Abstract

We demonstrate the possibility of extending the well-established metrological performance of optical frequency-comb synthesizers to the mid-IR region by phase locking the pump and signal lasers of a difference-frequency source to two near-IR teeth of an optical comb. An uncertainty of 800Hz (1.1×1011) in the absolute frequencies of CO2 transitions near 4.2μm has been measured by cavity-enhanced saturated-absorption spectroscopy. Prospects for the creation of a new dense set of high-quality molecular frequency standards in the IR are discussed.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
    [CrossRef]
  2. T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
    [CrossRef]
  3. D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. S. T. Cundiff and J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003).
    [CrossRef]
  5. J. Rauschenberger, T. M. Fortier, D. J. Jones, J. Ye, and S. T. Cundiff, Opt. Express 10, 1404 (2002), http://www.opticsexpress.org.
    [CrossRef] [PubMed]
  6. F. L. Hong, K. Minoshima, A. Onae, H. Inaba, H. Takada, A. Hirai, and H. Matsumoto, Opt. Lett. 28, 1516 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. I. Thomann, A. Bartels, K. L. Corwin, N. R. Newbury, L. Hollberg, S. A. Diddams, J. W. Nicholson, and M. F. Yan, Opt. Lett. 28, 1368 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. S. Foreman, D. J. Jones, and J. Ye, Opt. Lett. 28, 370 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. T. Fuji, A. Apolonski, and F. Krausz, Opt. Lett. 29, 632 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
    [CrossRef]
  12. D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
    [CrossRef]
  13. S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
    [CrossRef]
  14. S. T. Cundiff, J. Ye, and J. L. Hall, Rev. Sci. Instrum. 72, 3749 (2001).
    [CrossRef]
  15. J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
    [CrossRef]
  16. M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]

2004 (2)

2003 (6)

2002 (3)

2001 (1)

S. T. Cundiff, J. Ye, and J. L. Hall, Rev. Sci. Instrum. 72, 3749 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (2)

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

1995 (1)

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Apolonski, A.

Bartels, A.

Bellini, M.

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Borri, S.

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
[CrossRef]

Brown, J. M.

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Cancio, P.

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
[CrossRef]

Corwin, K. L.

Cundiff, S. T.

S. T. Cundiff and J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003).
[CrossRef]

J. Rauschenberger, T. M. Fortier, D. J. Jones, J. Ye, and S. T. Cundiff, Opt. Express 10, 1404 (2002), http://www.opticsexpress.org.
[CrossRef] [PubMed]

S. T. Cundiff, J. Ye, and J. L. Hall, Rev. Sci. Instrum. 72, 3749 (2001).
[CrossRef]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

De Natale, P.

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
[CrossRef]

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Diddams, S. A.

I. Thomann, A. Bartels, K. L. Corwin, N. R. Newbury, L. Hollberg, S. A. Diddams, J. W. Nicholson, and M. F. Yan, Opt. Lett. 28, 1368 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Foreman, S.

Fortier, T. M.

Fuji, T.

Giusfredi, G.

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
[CrossRef]

Gohle, C.

Hall, J. L.

S. T. Cundiff, J. Ye, and J. L. Hall, Rev. Sci. Instrum. 72, 3749 (2001).
[CrossRef]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hänsch, T. W.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

Hirai, A.

Hollberg, L.

Holzwarth, R.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

Hong, F. L.

Inaba, H.

Inguscio, M.

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Jones, D. J.

Krausz, F.

Matsumoto, H.

Mazzotti, D.

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale, Opt. Lett. 27, 1256 (2002).
[CrossRef]

Minoshima, K.

Newbury, N. R.

Nicholson, J. W.

Onae, A.

Ranka, J. K.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Rauschenberger, J.

Reichert, J.

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

Schnatz, H.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Stenger, J.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Stentz, A.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Takada, H.

Tamassia, F.

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

Tamm, C.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Telle, H. R.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Thomann, I.

Udem, T.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

Varberg, T. D.

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Windeler, R. S.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Yan, M. F.

Ye, J.

Zimmermann, M.

Appl. Phys. B (1)

S. Borri, P. Cancio, P. De Natale, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and F. Tamassia, Appl. Phys. B 76, 473 (2003).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

J. Reichert, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (6)

Phys. Rev. A (1)

M. Bellini, P. De Natale, M. Inguscio, T. D. Varberg, and J. M. Brown, Phys. Rev. A 52, 1954 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. Lett. (2)

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale, Proc. SPIE 5137, 339 (2003).
[CrossRef]

Rev. Mod. Phys. (1)

S. T. Cundiff and J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

S. T. Cundiff, J. Ye, and J. L. Hall, Rev. Sci. Instrum. 72, 3749 (2001).
[CrossRef]

Science (1)

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

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

Schematic of the experimental setup: DMs, dichroic mirrors; PPLN, periodically poled Li Nb O 3 crystal; PD1, PD2, InSb photodiodes; λ 4 , quarter-wave plate; PLL1, PLL2, phase-locked loops; APD1, APD2, avalanche photodiodes; TMP, turbomolecular pump; PG, pressure gauge; PI, proportional-integrating.

Fig. 2
Fig. 2

Experimental recording of the C O 2 ( 00 0 1 00 0 0 ) R ( 56 ) saturated-absorption line at 2383.359 cm 1 . The experimental data points, the fitting curve, and the residuals are shown.

Fig. 3
Fig. 3

Line center fit results of the C O 2 ( 00 0 1 00 0 0 ) R ( 60 ) transition at 2384.994 cm 1 .

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Broadening Contributions to the Saturated-Absorption Line Shape of the C O 2 Line Shown in Fig. 2

Equations (1)

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

ν i = ( N p N s ) ν r ± Δ ν p ± Δ ν s .

Metrics