In this Letter, we present a method of performing broadband mid-infrared spectroscopy with conventional, free-running, continuous wave Fabry-Perot quantum cascade lasers (FP-QCLs). The measurement method is based on multi-heterodyne down-conversion of optical signals. The sample transmission spectrum probed by one multi-mode FP-QCL is down-converted to the radio-frequency domain through an optical multi-heterodyne process using a second FP-QCL as the local oscillator. Both a broadband multi-mode spectral measurement as well as high-resolution (∼15 MHz) spectroscopy of molecular absorption are demonstrated and show great potential for development of high performance FP-laser-based spectrometers for chemical sensing.
REFERENCES
1.
M. W.
Todd
, R. A.
Provencal
, T. G.
Owano
, B. A.
Paldus
, A.
Kachanov
, K. L.
Vodopyanov
, M.
Hunter
, S. L.
Coy
, J. I.
Steinfeld
, and J. T.
Arnold
, Appl. Phys. B: Lasers Opt.
75
, 367
(2002
).2.
R.
Furstenberg
, C. A.
Kendziora
, J.
Stepnowski
, S. V.
Stepnowski
, M.
Rake
, M. R.
Papantonakis
, V.
Nguyen
, G. K.
Hubler
, and R. A.
McGill
, Appl. Phys. Lett.
93
, 224103
(2008
).3.
G.
Wysocki
, R. F.
Curl
, F. K.
Tittel
, R.
Maulini
, J. M.
Bulliard
, and J.
Faist
, Appl. Phys. B: Lasers Opt.
81
, 769
(2005
).4.
C. E.
Miller
, L. R.
Brown
, R. A.
Toth
, D. C.
Benner
, and V. M.
Devi
, Comptes Rendus Physique
6
, 876
(2005
).5.
R.
White
, Chromatography/Fourier Transform Infrared Spectroscopy and its Applications
(CRC Press
, 1989
).6.
J.
Faist
, F.
Capasso
, D. L.
Sivco
, C.
Sirtori
, A. L.
Hutchinson
, and A. Y.
Cho
, Science
264
, 553
(1994
).7.
J.
Faist
, C.
Gmachl
, F.
Capasso
, C.
Sirtori
, D. L.
Sivco
, J. N.
Baillargeon
, and A. Y.
Cho
, Appl. Phys. Lett.
70
, 2670
(1997
).8.
C.
Gmachl
, A.
Straub
, R.
Colombelli
, F.
Capasso
, D. L.
Sivco
, A. M.
Sergent
, and A. Y.
Cho
, IEEE J. Quantum Electron.
38
, 569
(2002
).9.
G. P.
Luo
, C.
Peng
, H. Q.
Le
, S. S.
Pei
, W. Y.
Hwang
, B.
Ishaug
, J.
Um
, J. N.
Baillargeon
, and C. H.
Lin
, Appl. Phys. Lett.
78
, 2834
(2001
).10.
R.
Maulini
, M.
Beck
, J.
Faist
, and E.
Gini
, Appl. Phys. Lett.
84
, 1659
(2004
).11.
G.
Wysocki
, R.
Lewicki
, R. F.
Curl
, F. K.
Tittel
, L.
Diehl
, F.
Capasso
, M.
Troccoli
, G.
Hofler
, D.
Bour
, S.
Corzine
, R.
Maulini
, M.
Giovannini
, and J.
Faist
, Appl. Phys. B: Lasers Opt.
92
, 305
(2008
).12.
A.
Hugi
, R.
Terazzi
, Y.
Bonetti
, A.
Wittmann
, M.
Fischer
, M.
Beck
, J.
Faist
, and E.
Gini
, Appl. Phys. Lett.
95
, 061103
(2009
).13.
B. G.
Lee
, M. A.
Belkin
, R.
Audet
, J.
MacArthur
, L.
Diehl
, C.
Pflugl
, and F.
Capasso
, Appl. Phys. Lett.
91
, 231101
(2007
).14.
T.
Udem
, R.
Holzwarth
, and T. W.
Hansch
, Nature
416
, 233
(2002
).15.
F.
Keilmann
, C.
Gohle
, and R.
Holzwarth
, Opt. Lett.
29
, 1542
(2004
).16.
F.
Adler
, K. C.
Cossel
, M. J.
Thorpe
, I.
Hartl
, M. E.
Fermann
, and J.
Ye
, Opt. Lett.
34
, 1330
(2009
).17.
C. Y.
Wang
, T.
Herr
, P.
Del'Haye
, A.
Schliesser
, J.
Hofer
, R.
Holzwarth
, T. W.
Hansch
, N.
Picque
, and T. J.
Kippenberg
, Nat. Commun.
4
, 1345
(2013
).18.
C. Y.
Wang
, L.
Kuznetsova
, V. M.
Gkortsas
, L.
Diehl
, F. X.
Kartner
, M. A.
Belkin
, A.
Belyanin
, X.
Li
, D.
Ham
, H.
Schneider
, P.
Grant
, C. Y.
Song
, S.
Haffouz
, Z. R.
Wasilewski
, H. C.
Liu
, and F.
Capasso
, Opt. Express
17
, 12929
(2009
).19.
S.
Barbieri
, M.
Ravaro
, P.
Gellie
, G.
Santarelli
, C.
Manquest
, C.
Sirtori
, S. P.
Khanna
, E. H.
Linfield
, and A. G.
Davies
, Nat. Photonics
5
, 306
(2011
).20.
A.
Hugi
, G.
Villares
, S.
Blaser
, H. C.
Liu
, and J.
Faist
, Nature
492
, 229
(2012
).21.
A.
Schliesser
, M.
Brehm
, F.
Keilmann
, and D. W.
van der Weide
, Opt. Express
13
, 9029
(2005
).22.
S.
Schiller
, Opt. Lett.
27
, 766
(2002
).23.
I.
Coddington
, W.
Swann
, and N.
Newbury
, Phys. Rev. Lett.
100
, 013902
(2008
).24.
D. W.
Chandler
and K. E.
Strecker
, J. Chem. Phys.
136
(15
), 154201
(2012
).25.
L.
Diehl
, D.
Bour
, S.
Corzine
, J.
Zhu
, G.
Hofler
, M.
Loncar
, M.
Troccoli
, and F.
Capasso
, Appl. Phys. Lett.
88
, 201115
(2006
).26.
D. S.
Baer
, R. K.
Hanson
, M. E.
Newfield
, and N. K. J. M.
Gopaul
, Opt. Lett.
19
, 1900
(1994
).27.
G.
Wysocki
and D.
Weidmann
, Opt. Express
18
, 26123
(2010
).28.
29.
P. D.
Grant
, R.
Dudek
, M.
Buchanan
, and H. C.
Liu
, IEEE Photonics Technol. Lett.
18
, 2218
(2006
).30.
S.
Bartalini
, S.
Borri
, I.
Galli
, G.
Giusfredi
, D.
Mazzotti
, T.
Edamura
, N.
Akikusa
, M.
Yamanishi
, and P.
De Natale
, Opt. Express
19
, 17996
(2011
).31.
L. F.
Tiemeijer
, P. I.
Kuindersma
, P. J. A.
Thijs
, and G. L. J.
Rikken
, IEEE J Quantum Electron.
25
, 1385
(1989
).32.
Y.
Dikmelik
and J.
Khurgin
, private communication (2013
).33.
34.
T.
Kraetschmer
, J. W.
Walewski
, and S. T.
Sanders
, Opt. Lett.
31
(21
), 3179
–3181
(2006
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.