Abstract

We report high-resolution saturated-absorption spectra recorded by use of a few microwatts of radiation generated in a single pass by difference-frequency mixing. These results were obtained without the use of buildup cavities for the nonlinear mixing or for the saturation spectroscopy. We show high-quality saturated-absorption signals for the fundamental rovibrational band of CO2 near 4.3 µm. Convenient sources and frequency-conversion devices open new possibilities for sub-Doppler spectroscopy in the infrared.

© 2000 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
    [CrossRef]
  2. R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
    [CrossRef]
  3. F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
    [CrossRef]
  4. D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.
  5. A. Balakrishnan, S. Sanders, S. DeMars, J. Webjorn, D. W. Nam, R. J. Lang, D. G. Mehuys, R. G. Waarts, and D. F. Welch, Opt. Lett. 21, 952 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
    [CrossRef]
  7. K. Shimoda, in High Resolution Spectroscopy, K. Shimoda, ed., Vol. 13 of Topics in Applied Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1976), p. 137.
  8. W. Demtröder, Laser Spectroscopy (Springer-Verlag, Berlin, 1996), p. 87.
  9. J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
    [CrossRef]

1998

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

1996

1995

K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
[CrossRef]

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

1992

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Al-Tahtamouni, R.

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Balakrishnan, A.

Bencheikh, K.

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Benner, D. C.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Brown, L. R.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Camy-Peyret, C.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Curl, R. F.

K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
[CrossRef]

Dax, A.

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

De Natale, P.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

DeMars, S.

Demtröder, W.

W. Demtröder, Laser Spectroscopy (Springer-Verlag, Berlin, 1996), p. 87.

Devi, V. M.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Flaud, J.-M.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Fort, C.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

Gamache, R. R.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Goldman, A.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Guisfredi, G.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

Hecker, A.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

Hollberg, L.

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

Kühnemann, F.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

Lang, M.

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Lang, R. J.

Maki, A. G.

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

Martis, A. A. E.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

Massie, S. T.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Mazzotti, D.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

Mehuys, D. G.

Mitchell, J.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

Mlynek, J.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Nam, D. W.

Perrin, A.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Petrov, K. P.

K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
[CrossRef]

Rinsland, C. P.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Rothman, L. S.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Sanders, S.

Schiller, S.

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

Schneider, K.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Shimoda, K.

K. Shimoda, in High Resolution Spectroscopy, K. Shimoda, ed., Vol. 13 of Topics in Applied Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1976), p. 137.

Smith, M. A. H.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Storz, R.

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

Tipping, R. H.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Tittel, F. K.

K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
[CrossRef]

Toth, R. A.

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Urban, W.

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

Waarts, R. G.

Webjorn, J.

Welch, D. F.

Wells, J. S.

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

Appl. Phys. B

K. P. Petrov, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 66, 531 (1995).
[CrossRef]

R. Al-Tahtamouni, K. Bencheikh, R. Storz, K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Appl. Phys. B 66, 733 (1998); G. M. Gibson, M. H. Dunn, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 23, 40 (1998); P. E. Powers, T. J. Kulp, and S. E. Bisson, Opt. Lett. 23, 159 (1998).
[CrossRef]

F. Kühnemann, K. Schneider, A. Hecker, A. A. E. Martis, W. Urban, S. Schiller, and J. Mlynek, Appl. Phys. B 66, 741 (1998).
[CrossRef]

J. Mol. Spectros

J. S. Wells, A. Dax, L. Hollberg, and A. G. Maki, J. Mol. Spectros 170, 75 (1995); A. Clairon, O. Acef, C. Chardonnet, and C. J. Bordé, in Frequency Standards and Metrology, A. DeMarchi, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1989) p. 212; M. A. Gubin, A. V. Nikulchin, and D. A. Tyurikov, ibid., p. 206.
[CrossRef]

J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer

L. S. Rothman, R. R. Gamache, R. H. Tipping, C. P. Rinsland, M. A. H. Smith, D. C. Benner, V. M. Devi, J.-M. Flaud, C. Camy-Peyret, A. Perrin, A. Goldman, S. T. Massie, L. R. Brown, and R. A. Toth, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 48, 469 (1992).
[CrossRef]

Opt. Lett.

Other

K. Shimoda, in High Resolution Spectroscopy, K. Shimoda, ed., Vol. 13 of Topics in Applied Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1976), p. 137.

W. Demtröder, Laser Spectroscopy (Springer-Verlag, Berlin, 1996), p. 87.

D. Mazzotti, P. De Natale, G. Guisfredi, C. Fort, J. Mitchell, and L. Hollberg, “Difference-frequency generation in PPLN at 4.3 µm: an analysis of sensitivity limits for DFG spectrometers,” submitted to Appl. Phys. B.

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 (3)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental setup: radiation is generated in PPLN crystal C by a mixture of light from the diode laser systems (DL1, master laser; DL2, slave laser) and the Nd:YAG laser. The IR beam is focused into the gas cell (0.5 mm length) filled with pure CO2 at pressures of 6–10 Pa and retroreflected by mirror M. The other optical components are λ/2, λ/4, half-wave and quarter-wave plates, respectively; OI’s, optical isolators; CL, cylindrical lens; L1–L4, lenses; DM, dichroic mirror; F, Ge filter; BS, beam splitter; W, CaF2 window; D, InSb detector; FP, Fabry–Perot optical spectrum analyzers; PZT’s, piezoelectric translators.

Fig. 2
Fig. 2

Saturated-absorption dip of the CO2 R14 line recorded as a first-derivative FM spectrum for the following experimental conditions: (a) pressure P=8.0 Pa, frequency span Δνspan=285 MHz, lock-in time constant τlockin=10 ms, scan time Tscan=20 s, modulation frequency νm=2 kHz; modulation amplitude Am=1.8 MHz; (b) P=6.7 Pa, Δνspan=28.5 MHz, τlockin=3 ms, Tscan=5 s, νm=2 kHz, Am=1.8 MHz.

Fig. 3
Fig. 3

Saturated-absorption dip of the CO2 R14 line recorded as a third-derivative FM spectrum under the following experimental conditions: P=10.7 Pa, Δνspan=28.5 MHz, τlockin=3 ms, Tscan=5 s, νm=2 kHz, Am=4 MHz. The superimposed Gaussian fit gives Δν=2.562 MHz, and the plot of residuals is shown below the fit.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

IS=0c22ΓΓμ2,
ΔνTT182RTM1w,

Metrics