表征远红外激光发射及其频率测量

本实验的总体目标是产生远红外激光辐射，并利用三激光外差技术测量所产生激光辐射的频率。首先，将二氧化碳激光辐射导入远红外激光腔内；第二步，调节两个激光腔的工作参数，以产生远红外激光辐射，并使用示波器观测探测到的辐射信号。

接下来，将远红外辐射与两束参考用二氧化碳激光频率混合，然后识别所产生的拍频频率。最后一步是测量多个拍频频率，以计算远红外激光的频率。

最终，在本研究中，采用三激光外差技术测量了由Diora甲烷产生的八种远红外激光频率。尽管是首次使用该方法，所得结果可为激光分子的光谱学研究提供重要信息。此外，该技术还可应用于需要精确频率的系统，如高分辨率光谱学、射电天文学和太赫兹成像。

成像 准备使用可能有害的激光辐射时，应佩戴适当的眼部防护装备。本实验步骤将使用二氧化碳激光器和抛光铜制远红外激光腔。此示意图概述了两者的排列方式。

二氧化碳激光器将泵浦远红外激光腔，该激光腔内将充入稀释的甲烷。在本实验中，远红外激光输出将由金属-绝缘体-金属点接触DDE探测器进行检测。首先，将二氧化碳激光器设置为所需的激光跃迁模式，即9 R 28。

在激光器输出端放置一个光束挡板。然后旋转激光器的微米调节旋钮，以使光束挡板上的光强达到最大。此外，调节激光器光栅的倾斜角度，以获得最大光强。

继续调整微米计DIO和分级装置，直至二氧化碳激光器的输出功率显示已优化。完成后，从光路中移除光束挡板。然后开启泵浦激光器光路中的光学斩波器，并对其进行准直。

接下来开始。为准备远红外激光腔，打开二氟甲烷气瓶的阀门，将二氟甲烷引入腔内作为工作介质。调节进样管线上的计量阀，使腔内压力达到约10帕斯卡或75毫托。

接下来调整谐振腔的输出耦合镜。使用连接在镜片上的外部调节杆，根据标定的刻度将镜片位置设置在距谐振腔中心约一厘米处。然后，确保探测器的输出端已连接至示波器。

然后准备在远红外谐振腔上搜索远红外激光辐射。利用已校准的千分尺刻度盘调节腔内可移动的激光反射镜。同时控制施加在二氧化碳激光压电换能器上的电压，以调谐激光频率。

当检测到激光发射时，示波器波形将从代表无发射的平坦状态转变为方波波形，表明存在远红外激光辐射。在继续操作前，应先优化信号功率。然后记录微米刻度盘上特定谐振腔模式的位置。

顺时针旋转千分尺旋钮以找到下一个模式。观察示波器上的波形变为平坦，然后显示另一个方波。

继续顺时针旋转旋钮，直到总共找到21个模式为止。记录旋钮的最终位置，并利用该位置确定发射波长。为确定远红外激光频率，请使用两台二氧化碳参考激光器。

该示意图展示了包含两束参考激光、泵浦激光以及远红外谐振腔的完整装置。该配置用于三激光外差技术，两束参考激光的频率差设定为接近由测量波长计算得到的远红外频率，相差数吉赫兹。实验开始时，在参考激光的共线光路中放置一个光束挡板。

使用一个参考激光器的输出，并用功率计进行测量。在观察功率读数的同时，缓慢调节激光器的微调装置，将其调整至对应最大功率的位置。调整到位后，使用内六角扳手通过改变光栅的倾斜角度进行微调。

在两者之间反复调整以优化输出功率。在优化每个参考激光器的输出功率后，调节每个激光器的光阑。每个激光器应向光路中的功率计输送约100毫瓦的功率。

继续操作，通过阻断泵浦激光器的光束，然后在参考激光器的共用光路中将光束挡板替换为光学斩波器。现在监测示波器信号，并调整以最大化聚焦在探测器上的辐射强度。

来自参考激光器。遮挡第二个参考激光束，并使用平凸透镜将第一个参考激光器的光束聚焦到探测器上。然后遮挡第一个参考光束，解除对第二个参考光束的遮挡。

调节分束器，使第二束参考激光在探测器上的信号达到最大。每种情况下，观察示波器并停止调节。当峰顶信号优化后，将光束挡板恢复至共线参考激光光路中。

从泵浦激光器上移除光束挡板。现在在示波器上监测太赫兹发射的功率输出。在此情况下，功率已经过优化。

功率优化完成后，将金属-绝缘体-金属二极管探测器与示波器断开。通过放大器将探测器连接至频谱分析仪。此时，从泵浦光束和参考光束的光路中移除所有光束挡板和光学斩波器。

接下来，使用频谱分析仪开始搜索拍频信号，将分析仪设置为40兆赫的跨度，并以1.5吉赫为步长搜索拍频信号。当找到拍频信号时停止。信号找到后，开始稳定参考频率。

聚焦于一个参考激光器，并在其压电换能器上施加0至900伏的电压，使来自其荧光参考池的信号位于兰姆凹陷的中心位置，激活锁相放大器以将信号保持在兰姆凹陷的中心。对第二个参考激光器重复相同步骤，以测量拍频频率。在频谱分析仪上将拍频信号置于中心位置，并调节其幅度以使显示尺寸最大化。

将频谱分析仪设置为同时显示给定腔模的瞬时信号（蓝色）和最大信号（黄色）。反复旋转远红外激光器腔体上的千分尺旋钮，观察频谱分析仪上产生的增益曲线。

当信号对称后，使用视图功能冻结最大信号的轨迹，以确定拍频的符号。轻微顺时针旋转微米计刻度盘，记录拍频的变化情况。为测量中心频率的拍频信号，将标记放置在最大信号轨迹所形成的对称图案的半高全宽位置处。

然后使用频谱分析仪的谱线对功能。以下是首次采用本方案并利用远红外腔中的二氟甲烷测得的平均远红外激光频率。平均值基于至少12次测量结果，且使用了至少两组不同的二氧化碳参考激光谱线进行。

高亮的行对应新发现的激光跃迁。对系统固有不确定性的评估以及与先前报道频率的比较表明，其分数不确定度为一千万分之五（一倍标准差）。新观测到的激光跃迁功率在毫瓦的千分之一到百分之一之间。一旦掌握。

该技术可用于在大约一到两小时内精确测定强激光发射的频率。请注意，操作红外激光器和外来红外激光器时可能存在极高危险，因此在执行该操作时，必须采取适当预防措施，包括佩戴合适的护目镜、确保通风良好，并反复检查设备，尤其应注意电气和水相关的安全隐患。