تميز الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة وقياس تردداتها

الهدف العام من هذا الإجراء هو توليد إشعاع ليزر بالأشعة تحت الحمراء البعيدة وقياس ترددات انبعاثات الليزر المتولدة باستخدام تقنية الهتيرودين ثلاثية الليزر. ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق إرسال إشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون إلى تجويف ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. وتتمثل الخطوة الثانية في تغيير معاملات التشغيل لكلا تجويفي الليزر لتوليد إشعاع ليزر بالأشعة تحت الحمراء البعيدة ورصد الإشعاع المكتشف باستخدام راسم الإشارة.

بعد ذلك، يتم خلط إشعاع الأشعة تحت الحمراء البعيدة مع ترددين مرجعيين من ليزر ثاني أكسيد الكربون. ثم يتم تحديد تردد الضرب الناتج. وتتمثل الخطوة النهائية في قياس ترددات ضرب متعددة لحساب تردد ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

وفي الختام، تم استخدام تقنية الهتيروداين الليزرية الثلاثية خلال هذا الاستقصاء لقياس ثمانية ترددات لليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة المتولدة بواسطة الميثان في جهاز Diora. ولأول مرة، يمكن للنتائج المستخلصة من هذه الطريقة أن توفر رؤية معمقة حول مطيافية الجزيء الليزري. كما يمكن تطبيقها في الأنظمة التي تتطلب ترددات دقيقة مثل المطيافية عالية الدقة، وعلم الفلك الراديوي، والتصوير بتكنولوجيا التراهيرتز.

التصوير استعد للعمل مع إشعاعات الليزر التي قد تكون ضارة عن طريق ارتداء واقيات العين المناسبة. سيستخدم هذا الجزء من البروتوكول ليزر ثاني أكسيد الكربون وتجويف ليزر نحاسي مصقول للأشعة تحت الحمراء البعيدة. يوفر هذا المخطط نظرة عامة على كيفية ترتيب كليهما.

سيقوم ليزر ثاني أكسيد الكربون بضخ تجويف ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، والذي سيكون مملوءاً بالميثان المخفف. في هذه التجربة، سيتم الكشف عن مخرجات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة باستخدام كاشف DDE ذو تلامس نقطي من نوع معدن-عازل-معدن. ابدأ بالعمل باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون المضبوط على انتقال ليزري مطلوب هنا، وهو 9R28.

ضع سدادة شعاع (beam stop) عند مخرج الليزر. الآن، قم بتدوير قرص الميكرومتر الخاص بالليزر لزيادة كثافة الشعاع إلى أقصى حد على سدادة الشعاع. بالإضافة إلى ذلك، اضبط ميل تدرج الليزر لتحقيق أقصى كثافة.

استمر في ضبط الميكرومتر DIO والتدريج حتى تبدو قدرة خرج ليزر ثاني أكسيد الكربون مُحسّنة. عند الانتهاء، قم بإزالة حاجب الشعاع من المسار. بعد ذلك، قم بتشغيل ومحاذاة القاطع الضوئي في مسار شعاع ليزر الضخ.

الخطوة التالية. لتجهيز تجويف ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، افتح صمام أسطوانة ثنائي فلوروميثان لإدخاله كوسط في التجويف. اضبط صمام القياس الموجود في خط المدخل بحيث يتم الوصول إلى ضغط يبلغ حوالي 10 pascal أو 75 milit tour.

انتقل الآن إلى ضبط مرآة اقتران المخرجات في التجويف. استخدم قضيباً خارجياً متصلاً بالمرآة لضبط موضعها على بُعد سنتيمتر واحد تقريباً من منتصف التجويف وفقاً للقراءة من المقياس المعاير. بعد ذلك، تأكد من توصيل مخرجات الكاشف بجهاز راسم الإشارة (oscilloscope).

بعد ذلك، استعد للبحث عن إشعاع الليزر بالأشعة تحت الحمراء البعيدة في تجويف الأشعة تحت الحمراء البعيدة. استخدم قرص الميكرومتر المعاير لضبط مرآة الليزر القابلة للتحريك في الداخل. وبالتزامن مع ذلك، تحكم في الجهد المطبق على المحول الكهربائي الضغطي (pizo electric transducer) لليزر ثاني أكسيد الكربون لضبط تردد الليزر.

عند اكتشاف انبعاث الليزر، ستتحول موجة راسم الإشارات من خط مستوٍ يشير إلى عدم وجود انبعاث إلى شكل موجة مربعة. وبما أن ذلك يمثل وجود انبعاث ليزر في الأشعة تحت الحمراء البعيدة، فيجب تحسين قدرة الإشارة قبل المتابعة. بعد ذلك، قم بتسجيل موضع نمط التجويف المحدد على قرص الميكرومتر.

أدر قرص الميكرومتر في اتجاه عقارب الساعة للعثور على الوضع التالي. لاحظ أن أثر راسم الإشارة أصبح مسطحاً. ثم اعرض موجة مربعة أخرى.

استمر في تدوير القرص في اتجاه عقارب الساعة حتى يتم العثور على 21 نمطاً في المجمل. سجل الموضع النهائي للقرص واستخدمه لتحديد الطول الموجي للانبعاث. ولتحديد ترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، استعن بليزرين مرجعيين من ثاني أكسيد الكربون.

يوضح هذا المخطط الإعداد الكامل الذي يضم ليزري المرجعية، وليزر الضخ، وفجوة الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تم تصميم هذا التكوين لتقنية الهتيرودين باستخدام ثلاثة ليزرات، حيث يتم ضبط ليزري المرجعية بحيث يكون فرق التردد بينهما في حدود عدة جيجاهرتز من تردد الأشعة تحت الحمراء البعيدة المحسوب من الطول الموجي المقاس. ابدأ بوضع سادّ شعاع في المسار المشترك لليزر المرجعية.

اعمل باستخدام مخرجات ليزر مرجعي واحد وقم بقياسها بواسطة مقياس القدرة. حرك ميكرومتر الليزر ببطء مع مراقبة قراءة القدرة، ثم اضبطه على الموضع المقابل لأقصى قدرة. وبمجرد الضبط، استخدم مفتاح ألن لإجراء تعديلات دقيقة عن طريق تغيير ميل التدرج.

كرر العملية بين الاثنين لتحسين قدرة الخرج. بعد تحسين قدرة الخرج لكل ليزر مرجعي، اضبط كل فتحة من فتحات الليزر. يجب أن يوصل كل ليزر قدرة تبلغ 100 milliwatts تقريباً إلى مقياس القدرة الموجود في مسار الشعاع.

تابع بحجب الحزمة الصادرة عن ليزر الضخ. ثم استبدل سدادة الحزمة الموجودة في المسار المشترك لليزرات المرجعية بمقطع ضوئي (optical chopper). الآن، راقب إشارة راسم الإشارة (oscilloscope) واعمل على زيادة الإشعاع المركّز على الكاشف إلى أقصى حد.

من ليزرات المرجعية. قم بحجب ليزر المرجعية الثاني واستخدم عدسة محدبة مستوية لتركيز الحزمة القادمة من ليزر المرجعية الأول على الكاشف. بعد ذلك، قم بحجب حزمة المرجعية الأولى وإزالة الحجب عن حزمة المرجعية الثانية.

قم بضبط مقسم الشعاع لزيادة الإشارة القادمة من ليزر المرجع الثاني على الكاشف إلى أقصى حد. في كل حالة، راقب راسم الإشارة وتوقف. عندما يتم تحسين إشارة ذروة القمة، أعد سدادة الشعاع إلى مسار ليزر المرجع المتوازي.

قم بإزالة سادد الحزمة من ليزر الضخ. الآن، راقب قدرة خرج الانبعاث بالأشعة تحت الحمراء البعيدة على راسم الإشارة. في هذه الحالة، تم تحسين القدرة بالفعل.

بمجرد تحسين القدرة، افصل كاشف صمام ثنائي معدن-عازل-معدن عن راسم الإشارة. صِل الكاشف عبر مضخم إلى محلل طيف. في هذه المرحلة، أزل جميع سدادات الشعاع ومقطع الأشعة الضوئية من مسارات شعاع الضخ والشعاع المرجعي.

بعد ذلك، ابدأ في البحث عن إشارة الضرب باستخدام محلل الطيف، واضبط المحلل على نطاق 40 megahertz وابحث عن إشارة الضرب بزيادات قدرها 1.5 gigahertz. توقف عند العثور على إشارة الضرب. وبمجرد العثور على الإشارة، ابدأ في تثبيت الترددات المرجعية.

ركز على ليزر مرجعي واحد وقم بتطبيق جهد يتراوح بين صفر و 900 فولت على محول الطاقة الكهرضغطية الخاص به، وذلك لجعل الإشارة القادمة من خلية المرجع الفلورية في مركز انخفاض لامب (lamb dip). قم بتفعيل مضخم القفل (lock-in amplifier) للحفاظ على الإشارة في مركز انخفاض لامب، وكرر الخطوات نفسها لليزر المرجعي الثاني لقياس تردد الضربات (beat frequency). قم بتوسيط إشارة الضربات على محلل الطيف واضبط سعتها لزيادة حجمها إلى أقصى حد على الشاشة.

اضبط محلل الطيف لعرض الإشارة اللحظية باللون الأزرق والإشارة القصوى باللون الأصفر في وقت واحد لنمط تجويف معين. قم بتدوير قرص الميكرومتر في تجويف ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة ذهاباً وإياباً. لاحظ منحنى الكسب الناتج على محلل الطيف.

بمجرد أن يصبح الإشارة متماثلة، استخدم خاصية العرض لتجميد أثر الإشارة القصوى لتحديد إشارة تردد الضربات. لاحظ إزاحة تردد الضربات عند تدوير قرص الميكرومتر قليلاً في اتجاه عقارب الساعة. ولقياس إشارة ضربات التردد المركزي، ضع علامات عند نقاط العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى للنمط المتماثل الناتج عن أثر القيمة القصوى.

بعد ذلك، استخدم ميزة زوج المدى (span pair) في محلل الطيف. فيما يلي متوسطات ترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة التي تم قياسها لأول مرة باستخدام هذا البروتوكول وباستخدام ثنائي فلورو الميثان في تجويف الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تم حساب المتوسطات من 12 قياساً على الأقل، أُجريت باستخدام مجموعتين مختلفتين على الأقل من خطوط ليزر ثاني أكسيد الكربون المرجعية.

تشير الصفوف المظللة إلى انبعاثات الليزر المكتشفة حديثاً. ويشير تقييم أوجه عدم اليقين المتأصلة في النظام والمقارنة مع الترددات المبلغ عنها سابقاً إلى عدم يقين كسري بمقدار سيجما واحد يبلغ خمسة أجزاء من 10 ملايين. وقد لوحظ أن انبعاثات الليزر الجديدة لها قدرة تتراوح بين جزء من 1000 إلى جزء من 100 من الميلي واط بمجرد ضبطها.

يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد تردد انبعاثات الليزر القوية بدقة في غضون ساعة أو ساعتين تقريباً. يجب ألا تنسى أن العمل مع الأشعة تحت الحمراء وليزرات الأشعة تحت الحمراء الخارجية قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة أثناء تنفيذ هذا الإجراء، بما في ذلك الحماية المناسبة للعين، والتهوية، والفحص المتكرر للمعدات مع التركيز على المخاطر الكهربائية ومخاطر المياه.