Precision optical spectroscopy by means of comb-assisted cavity ring-down spectrometer

The thesis is focused on the development and optimization of a near-infrared spectrometer for gas samples providing at once high sensitivity, high speed and a particularly accurate frequency axis. These features are of particular interest for several purposes, such as trace gas detection, experimental study of weakly absorbing molecules such as diatomic molecules, accurate detection of spectroscopic parameters. The sensitivity of the spectrometer relies on an optical cavity with high reflectivity mirrors, the speed on a single-sideband modulator that allows fast tuning of the probe laser, the accuracy on the referencing to a frequency comb. Intensive experimental tests on a CO_2 sample at low pressure reveal a sensitivity down to ≈1,8 x 10^-11 cm^-1 to be obtained over 10 minutes together with a kHz-level accuracy.

La tesi si focalizza sullo sviluppo e sull'ottimizzazione di uno spettrometro nel vicino infrarosso per campioni molecolari in fase gassosa, offrendo al tempo stesso alta sensibilità, elevata velocità di acquisizione e un asse di frequenze particolarmente accurato. Queste caratteristiche sono rilevanti in molte applicazioni come la rivelazione di gas in traccia, la spettroscopia di molecole che presentano intensità di riga molto deboli come le molecole diatomiche, la misura accurata di parametri spettroscopici. La sensibilità dello spettrometro è fornita da una cavità ottica con specchi a riflettività elevata, la velocità da un modulatore a singola “sideband” che permette di accordare la lunghezza d'onda del laser di sonda e l'accuratezza dal riferimento ad un pettine di frequenze. Sono state effettuate numerose misure su un campione di CO_2 a bassa pressione, ottenendo una sensibilità di ≈1,8 x 10^-11 cm^-1 in 10 minuti di acquisizione con un'accuratezza dell'ordine del kHz.