroscópicos (es decir,Infrarrojo Cercano, Infrarrojo Medio y el rango de los THz). En particular, se hahecho especial énfasis en dos aspectos: la reducción de la complejidad asociada aldiseño con independencia de la región espectral, y la posibilidad de modificaciónexterna del conjunto de parámetros que definen las propiedades de las fuentesópticas, de tal manera que éstas puedan ajustarse fácilmente a la aplicación deinterés. Con este fin, diversos componentes comerciales, dispositivos láseres ytécnicas interdisciplinarias consolidadas han sido empleadas para crear sinergiasque han permitido el desarrollo de las facultades de estos sistemas.Expuesto lo anterior, el presente trabajo ha revelado las primerasdemostraciones de espectrómetros dual-comb en Infrarrojo Cercano (1.5 μm) cuyoprincipio de operación reside en la técnica Gain-Switching en láseres desemiconductor junto con inyección óptica y, además, ha explotado la última deestas técnicas para la implementación un nuevo esquema multiheterodino basado en modulación electro-óptica para la detección remota de peines de frecuenciaóptica. Además, en otra contribución original, se ha llevado a cabo la transferenciade dual-combs basados en modulación electro-óptica desde el Infrarrojo Cercanohacia el Infrarrojo Medio a través de un proceso de mezclado no lineal en un únicocristal periódicamente invertido de niobato de litio para realizar espectroscopía deabsorción ultrarrápida en torno a 3.5 μm. Asimismo, el uso de modulación en granseñal se ha aplicado a un láser de cascada cuántica monomodo con emisión a 7.5μm para demostrar la generación de señales multiarmónicas coherentes con unespaciado en frecuencia adaptable por primera vez en este tipo de dispositivos.Por último, se ha diseñado una arquitectura innovadora basada en modulaciónelectro-óptica e inyección óptica para la síntesis fotónica de dual-combs en la regiónde los THz con una serie de características no vistas hasta la fecha en este dominioespectral. Esta colección de sistemas y métodos ha sido exitosamente validada pormedio de una serie de muestras espectroscópicas que exhiben propiedades muydistintas, desde gases a baja presión (como ácido cianhídrico o metano) y sensoresbasados en redes de Bragg en fibra óptica hasta filtros electrónicos de microondas,demostrando, de esta manera, la versatilidad de los sistemas propuestos.En definitiva, el trabajo principal de esta Tesis se ha dedicado al desarrollode arquitecturas dual-comb en las principales regiones espectrales de interés parala comunidad científica, poniendo el acento sobre la realización de diseñosflexibles orientados a satisfacer los requerimientos de un amplio número deaplicaciones que puedan permitir la eventual adopción de dichos sistemas más alláde los laboratorios de investigación.
YR 2019
FD 2019-04
LK https://hdl.handle.net/10016/31447
UL https://hdl.handle.net/10016/31447
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 27 jul. 2024