Mid-Infrared Dual-Comb Spectroscopy of roto-vibrational molecular spectra

Dual-comb spectroscopy (DCS) has emerged as a powerful technique for high-resolution molecular sensing, offering broad spectral coverage and high acquisition speeds without moving parts. However, traditional DCS setups often rely on complex and expensive phase-locking electronics to stabilize the laser sources. In this thesis, we demonstrate a simplified, robust dual-comb spectrometer operating in the near-infrared region, based on a free-running configuration. Instead of hardware stabilization, we employ computational post-processing algorithms to correct for relative phase fluctuations between the combs. The system's performance is validated through the spectroscopic interrogation of acetylene and methane gas samples. The obtained absorption spectra confirm the effectiveness of the computational correction approach, demonstrating that high-resolution roto-vibrational spectroscopy can be achieved with significantly reduced experimental complexity. These results pave the way for cost-effective, field-deployable gas sensing applications.

La spettroscopia a doppio pettine (Dual-Comb Spectroscopy, DCS) si è affermata come una tecnica potente per l'analisi molecolare ad alta risoluzione, offrendo ampia copertura spettrale e alta velocità di acquisizione senza l'uso di parti mobili. Tuttavia, le configurazioni DCS tradizionali richiedono spesso complessi e costosi sistemi elettronici di phase-locking per stabilizzare le sorgenti laser. In questa tesi, dimostriamo uno spettrometro a doppio pettine semplificato e robusto operante nella regione del vicino infrarosso, basato su una configurazione free-running. Invece di ricorrere alla stabilizzazione hardware, utilizziamo algoritmi computazionali di post-processing per correggere le fluttuazioni di fase relative tra i due pettini. Le prestazioni del sistema sono state validate attraverso l'analisi spettroscopica di campioni di gas di acetilene e metano. Gli spettri di assorbimento ottenuti confermano l'efficacia dell'approccio di correzione computazionale, dimostrando che è possibile ottenere spettroscopia roto-vibrazionale ad alta risoluzione con una complessità sperimentale significativamente ridotta. Questi risultati aprono la strada ad applicazioni di rilevamento gas economiche e utilizzabili sul campo.