Abstract

An ultrafast three-dimensional readout of coherent optical-phonon oscillations from a diamond film is demonstrated using temporally and spectrally shaped ultrashort laser pulses, delivered by a compact, oscillator-only laser system. This system integrates a long-cavity ytterbium-fiber-laser-pumped 30fs Cr:forsterite oscillator with a photonic-crystal-fiber soliton frequency shifter and a periodically poled lithium niobate spectrum compressor, providing coherent Raman excitation and time-delayed interrogation of optical phonons in diamond at a 20MHz repetition rate with a submicrometer spatial resolution.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. R. Gattas and E. Mazur, Nat. Photon. 2, 219 (2008).
    [CrossRef]
  2. M. Zhi, X. Wang, and A. V. Sokolov, Opt. Express 16, 12139 (2008).
    [CrossRef]
  3. H. Fröhlich, Nature 228, 1093 (1970).
    [CrossRef]
  4. T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
    [CrossRef]
  5. M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
    [CrossRef]
  6. K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
    [CrossRef]
  7. V. P. Mitrokhin, A. B. Fedotov, A. A. Ivanov, M. V. Alfimov, and A. M. Zheltikov, Opt. Lett. 32, 3471 (2007).
    [CrossRef]
  8. A. D. Savvin, A. A. Lanin, A. A. Voronin, A. B. Fedotov, and A. M. Zheltikov, Opt. Lett. 35, 919 (2010).
    [CrossRef]
  9. A. A. Lanin, I. V. Fedotov, V. I. Sokolov, A. B. Fedotov, A. S. Akhmanov, V. Ya. Panchenko, and A. M. Zheltikov, Opt. Lett. 35, 3976 (2010).
    [CrossRef]
  10. L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
    [CrossRef]
  11. G. L. Eesley, Coherent Raman Spectroscopy (Pergamon, 1981).
  12. A. B. Fedotov, A. A. Voronin, I. V. Fedotov, A. A. Ivanov, and A. M. Zheltikov, Opt. Lett. 34, 851 (2009).
    [CrossRef]
  13. M. Marangoni, A. Gambetta, C. Manzoni, V. Kumar, R. Ramponi, and G. Cerullo, Opt. Lett. 34, 3262 (2009).
    [CrossRef]
  14. G. Krauss, T. Hanke, A. Sell, D. Träutlein, A. Leitenstorfer, R. Selm, M. Winterhalder, and A. Zumbusch, Opt. Lett. 34, 2847 (2009).
    [CrossRef]
  15. A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Opt. Express 10, 122 (2002).
  16. A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
    [CrossRef]

2011

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

2010

2009

2008

2007

2006

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

2003

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

2002

1999

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

1970

H. Fröhlich, Nature 228, 1093 (1970).
[CrossRef]

Akhmanov, A. S.

Alfimov, M. V.

Caruso, F.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Cerullo, G.

Constantinescu, A. M.

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

Domhan, M.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Eesley, G. L.

G. L. Eesley, Coherent Raman Spectroscopy (Pergamon, 1981).

Fedotov, A. B.

Fedotov, I. V.

Fröhlich, H.

H. Fröhlich, Nature 228, 1093 (1970).
[CrossRef]

Gaebel, T.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Gambetta, A.

Gattas, R. R.

R. R. Gattas and E. Mazur, Nat. Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

Greentree, A. D.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Hall, L. T.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Hanke, T.

Hase, M.

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

Hemmer, P. R.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Hollenberg, L. C. L.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Holtom, G. R.

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Ishioka, K.

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

Ivanov, A. A.

Jelezko, F.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Kitajima, M.

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

Krauss, G.

Kumar, V.

Lanin, A. A.

Leitenstorfer, A.

Maclaurin, D.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Manzoni, C.

Marangoni, M.

Mazur, E.

R. R. Gattas and E. Mazur, Nat. Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

McGuinness, L. P.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Meijer, J.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Mitrokhin, V. P.

Mulvaney, P.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Naumov, A. N.

Neumann, P.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Panchenko, V. Ya.

Petek, H.

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

Popa, I.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Prawer, S.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Rabeau, J. R.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Ramponi, R.

Savvin, A. D.

Sell, A.

Selm, R.

Simpson, D. A.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Sokolov, A. V.

Sokolov, V. I.

Stacey, A.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Stravrias, N.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Träutlein, D.

Twamley, J.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Voronin, A. A.

Wang, X.

Winterhalder, M.

Wittmann, C.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Wrachtrup, J.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Xie, X. S.

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Yan, Y.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Zheltikov, A. M.

Zhi, M.

Zumbusch, A.

Appl. Phys. Lett.

K. Ishioka, M. Hase, M. Kitajima, and H. Petek, Appl. Phys. Lett. 89, 231916 (2006).
[CrossRef]

Nat. Nanotechnol.

L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011).
[CrossRef]

Nat. Photon.

R. R. Gattas and E. Mazur, Nat. Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

Nat. Phys.

T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stravrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 2, 408 (2006).
[CrossRef]

Nature

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinescu, and H. Petek, Nature 426, 51 (2003).
[CrossRef]

H. Fröhlich, Nature 228, 1093 (1970).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. Lett.

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Other

G. L. Eesley, Coherent Raman Spectroscopy (Pergamon, 1981).

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.

Interference autocorrelation traces of the second-harmonic output of the PPLN crystal for the fundamental-pulse input energy of (a) 5nJ and (b) 8.5nJ: (dots) experimental data and (dashed lines) the best fit obtained with a pair of Gaussian pulses. The time sequence of pump, Stokes, and probe pulses is shown in the inset.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Temporal envelope (solid curve) and the phase (dashed curve) of the second-harmonic output of the PPLN crystal retrieved from the XFROG trace (shown in the inset) measured using frequency mixing with a 680nm 120fs reference pulse in a 0.5mm thick BBO crystal. (b) Spectra of the CARS signal from a synthetic diamond film for τd=0 (1) and τdτp (2).

Fig. 3.
Fig. 3.

(a), (b) CARS images of a diamond film with laser beams focused with an NA=0.65 objective on (a) the surface of the film and (b) 10μm below the surface. The scale bar is 5μm. (c) Bright-field microscopy image of the film taken with an NA=0.65 objective. (d) Two-dimensional CARS image and (e) one-dimensional profile of the CARS signal along the direction shown by the dashed line in (d) for the surface of a diamond film with small-scale surface corrugation. The scale bar is 2μm.

Metrics