High speed electro-optical dual comb spectrometer in a single path configuration

Multispecies gas detection based on laser spectroscopy has gained tremendous advances with the advent of frequency combs thanks to their spectral properties that allows to si- multaneously probe thousand absorption lines of several molecules. Specifically, the dual comb approach enables the design of completely non-invasive, highly selective, sensitive and ultrafast chemical sensors that can found a plethora of applications in completely different field from breath analysis to atmospheric studies. Real-time monitoring at microsecond rate is highly desirable to study chemical kinetics of combustion processes e.g., fuel pyrolysis, oxidation, heat release and pollutant formation. In this respect, dual-comb spectrometers based on electro-optic combs offer the highest acquisition speed among various implementations due to their relatively narrow band- width. Additionally, electro-optic (EO) combs enable the implementation of compact and portable spectrometers, making them ideal for field measurements. This thesis aims at developing a portable spectrometer for simultaneous analysis of mul- tiple chemicals. For the first time we combine a Single-Sideband Modulator (SSM) driven by an Arbitrary Waveform Generator (AWG) to synthesize in a single-path fully-fibered configuration a 25 GHz bandwidth dual-comb for high-speed absorption measurements. The optimal method for generating EO combs with high throughput and high spectral flatness, as identified through simulations, involves a parabolic phase relationship between modes. A RF comb with these features was then synthesized using an AWG, and char- acterized demonstrating excellent agreement with the simulation results. A prototypical electronic board was designed using EAGLE and implemented to interface with and manage the multiple voltage signals required to drive the SSM. All components underwent testing, ranging from the single-mode behavior of the laser to temperature stabilization and the bias current requirements for the internal semiconductor amplifiers. A software was realized in the LabView environment to provide the different voltages with the right timing. To ensure portability the overall system has been finally mounted on a home made modular cart with wheels and in the next future will be completely tested.

Il monitoraggio di miscele di gas basato sulla spettroscopia laser ha ottenuto enormi pro- gressi con l’avvento dei pettini di frequenza, grazie alle loro proprietà spettrali che perme- ttono di sondare simultaneamente migliaia di linee di assorbimento di diverse molecole. In particolare, l’approccio dual comb consente di progettare sensori chimici non invasivi, altamente selettivi, sensibili e veloci che possono trovare una miriade di applicazioni in campi completamente diversi, dall’analisi del respiro agli studi atmosferici. In questo contesto, gli spettrometri a doppio pettine basati su pettini elettro-ottici offrono la massima velocità di acquisizione grazie alla loro banda relativamente stretta consen- tendo di realizzare spettrometri compatti e portatili, ideali per le misurazioni sul campo. Questa tesi si propone di sviluppare uno spettrometro portatile per l’analisi simultanea di più sostanze chimiche. Per la prima volta, un modulatore Single-Side Band (SSM) pilotato da un Generatore di Forma d’Onda Arbitraria (AWG) viene utilizzato per sin- tetizzare un pettine doppio con una larghezza di banda di 25 GHz per misurazioni di assorbimento spettrale ad alta velocità. Il metodo ottimale per generare pettini elettro-ottici mantenendo uno spettro più uniforme possibile e massimizzando la potenza di uscita, individuato tramite simulazioni, prevede una relazione parabolica di fase tra i modi del pettine. Un pettine RF con queste carat- teristiche è stato quindi sintetizzato utilizzando un AWG e caratterizzato, dimostrando un’eccellente concordanza con i risultati delle simulazioni. È stata progettata e realizzata una scheda elettronica prototipale mediante EAGLE per gestire i segnali di tensione multipli necessari per pilotare l’SSM. Tutti i componenti sono stati testati, dall’andamento in singolo modo del laser alla stabilizzazione della temper- atura, ai requisiti di corrente di polarizzazione per gli amplificatori a semiconduttore. Un software è stato sviluppato in ambiente LabView per fornire le diverse tensioni con il giusto timing. Per garantire la portabilità, l’intero sistema è stato montato su un carrello modulare con ruote e sarà a breve completamente testato.