Abstract

We report on a high-power mid-infrared (MIR) frequency comb source based on a femtosecond (fs) Er:fiber oscillator with a stabilized repetition rate of 250 MHz. The MIR frequency comb is produced through difference frequency generation in a periodically poled MgO-doped lithium niobate crystal. The output power is about 120 mW, with a pulse duration of about 80 fs and spectrum coverage from 2.9 to 3.6 μm, and the single comb mode power is larger than 0.3 μW over the range of 700 nm. The coherence properties of the produced high-power broadband MIR frequency comb are maintained, which was verified by heterodyne measurements. As the first application, the spectrum of a 200ppm methane–air mixture in a short 20 cm glass cell at ambient atmospheric pressure and temperature was measured.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
    [CrossRef]
  2. A. Schliesser, N. Picque, and T. W. Hänsch, Nat. Photonics 6, 440 (2012).
    [CrossRef]
  3. F. Rust, Science 211, 1044 (1981).
    [CrossRef]
  4. D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).
  5. F. Keilmann, C. Gohle, and R. Holzwarth, Opt. Lett. 29, 1542 (2004).
    [CrossRef]
  6. M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
    [CrossRef]
  7. B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
    [CrossRef]
  8. A. M. Zolot, F. R. Giorgettta, E. Baumann, J. W. Nicholson, W. C. Swann, I. Coddington, and N. R. Newbury, Opt. Lett. 37, 638 (2012).
    [CrossRef]
  9. T. W. Neely, L. Nugent-Glandorf, F. Adler, and S. A. Diddams, Opt. Lett. 37, 4332 (2012).
    [CrossRef]
  10. D. G. Winters, P. Schlup, and R. A. Bartels, Opt. Lett. 35, 2179 (2010).
    [CrossRef]
  11. T. W. Neely, T. A. Johnson, and S. A. Diddams, Opt. Lett. 36, 4020 (2011).
    [CrossRef]
  12. A. Ruehl, A. Gambetta, I. Hartel, M. E. Fermann, K. S. E. Eikema, and M. Marangoni, Opt. Lett. 37, 2232 (2012).
    [CrossRef]
  13. C. R. Philips, J. Jiang, C. Mohr, A. C. Lin, C. Langrock, M. Snure, D. Bliss, M. Zhu, I. Hartl, J. S. Harris, M. E. Fermann, and M. M. Fejer, Opt. Lett. 37, 2928 (2012).
    [CrossRef]
  14. A. Gambetta, N. Coluccelli, M. Cassinerio, D. Gatti, P. Laporta, G. Galzerano, and M. Marangoni, Opt. Lett. 38, 1155 (2013).
    [CrossRef]
  15. S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).
  16. M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
    [CrossRef]
  17. HITRAN database, http://www.cfa.harvard.edu/hitran/ .

2013 (1)

2012 (5)

2011 (1)

2010 (2)

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

D. G. Winters, P. Schlup, and R. A. Bartels, Opt. Lett. 35, 2179 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

2008 (2)

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

2004 (1)

2002 (1)

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef]

1981 (1)

F. Rust, Science 211, 1044 (1981).
[CrossRef]

Adams, J. J.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Adler, F.

Aitken, C. M.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Bartels, R. A.

Baumann, E.

Bennett, B.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Bernhardt, B.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Bliss, D.

Bowler, B. F. J.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Brown, A.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Cassinerio, M.

Coddington, I.

Coluccelli, N.

Diddams, S. A.

Eikema, K. S. E.

Erdmann, M.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Fejer, M. M.

Fermann, M. E.

Galzerano, G.

Gambetta, A.

Gatti, D.

Giorgettta, F. R.

Gohle, C.

Gray, N. D.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Gubin, M. A.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Guelachvili, G.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Hänsch, T. W.

A. Schliesser, N. Picque, and T. W. Hänsch, Nat. Photonics 6, 440 (2012).
[CrossRef]

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef]

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Harris, J. S.

Hartel, I.

Hartl, I.

Head, I. M.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Holzwarth, R.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

F. Keilmann, C. Gohle, and R. Holzwarth, Opt. Lett. 29, 1542 (2004).
[CrossRef]

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef]

Huang, H.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Jacqey, M.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Jacquet, P.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Jiang, J.

Johnson, T. A.

Jones, D. M.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Keilmann, F.

Kireev, A. N.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Kobayashi, Y.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Konyashchenko, A. V.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Kryukov, P. G.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Langrock, C.

Laporta, P.

Larter, S. R.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Lin, A. C.

Marangoni, M.

Meek, S. A.

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Mohr, C.

Neely, T. W.

Newbury, N. R.

Nicholson, J. W.

Nugent-Glandorf, L.

Oldenburg, T.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Ozawa, A.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Philips, C. R.

Picque, N.

A. Schliesser, N. Picque, and T. W. Hänsch, Nat. Photonics 6, 440 (2012).
[CrossRef]

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Pique, N.

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Poisson, A.

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Rowan, A. K.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Rowan, C. M.

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Ruehl, A.

Rust, F.

F. Rust, Science 211, 1044 (1981).
[CrossRef]

Schliesser, A.

A. Schliesser, N. Picque, and T. W. Hänsch, Nat. Photonics 6, 440 (2012).
[CrossRef]

Schlup, P.

Shelkovnikov, A. S.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Snure, M.

Swann, W. C.

Tausenev, A. V.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Thorpe, M. J.

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

Tyurikov, D. A.

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Udem, Th.

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef]

Winters, D. G.

Ye, J.

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

Zhu, M.

Zolot, A. M.

Appl. Phys. B (2)

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

M. A. Gubin, A. N. Kireev, A. V. Konyashchenko, P. G. Kryukov, A. S. Shelkovnikov, A. V. Tausenev, and D. A. Tyurikov, Appl. Phys. B 95, 661 (2009).
[CrossRef]

Nat. Photonics (2)

A. Schliesser, N. Picque, and T. W. Hänsch, Nat. Photonics 6, 440 (2012).
[CrossRef]

B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacqey, Y. Kobayashi, Th. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Picque, Nat. Photonics 4, 55 (2010).
[CrossRef]

Nature (2)

D. M. Jones, I. M. Head, N. D. Gray, J. J. Adams, A. K. Rowan, C. M. Rowan, C. M. Aitken, B. Bennett, H. Huang, A. Brown, B. F. J. Bowler, T. Oldenburg, M. Erdmann, and S. R. Larter, Nature 451, 177 (2008).

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef]

Opt. Lett. (8)

Science (1)

F. Rust, Science 211, 1044 (1981).
[CrossRef]

Other (2)

HITRAN database, http://www.cfa.harvard.edu/hitran/ .

S. A. Meek, A. Poisson, G. Guelachvili, T. W. Hänsch, and N. Pique, “Fourier transform spectroscopy around 3 μm with a broad difference frequency comb,” arXiv:1302.6270 (2013).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Simplified diagram of MIR fs laser. EDFA, Er-doped fiber amplifier; YDFA, Yb-doped fiber amplifer; HNLF, highly nonlinear fiber; HWP, half-waveplate; DM, dichroic mirror; PPLN, periodically poled lithium niobate; LPF, longpass filter.

Fig. 2.
Fig. 2.

Spectra of the DFG system. (a) Spectra of pump (orange, left) and signal (blue, right). (b) Spectrum of the MIR fs laser. The absorption features in the spectrum are due to water vapor in the laboratory environment.

Fig. 3.
Fig. 3.

Interferometric autocorrelation trace of the MIR fs laser. The autocorrelation trace corresponds to a pulse duration of about 80 fs assuming a Gaussian pulse shape.

Fig. 4.
Fig. 4.

Beat notes between the CW laser and the NIR frequency combs (a) SHG comb converted from the MIR comb and (b) signal comb. The resolution bandwidth is 300 kHz, and the sweep time is 20 ms.

Fig. 5.
Fig. 5.

(a) Methane and water vapor absorption spectrum and (b) experimentally determined transmittance (red, bottom) compared with calculations from HITRAN database. The HITRAN calculation is inverted for clarity. The calculations are done for the experimental conditions: blue (top, spiked curve), 200 ppm methane in a 20 cm glass cell; purple (horizontal), 0.6% water vapor in air, 6 m path length.

Metrics