The research project dealt with the detection of molecules using resonantly enhanced sum frequency mixing (SFM) at rovibrational resonances with mid-infrared transition frequencies.Such resonances cause characteristic molecular spectra, making it possible to identify the molecules.Using mid-infrared radiation close to rovibrational transitions offers a large nonlinear susceptibility as multiple transitions have simultaneously small detunings, enhancing the overall detection sensitivity.
Previously, our group successfully implemented resonantly enhanced third harmonic generation (THG) for hydrogen chloride (HCl) detection, achieving a detection limit of 1 mbar.In this work, we explored both SFM within the medium itself and up-conversion of the THG signal via SFM to improve the signal-to-noise ratio (SNR) and detection limit of spectroscopic measurements.While sensitive detection of the mid-infrared THG signal is challenging, the use of photomultiplier tubes (PMTs), which offer high gain in the visible range, promises more sensitive detection.
We successfully implemented resonantly enhanced SFM of intense narrowband mid-infrared laser pulses and near-infrared laser pulses in HCl with a PMT based detection setup as an alternative to THG spectroscopy.Similarly to THG, SFM of mid-infrared laser pulses is close to one- and two-photon resonances with detunings typically in the range of a few hundred GHz.Our experimental comparison demonstrated that SFM outperforms THG in terms of sensitivity, offering a lower detection limit of 0.1 mbar, compared to 0.32 mbar, and a significantly higher SNR of 4 500, compared to 190.Although SFM requires more complex alignment due to the additional beam, its performance outweighs this challenge, making it a promising method for future applications.
Furthermore, we improved the numerical simulations for THG by incorporating electronically excited states and a more accurate refractive index calculation.These improvements resulted in a better alignment between the simulated and experimental data.The simulations reveal that both THG and SFM signals exhibit a pressure dependence slightly below the quadratic relationship, with an exponent of 1.85 due to phase-matching effects.This aligns closely with our experimental findings, where we observed an exponent of 1.6 for THG and 1.7 for SFM.The simulations predict only a slightly larger number of generated photons for SFM, compared to THG.Therefore, we attribute the superior performance of SFM primarily to the detection setup.The higher internal gain of the PMT, compared to the avalanche photodiode (APD) used for THG, accounts for this advantage.Notably, a more efficient PMT could further enhance the SNR of SFM.
Besides using SFM inside the medium, we successfully up-converted up to 12 % of the THG signal photons into the visible spectrum using SFM in a nonlinear crystal.We found that up-conversion improves the detection limit from 8.5 mbar, for direct detection of the THG signal, to 0.7 mbar, and it increases the SNR by a factor of 26.While this up-conversion setup requires an additional SFM stage and, in our case, a second harmonic generation (SHG) stage to generate the pump wave, the alignment of the up-conversion setup was simpler compared to THG detection, which was hindered by the small area of the APD.
Ultimately, both approaches – SFM in the medium itself and up-conversion of the THG signal – demonstrated an increased sensitivity by shifting the detection to the visible spectrum, where more sensitive detectors are available.This highlights the potential of these techniques to significantly improve molecular detection in the mid-infrared regime.
Alternative Abstract | Language |
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In der vorliegenden Arbeit ging es um die Moleküldetektion mittels resonant überhöhter Summenfrequenzmischung (SFM) an Rovibrationsresonanzen mit mittelinfraroten Übergangsfrequenzen.Solche Resonanzen verursachen charakteristische Spektren, mit denen man die Moleküle identifizieren kann.Durch die Nutzung mittelinfraroter Strahlung nahe dieser Rovibrationsübergänge kann eine große nichtlineare Suszeptibilität erreicht werden, da mehrere Übergänge gleichzeitig nur wenig verstimmt sind, was die Detektionssensitivität erhöht. Unsere Arbeitsgruppe hat zuvor die resonant überhöhte Erzeugung der dritten Harmonischen (THG) zur Detektion von Chlorwasserstoff (HCl) eingesetzt und damit eine Detektionsgrenze von 1mbar erreicht.In dieser Arbeit wurde Summenfrequenzmischung im Medium selbst und die Frequenzkonversion des THG-Signals mittels SFM untersucht, um das Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) und die Detektionsgrenze der Spektroskopiemessungen zu verbessern.Photomultiplier (PMTs) versprechen mit ihrer großen Verstärkung eine sensitivere Detektion, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, wohingegen es eine Herausforderung ist, mittel-infrarote Strahlung zu detektieren. Resonant überhöhte SFM mittels intensiver, schmalbandiger, mittel-infraroter Laserpulse und nah-infraroter Laserpulse wurde erfolgreich umgesetzt.SFM mittel-infraroter Pulse ist, vergleichbar zu THG, gleichzeitig nah-resonant mit ein- und zwei-Photonen Resonanzen, wobei die Verstimmung typischerweise wenige hundert GHz beträgt.In den durchgeführten Experimenten schlägt SFM THG bezüglich Sensitivität, mit einer Detektionsgrenze von 0,1 mbar im Vergleich zu 0,32 mbar, außerdem ist das Signal-zu-Rausch Verhältnis von 4500 deutlich höher im Vergleich zu 190.Auch wenn SFM aufgrund eines zusätzlich erforderlichen Laserstrahls höhere Anforderungen an die Justierung hat, so sind die erzielten Ergebnisse diese zusätzliche Mühe mehr als wert. Außerdem wurde die numerische Simulation für THG verbessert, indem die elektronisch angeregten Zustände berücksichtigt werden und der Brechungsindex genauer berechnet wird.Diese Verbesserungen sorgen für eine größere Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Daten.Die Simulation zeigt, dass sowohl das THG- als auch das SFM-Signal eine Druckabhängigkeit haben, die nicht ganz quadratisch ist, sondern wegen Phasenanpassungseffekten einen Exponenten von 1,85 hat.Dies ist nahe an den experimentellen Ergebnissen mit einem Exponenten von 1,6 für THG und 1,7 für SFM.Die Simulationen sagen nur eine wenig größere Anzahl an SFM Photonen im Vergleich zu THG vorher.Das weißt darauf hin, dass die höhere Sensitivität bei SFM hauptsächlich vom Detektionsaufbau herrührt.Grund dafür ist die höhere interne Verstärkung des PMTs im Vergleich zur Avalanche-Photodiode (APD), die zur Detektion des THG-Signals verwendet wird.Ein effizienterer PMT könnte das SNR von SFM noch weiter steigern. Neben SFM im Medium selbst wurden auch 12 % der THG Signalphotonen mittels SFM in einem nichtlinearen Kristall ins sichtbare Spektrum konvertiert.Im experimentellen Vergleich verbessert die Frequenzkonversion die Detektionsgrenze von 8,5mbar, für die direkte Detektion von THG, zu 0,7 mbar.Auch verbessert sie das SNR um einen Faktor von 26.Obwohl die Frequenzkonversion eine zusätzliche SFM Stufe und, in unserem Fall, eine Frequenzverdopplungsstufe für die Pumpwelle benötigt, war die Justage des Frequenzkonversionsaufbaus einfacher als für die THG Detektion, die durch die kleine Fläche der APD erschwert wurde. Abschließend haben beide Ansätze, SFM im Medium selbst und Frequenzkonversion des THG-Signals, eine erhöhte Sensitivität gezeigt, indem sie die Detektion in das sichtbare Spektrum verschoben haben, wo es sensitivere Detektoren gibt.Dies zeigt das Potential der beiden Techniken, um die Moleküldetektion im mittel-infraroten Bereich zu verbessern. | German |
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Nonlinear Optics/Quantum Optics