Name: Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laseremissionen und die Messung ihrer Frequenzen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 38 s
Description: Erfahren Sie die Erzeugung von Fern-Infrarot-Laserstrahlung mit optisch gepumpten Moleküllasern und heterodynen Frequenzmessverfahren. Diese Methode demonstriert präzise Frequenzbestimmung für Laserphysik-Anwendungen.

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Diese Arbeit wurde teilweise vom Washington Space Grant Consortium im Rahmen von Award NNX10AK64H unterstützt.

1. Planung der Experimente <ol><li> Führen Sie eine Überblick über die Literatur zum Stand der Arbeiten zu bewerten unter Verwendung des Lasermediums von Interesse, die für dieses Experiment ist CH 2 F 2. Identifizieren Sie alle bekannten Laseremissionen zusammen mit allen Informationen zu den Linien, wie ihre Wellenlänge und Frequenz. Mehrere Erhebungen der bekannten Laseremissionen sind 13,31 - 37. </li><li> Kompilieren Sie alle spektroskopischen Untersuchungen des Moleküls als das Lasermedium mit einem Schwerpunkt auf dem Stand der Fourier-Transformation 34 und optoakustischen Studien 38,39. </li></ol> 2. Erstellen von Ferninfrarot-Laser-Emissions <ol><li> Sicherheit Übersicht. <ol><li> Entwickeln Sie eine Standardarbeitsanweisung für das Labor, das richtige Augenschutz umfasst bei der Arbeit mit dem CO 2 und Fern-Infrarot-Lasersystemen. </li></ol></li><li> Ausrichtung und Kalibrierung. <ol><li> Kalibrieren Sie jeden CO 2 laser mit einem gitterbasierte Spektrumanalysator für den CO 2 -Laser ausgebildet gemäß dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Ausrichten der Endspiegel und dem Koppelspiegel im fernen Infrarotlaserhohlraum unter Verwendung eines He-Ne-Laser, so daß ihre Strahlung auf die MIM-Diode Detektor fokussiert. </li><li> Direkt der Strahlung von der CO 2 Pumplaser in die Fern-Infrarot-Laser-Resonator durch einen Natriumchlorid-Fenster in einem Winkel von ungefähr 72 o gegenüber der Hohlraumachse. </li><li> Leiten die Strahlung von den zwei CO 2 Referenzlasern, um entweder ihre jeweiligen Niederdruckfluoreszenzreferenzzelle oder co-linear auf das MIM-Diodendetektor, der Strahlteiler und zusätzliche Spiegel. </li></ol></li><li> Detektion von Fern-Infrarot-Laserstrahlung. <ol><li> Polieren Sie die Nickel-Basis alle paar Tage mit einem Standard-Metallpolitur. </li><li> Crimp einen 25 &amp; mgr; m Wolframdraht in eine Kupfer Post und biegen Sie den Draht in die Konfiguation in Abbildung 3 dargestellt. </li><li> Die Länge des Drahtes, so dass es zwischen 10 bis 20 Wellenlängen der Strahlung gemessen wird. </li><li> Elektrochemisch zu ätzen, die Spitze des Drahtes in einer gesättigten Natriumhydroxid (NaOH) durch Anlegen einer Spannung (ca. 3,5 bis 5 VAC) zu der Lösung. </li><li> Re-ätzen die Spitze mit einer niedrigen Spannung (weniger als 1 VAC). Diese raut die Spitze des Drahtes und verbessert die Leistung der Diode. </li><li> Spülen Sie den Draht mit destilliertem Wasser. </li><li> Legen Sie die Kupfer Beitrag in das Gehäuse des MIM-Diode, wenn der Draht trocken ist. </li><li> Setzen Sie den Draht in Kontakt mit der Nickel-Basis mit einem feinen Schraube und Level-System. Kontakte wobei ein Widerstand über die Diode, die zwischen 100 und 500 Ω werden typischerweise verwendet, wenn Erfassung und Messung fernen Infrarotlaserstrahlung. </li></ol></li><li> Erzeugung von Fern-Infrarot-Laserstrahlung. <ol><li> Stellen Sie den CO 2 Pumplaser auf einem bestimmten Laser emission, z. B. 9 P 36. </li><li> Drehen Sie die Messuhr an der CO 2 Pumplaser und zurück, um maximale Intensität auf die Strahlblende zu erreichen. </li><li> Stellen Sie die Neigung des CO2 Pumplaser des Gitters, um eine maximale Intensität auf der Strahlblende zu erreichen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 und 2.4.3 bis die Ausgangsleistung für den CO 2 Pumplaser erscheint auf der Strahlblende optimiert. </li><li> Entfernen Sie die Strahlblende aus dem Weg des CO 2 Pumplaser. </li><li> Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in den Strahlengang des CO 2 Pumplaser. </li><li> Öffnen des Ventils an der CH 2 F 2 Zylinder das Fern-Infrarot-Lasermedium in die Fern-Infrarot-Laserhohlraum einzuführen. </li><li> Einstellen des Dosierventils an der Einlassleitung, bis ein Druck von etwa 10 Pa erreicht ist. Hinweis: Nur die ungefähre Druck ist erforderlich, da es als eine Möglichkeit zur systematischen Abtastung des fernen Infrarotlaser c verwendet wirdavity. </li><li> Setzt die Position des Ausgangskopplers, so daß seine äußersten Spitze ist etwa 1 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite des Laserresonators dargestellt. Anmerkung: Nur die ungefähre Lage ist erforderlich, da es als eine Möglichkeit zur systematischen Abtastung des fernen Infrarotlaserhohlraum eingesetzt wird. </li><li> Passen Sie die Position des beweglichen Fern-Infrarot-Laserspiegel in etwa 0,25 mm-Schritten durch Drehen des kalibrierten Feinmessuhr hin und her. Gleichzeitig Abstimmung der Frequenz des CO 2 Pumplaser durch seine Verstärkungskurve durch eine Änderung der über die CO 2 Pumplaser des piezoelektrischen Wandler (PZT) angelegten Spannung. </li><li> Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet wird, wiederholen Schritt 2.4.10 mit dem Ausgangskoppler bewegt, um die nächste Position, wo sich die Spitze etwa 1,5 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite der Laserdeutet Hohlraum. </li><li> Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet wird, wiederholen Schritt 2.4.10 mit dem Ausgangskoppler bewegt, um die nächste Position, an der Spitze von etwa 2 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite der Laserdeutet Hohlraum. </li><li> Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, wiederholen Sie die Schritte 2.4.9 bis 2.4.12 mit einem Fern-Infrarot-Laserdruck von ca. 19 Pa, wie mit dem Dosierventil auf der Einlassleitung eingestellt. </li><li> Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, wiederholen Sie die Schritte 2.4.9 bis 2.4.12 mit einem Fern-Infrarot-Laserdruck von ca. 27 Pa, wie mit dem Dosierventil auf der Einlassleitung eingestellt. </li><li> Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, legen Sie die Strahlblende in den Lauf von der CO 2 Pumplaser und Schließen des Ventils auf der CH 2 2 Zylinder, bis die Fern-Infrarot-Laser-Druck etwa 0 Pa. </li><li> Stellen Sie den CO 2 PumpenLaser auf die nächste Laseremission, beispielsweise 9 P 34 und die Optimierung der Ausgangsleistung unter Verwendung der Schritte 2.4.2 bis 2.4.4. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.4.5 bis 2.4.16, bis alle von der CO 2 Pumplaser erzeugten Emissionen eingesetzt werden. Bei der Suche nach fernen Infrarot Laserlinien, legen einen Fokus auf CO2-Pumplaser-Emissionen, deren Frequenzen überlappen mit beliebigen Absorptionsbereiche in Schritt 1.2 identifiziert. </li></ol></li><li> Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laser-Emissionen. <ol><li> Gleichzeitig den Druck des im fernen Infrarot-Lasermedium, das zu dem CO 2 Pumplasers PZT angelegte Spannung, und die Position des Ausgangskopplers einzustellen, bis die Ausgangsleistung der Fern-Infrarot-Laser-Emission ist maximiert wird (durch eine maximale Spitze-fest Spitzensignal von der MIM-Diodendetektor, wie auf dem Oszilloskop-Display, ähnlich beobachtet Abbildung 4). </li><li> Drehen Sie die Messuhr Uhrzeigersinn, bis die Fern-Infrarot-Laseremission auf beobachtetdas Oszilloskop-Display. Notieren Sie die Position der Messuhr. </li><li> Drehen Sie den Mikrometer-Ring nach rechts für weitere 20 Betriebsarten entsprechend dem gleichen Fern-Infrarot-Laseremission. Notieren Sie die Position der Messuhr. </li><li> Subtrahieren Sie die Position der Messuhr in Schritten 2.5.2 und 2.5.3. Teilen diese Differenz durch 10, um die Wellenlänge der fernen Infrarotlaseremission zu erhalten. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.5.2 bis 2.5.4 insgesamt fünf Mal und mitteln die Wellenlänge des Fern-Infrarot-Laseremission. Mittlere Laserwellenlängen durch das Durchlaufen von mindestens 20 benachbarten Längsmoden gemessen eine Eins-Sigma-Unsicherheit von ± 0,5 um. </li><li> Messen der Polarisation des Fern-Infrarot-Laserstrahlung relativ zu dem CO 2 Pumpstrahlung, entweder mit einer Golddrahtgitter-Polarisator (394 Linien / cm) oder ein Brewster-Polarisator. </li></ol></li></ol> 3. Bestimmung Ferninfrarot-Laserfrequenzen <ol><li> Identifizierening die CO 2 Referenzlaser-Emissionen. <ol><li> Berechnen der Frequenz des Ferninfrarot-Laseremission auf der Grundlage ihrer gemessenen Wellenlänge. </li><li> Identifiziert Gruppen von CO 2 Referenzlaser, deren Frequenzdifferenz innerhalb einigen GHz der berechneten Frequenz für die Fern-Infrarot-Laserstrahlung 40. Eine typische Liste für solche Messungen verwendet wird, in Tabelle 1 gezeigt. </li></ol></li><li> Die Suche nach dem Heterodyn-Schwebungssignals. <ol><li> Identifizieren Sie den ersten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien und stellen jedes CO 2 Referenzlaser auf ihren jeweiligen Laseremission. </li><li> Optimieren Sie die Leistung für jeden CO 2 Referenzlaser mit Schritte 2.4.2 bis 2.4.4 und den Monitor-Leistungsmesser. <ol><li> Einstellen einer Blende, entweder intern oder extern zu jedem Referenzlasers, so daß die Leistung von jedem CO 2 Referenzlasers beträgt ungefähr 100 mW, wie durch den in dargestellten Monitorleistung gemessenAbbildung 2. </li></ol></li><li> Blockieren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern. </li><li> Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in die kollineare Strahlengang der CO 2 Referenzlasern. </li><li> Optimiert für eine maximale Spitze-zu-Spitze-Spannung jedes CO 2 Referenzlaseremission auf dem MIM Diodendetektor mit mehreren Spiegel, Strahlteiler und ein 2,54 cm Brennweite ZnSe Plankonvexlinse während er das Ausgangssignal auf dem Oszilloskop, ähnlich 5, . </li><li> Blockieren der Strahlung von der CO 2 Referenzlaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser. </li><li> Erneute Optimierung der CO 2 Pumplaser und der Fern-Infrarot-Laser, wie erforderlich, so dass das Fern-Infrarot-Laserstrahlung hat eine maximale Spitze-zu-Spitze-Spannung, wie auf dem Oszilloskop beobachtet. </li><li> Trennen ter MIM Ausgangsdiode Detektors vom Oszilloskop und schließen Sie es an einen Verstärker, dessen Ausgang auf einem Spektrum-Analysator beobachtet. </li><li> Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern. </li><li> Entfernen Sie das optische Chopper Modulieren der CO 2 Pumpe und Referenzlaser. </li><li> Den Spektrumanalysator auf einem 40-MHz-Spanne und die Suche nach dem Überlagerungssignal in 1,5 GHz-Schritten durch manuelles Scannen dieser Frequenzbereich mit Einstellknopf des Spektrumanalysators. </li><li> Wenn kein Überlagerungssignal beobachtet wird, trennen Sie den Ausgang des MIM-Diode des Verstärkers und schließen Sie es an das Oszilloskop. </li><li> Blockieren die Strahlung von den CO 2 Referenzlaser und setzen Sie die optischen Unterbrecher in den Lauf von der CO 2 Pumplaser. </li><li> Die Schritte 3.2.2 bis 3.2.13 wie nötig, bis die Spektrum-Analysator wurde verwendet, um die Schwebungssignal zwischen 0 und 12 GHz zu suchen. </li><li> Wenn kein Überlagerungssignal wird beobachtet, repebei den Schritten 3.2.2 bis 3.2.14 mit einem anderen Satz von CO 2 Referenzlaserlinien bis entweder das Schwebungssignal beobachtet wird, oder alle möglichen Sätze von CO 2 Referenzlaserlinien sind erschöpft. </li></ol></li><li> Stabilisierung der CO 2 Referenzfrequenzen. <ol><li> Eine Spannung zwischen 0 und 900 V, um die erste CO 2 Referenzlasers PZT so dass das Signal von seiner jeweiligen Fluoreszenzreferenzzelle ist in der Mitte der Lamb-Dip, in Figur 6 veranschaulicht und auf einem Oszilloskop, wie in 7 zu sehen. </li><li> Aktivieren Sie die Rückkopplungsspannung an den ersten CO 2 Referenz Lasers PZT mit einem speziell angefertigten Lock-in / Servoverstärker, so dass es bleibt auf der Mitte der Lamb dip gesperrt angewendet. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.3.1 und 3.3.2 für die zweite CO2-Referenzlaser. </li><li> Den Ausgang der Vorverstärker auf einem Oszilloskop visuell zu überwachen, wie in Figur 7, ENsicher, dass die Referenz-Laser bleibt gesperrt. </li></ol></li><li> Messung der Schwebungsfrequenz. <ol><li> Zentrieren Sie das Schwebungssignal auf der Spektrum-Analysator-Anzeige und stellen Sie die Amplitude seiner Größe auf dem Display zu maximieren. </li><li> Den Spektrumanalysator zu zwei gleichzeitigen Spuren des Schwebungssignals, wie in Abbildung 8 zu sehen, indem Sie die Clear-Write-Funktion für beide Trace 1 und Trace 2. Eine Spur wird die momentane Signal angezeigt, während die andere die maximale Signal aufzeichnen (unter Verwendung von ein Max-Hold-Funktion auf dem Spektrum-Analysator für die zweite Spur). </li><li> Drehen Sie die Messuhr an der Fern-Infrarot-Laser-Resonator hin und her über die Verstärkungskurve für eine gegebene Hohlraummode. </li><li> Verwenden Sie die Ansicht-Funktion auf dem Spektrum-Analysator, um die zweite (Max Hold) Spur einfrieren, wenn eine symmetrische Muster erhalten wird. </li><li> Leicht drehen Sie den Mikrometer-Ring nach rechts, um die Länge der Fern-Infrarot-Laser-Hohlraums zu verringern. Gleichzeitig beachten Sie die U-Booteequent kleine Verschiebung der Schwebungsfrequenz am Spektrumanalysator aufgrund dieser leichten Erhöhung der Frequenz des Ferninfrarot-Laser. </li><li> Zeigen Marker an der Halbwertsbreite Punkte des symmetrischen Muster (Max Hold-Trace) mit der Marker-Funktion mit der Delta-Funktion auf dem Spektrum-Analysator. </li><li> Messen Sie die Mittenfrequenz des Überlagerungssignals mit dem Span Pair-Funktion auf dem Spektrum-Analysator. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.4.1 bis 3.4.7. </li><li> Lösen Sie die Sperre in / Servoverstärker für jeden CO 2 Referenzlaser, um jeden Laser von seiner Mittenfrequenz zu entsperren und neu optimieren jede CO 2 Referenzlaser. </li><li> Re-Sperren der Referenzlaser mit Schritte 3.3.1 bis 3.3.4. </li><li> Die Schritte 3.4.1 bis 3.4.10 für insgesamt 6 Messungen. Wenn Sie fertig sind, entsperren jedes CO 2 Referenzlaser aus seiner Mittenfrequenz. </li><li> Berechnen der revidierten Frequenz des Fern-Infrarot-Laser-Emission unter Verwendung dieser Überlagerungs frezen, um eine genaue Voraussage für den zweiten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien zu erhalten. </li><li> Identifiziert eine andere Gruppe CO 2 Referenzlaser, deren Frequenzdifferenz innerhalb einigen GHz der berechneten Frequenz für die Fern-Infrarot-Laser-Emission. </li><li> Optimieren Sie den nächsten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien auf dem MIM-Diodendetektor und erhalten das Schwebungssignal mit Schritten 3.2.2 bis 3.2.15 wie nötig. </li><li> Verriegeln Sie den neuen Satz von CO 2 Referenzlaserlinien unter Verwendung der Schritte 3.3.1 bis 3.3.4. </li><li> Die Schritte 3.4.1 bis 3.4.10 für insgesamt 6 Messungen. Wenn Sie fertig sind, entsperren jedes CO 2 Referenzlaser aus seiner Mittenfrequenz. </li><li> Legen Strahl stoppt in den Wegen der CO 2 Pumpe und Referenzlaser. </li></ol></li><li> Berechnung des fernen Infrarotlaserfrequenz. <ol><li> Berechnen Sie das unbekannte Fern-Infrarot-Laserfrequenz, ν FIR, mit der gemessen werdenbei der Frequenz durch die Beziehung FIR = | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | ν Schlag | Gl. 1 wo | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ist der Betrag der Differenzfrequenz der beiden CO 2 Referenzlasern und synthetisiert | ν Schwebungs | ist die Grße der Schwebungsfrequenz. Die ± Zeichen in Gl. 1 wird experimentell aus Schritt 3.4.5 bestimmt. </li><li> Erhalten mittlere Frequenz und die Berechnung derUnsicherheit. </li></ol></li></ol>

In diesem Beitrag werden bestimmte kommerzielle Geräte identifiziert, um das Verständnis zu fördern. Eine solche Identifizierung impliziert weder eine Empfehlung oder Billigung durch die Autoren, noch impliziert sie, dass die identifizierte Ausrüstung notwendigerweise die beste verfügbare für den Zweck ist.

Es gibt mehrere wichtige Schritte im Protokoll, das einige zusätzliche Diskussion erforderlich. Bei der Messung des fernen Infrarotlaserwellenlänge, wie in Schritt 2.5.3 dargelegt, ist es wichtig, in dem Modus des fernen Infrarotlaserstrahlung verwendet wird, zu gewährleisten. Mehrere Modi eines fernen Infrarot-Laserwellenlänge (dh TEM 00, TEM 01, etc.) innerhalb des Laserhohlraums erzeugt werden und somit ist es wichtig zu erkennen, die entsprechenden benachbarten Hohlraummoden verwendet,...

Die Messung des fernen Infrarotlaserfrequenzen wurde zuerst von Hocker geführt und Mitarbeiter 1967 Sie maßen die Frequenzen für die 311 und 337 &amp; mgr; m-Emissionen aus dem Direktentladung Cyanwasserstoff Laser durch Mischen mit hohen Harmonischen eines Mikrowellensignals in einer Siliziumdiode 1. Um höhere Frequenzen zu messen, wurden eine Kette von Lasern und harmonische Mischvorrichtungen verwendet, um die Laser Harmonischen 2 zu erzeugen. Schließlich zwei stabilisierten Kohlendioxid (CO 2) -Laser wurden so gewählt, synthetisieren die notwendige Differenzfrequenzen 3,4. Heute können Fern-Infrarot-Laser-Frequenzen bis 4 THz mit dieser Technik nur unter Verwendung der ersten Harmonischen der Differenzfrequenz von zwei erzeugten Mess stabilisierten CO 2 Referenzlasern. Höherfrequenten Laseremissionen können auch unter Verwendung der zweiten Harmonischen, wie zum Beispiel der 9 THz Laseremissionen aus dem Methanol Isotopologen CHD 2 OH und CH 3 </sub&gt; 18 OH. 5,6 Im Laufe der Jahre hat sich die genaue Messung der Laserfrequenzen eine Reihe von wissenschaftlichen Experimenten 7,8 wirkt und erlaubt die Annahme einer neuen Definition des Meters von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris 1983 9-11 Heterodyn-Techniken, wie sie beschrieben wird, immens nützlich bei der Messung von Ferninfrarot-Laserfrequenzen von optisch gepumpte Moleküllaser erzeugt worden ist. Seit der Entdeckung des optisch gepumpten Laser Molekular von Chang und Brücken 12, Tausende von optisch gepumpter Ferninfrarot-Laser-Ausstoß mit einer Vielzahl von Lasermedien erzeugt wurden. B. Difluormethan (CH 2 F 2) und ihre Isotopologen erzeugen über 250 Laseremissionen bei optisch durch einen CO 2 -Laser gepumpt. Deren Wellenlängen im Bereich von etwa 95,6 bis 1714,1 &amp; mgr; m. 13 - </sbis&gt; 15 Fast 75% dieser Laseremissionen haben ihre Frequenzen gemessen, während mehrere wurden spektroskopisch zugeordnet 16-18. Diese Laser und ihre genau gemessen Frequenzen, haben eine entscheidende Rolle bei der Förderung der hochauflösende Spektroskopie gespielt. Sie liefern wichtige Informationen für die Infrarot-Spektralbereich Untersuchungen der Lasergase. Oft sind diese Laserfrequenzen werden verwendet, um die Analyse der Infrarot-und Fern-Infrarot-Spektren zu überprüfen, weil sie Verbindungen zwischen den angeregten Schwingungszustand Ebenen, die oft direkt aus unzugänglichen Absorptionsspektren 19 geeignet sind. Sie dienen auch als primäre Strahlungsquelle für die Studien, die vorübergehend, kurzlebige freie Radikale mit dem Laser-Magnet-Resonanz-Technik 20. Mit dieser extrem empfindliche Technik, Rotations- und Ro-Schwingungs Zeeman Spektren in paramagnetischen Atomen, Molekülen und Molekülionen kann recorded und zusammen mit der Fähigkeit, die verwendet werden, um diese freien Radikale zu erstellen Reaktionsgeschwindigkeiten zu untersuchen analysiert. In dieser Arbeit wird eine optisch gepumpte Moleküllaser, in Figur 1 gezeigt, verwendet wurde, um im fernen Infrarot-Laserstrahlung von Difluormethan zu erzeugen. Dieses System besteht aus einer kontinuierlichen Welle (cw) CO 2 Pumplaser und einem Fern-Infrarot-Laser-Resonator. Ein Spiegel innerhalb des fernen Infrarotlaserhohlraum leitet den CO2-Laserstrahlung auf der polierten Kupferrohr, unterzogen sechsundzwanzig Reflexionen vor der Beendigung am Ende des Hohlraums, Verstreuen restliche Pumpstrahlung. Deshalb ist die Fern-Infrarot-Lasermedium wird mit einer transversalen Pumpgeometrie angeregt. Um eine Laserwirkung zu erzeugen, werden verschiedene Variablen eingestellt, etwas gleichzeitig und all anschließend optimiert, wenn Laserstrahlung beobachtet wird. In diesem Experiment wird im fernen Infrarot-Laserstrahlung von einem metall insu wachtenlator-Metall (MIM) Punktdiodendetektor. MIM-Diode Detektor für die Laserfrequenz-Messungen seit 1969 21 verwendet worden - 23 in der Laserfrequenz-Messungen ist das MIM-Diodendetektor eine harmonische Mischstufe zwischen zwei oder mehreren Strahlungsquellen, das auf die Diode. Die MIM-Dioden-Detektor besteht aus einem geschärften Wolfram: der Draht Kontaktieren eines optisch polierten Nickel Basis 24. Die Nickelbasis eine natürlich vorkommende dünne Oxidschicht, die die isolierende Schicht ist. Sobald eine Laseremission erkannt wurde, wurden seine Wellenlänge, Polarisation, Stärke und optimierten Betriebsdruck aufgezeichnet, während ihre Frequenz wurde unter Verwendung des Drei-Laser-Heterodyn-Technik 25 gemessen - 27 nach der Methode, die ursprünglich in Ref beschrieben. 4. Abbildung 2 zeigt das optisch gepumpte Moleküllaser mit zwei zusätzlichen cw CO 2 Referenzlasern mit unabhängigen Frequenz stasierung Systeme, die das Lamm Bad im 4,3 um Fluoreszenzsignal von einem externen, Niederdruck-Referenzzelle 28 zu nutzen. Diese Handschrift skizziert die verwendet werden, um für die Fern-Infrarot-Laser-Emissionen sowie die Verfahren zur Abschätzung ihrer Wellenlänge und bei der genauen Bestimmung ihrer Frequenzsuchprozess. Besonderheiten, die drei Laser-Heterodyn-Technik sowie die verschiedenen Komponenten und die Betriebsparameter des Systems kann in Supplemental Tabelle A zusammen mit Referenzen 4, 25-27, 29 und 30 gefunden werden.

<table><tbody><tr><td>Vakuumpumpe</td><td>Leybold</td><td>Trivac D4A</td><td>HE-175 Öl; Menge = 3</td></tr><tr><td>Vakuumpumpe</td><td>Leybold</td><td>Trivac D8B oder D16B</td><td>Fomblin Fluid; Menge = 1 von jedem</td></tr><tr><td>Vakuumpumpe</td><td>Leybold</td><td>Trivac D25B</td><td>HE-175 Öl; Menge = 1</td></tr><tr><td>Optischer Chopper mit Controller</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR540</td><td></td></tr><tr><td>Lock-in-Verstärker</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>Spektrumanalysator</td><td>Agilent</td><td>E4407B</td><td>ESA-E Serie, 9 kHz bis 26,5 GHz Spektrumanalysator</td></tr><tr><td>Verstärker&nbsp;</td><td>Miteq</td><td>AFS-44</td><td>Bietet eine Verstärkung von Signalen zwischen 2 und 18 GHz. Der Verstärker wird von einem Hewlett Packard DC-Netzteil mit drei Ausgängen, Modell E3630A, gespeist.</td></tr><tr><td>Verstärker&nbsp;</td><td>Avantek</td><td>AWL-1200B</td><td>Bietet Verstärkung von Signalen unter 1,2 GHz.</td></tr><tr><td>Netzteil</td><td>Hewlett Packard</td><td>E3630A</td><td>Niederspannungs-Gleichstromnetzteil für Verstärker.</td></tr><tr><td>Stromversorgung</td><td>Glassman</td><td>KL Serie</td><td>Hochspannungsnetzteil für die CO2Laser; Menge = 2; Netzteil mit negativer Polarität</td></tr><tr><td></td><td>Fluke</td><td>412B</td><td>Hochspannungsnetzteil für den NIST Asymmetrischen HV-Verstärkerdetektor</td></tr><tr><td></td><td>Judson Infrared Inc</td><td>J10D</td><td>Für Fluoreszenzzellen; Menge = 2</td></tr><tr><td>CO2 Laser-Spektrumanalysator</td><td>Optische Technik&nbsp;</td><td>16-A</td><td>Derzeit verkauft von Macken Instruments Inc.</td></tr><tr><td>Wärmebildfolien mit UV-Licht</td><td>Optische Technik</td><td></td><td>Wird hauptsächlich zum Ausrichten der CO2 Referenzlaser verwendet. Derzeit wird es von Macken Instruments Inc. vertrieben.</td></tr><tr><td>Widerstände</td><td>Ohmite&nbsp;</td><td>L225J100K</td><td>100 kW, 225 W. In jedem Vorschaltsystem kommen zwischen 4 und 6 Widerstände zum Einsatz. Jeder CO2Laser verfügt über ein eigenes Ballastsystem. Lüfter werden zur Kühlung der Widerstände verwendet.</td></tr><tr><td>HV-Relais, SPDT</td><td>CII Technologies</td><td>H-17</td><td>Menge = 3; eine für jeden CO2</td></tr><tr><td>Laserverstärker&nbsp;</td><td>Princeton Applied Research</td><td>PAR 113</td><td>Wird mit Fluoreszenzzelle verwendet; Menge = 2</td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Tektronix</td><td>2235A</td><td>Ähnliche Modelle werden ebenfalls verwendet; Menge = 2</td></tr><tr><td>Oszilloskop/Differenzverstärker</td><td>Tektronix</td><td>7903 Oszilloskop mit Differenzverstärker</td><td></td>7A22</tr><tr><td>Leistungsmesser mit Sensor</td><td>Coherent</td><td>200</td><td>Für den Einsatz unter 10 W. Dies ist der in Abbildung 2 gezeigte Leistungsmesser.</td></tr><tr><td>Leistungsmesser mit Sensor</td><td>Scientech, Inc</td><td>Vector S310</td><td>Für den Einsatz unter 30 W</td></tr><tr><td>Multimeter</td><td>Fluke</td><td>73III</td><td>Ähnliche Modelle werden ebenfalls verwendet; Anzahl = 3</td></tr><tr><td>Datenerfassung</td><td></td><td>Chassis NI cDAQ 9174 von National Instruments mit Eingabemodul NI 9223</td><td>Verwendet die LabVIEW-Software</td></tr><tr><td>Simichrome polish</td><td>Happich GmbH</td><td></td><td>Polish für die Nickelbasis, die im MIM-Diodendetektor verwendet wird. Obwohl die Nickelbasis sofort nach dem Polieren verwendet werden kann, wird in der Regel eine Vorlaufzeit von 12 Stunden empfohlen.</td></tr><tr><td>Manometer</td><td>Wallace and Tiernan</td><td>61C-1D-0050</td><td>Serie 300; für CO2 Laser; Menge = 3</td></tr><tr><td>Manometer mit Regler</td><td>Granville Phillips</td><td>Serie 375</td><td>Für Ferninfrarotlaser</td></tr><tr><td>Zirkonoxidfilz</td><td>Zircar Zirkonoxid</td><td>ZYF Filz</td><td>Wird als Strahlstopp</td></tr><tr><td>verwendet Zirkonoxidplatte</td><td>ZircarZirkonoxidplatte Zirkonoxidplatte</td><td></td><td>Wird als Strahlanschlag verwendet; Menge = 4</td></tr><tr><td>Teflonblech</td><td>Scientific Commodities, Inc</td><td>BB96312-1248</td><td>1/32 Zoll dick; verwendet für das Ferninfrarot-Laserausgangsfenster</td></tr><tr><td>Polypropylen</td><td>C-Line Blattschutzfolien</td><td>61003</td><td>verwendet für das Ferninfrarot-Laserausgangsfenster</td></tr><tr><td>Vakuumfett</td><td>Apiezon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Netzteil</td><td>Kepco</td><td>NTC 2000</td><td>PZT Netzteil</td></tr><tr><td>PZT Rohr</td><td>Morgan Advanced Materials</td><td></td><td>1 Zoll Länge, 1 Zoll Außendurchmesser, 0,062 Zoll Dicke, umgekehrte Polarität (positive Spannung auf der Außenseite); Menge = 3</td></tr><tr><td>ZnSe (AR-beschichtet)</td><td>II-VI Inc</td><td></td><td>CO2 Laserfenster (Menge = 3), Linse und Strahlteiler (Menge 3)</td></tr><tr><td>NaCl-Fenster</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Menge = 1</td></tr><tr><td>CaF-Fenster</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Menge = 2</td></tr><tr><td>Laserspiegel und -gitter</td><td>Hyperfine, Inc</td><td></td><td>Goldbeschichtet; inkl.</td></tr> <tr><td>PositionierspiegelGlaslaserröhren und Referenzzellen</td><td>Allen Scientific Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MIM-Diodendetektor</td><td>Custom Microwave, Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Andere</td><td></td><td></td><td>Andere Materialien sind magnetische Sockel, Grundplatten, Basisklemmen, XYZ-Translationstisch usw.</td></tr></tbody></table>

charakterisierung von fern-infrarot-laseremissionen und die messung ihrer frequenzen

Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies

Die Erzeugung und anschließende Messung der Fern-Infrarot-Strahlung hat eine Vielzahl von Anwendungen in der hochauflösenden Spektroskopie, Radioastronomie und Terahertz-Bildgebung gefunden. Für etwa 45 Jahren ist die Erzeugung kohärenter, Strahlung im fernen Infrarot mit der optisch gepumpte Moleküllaser erreicht worden. Einmal im fernen Infrarot-Laserstrahlung erfaßt wird, werden die Frequenzen dieser Laseremissionen unter Verwendung eines Drei-Laser-Heterodyn-Technik gemessen. Mit dieser Technik ist die unbekannte Frequenz aus dem optisch gepumpte Moleküllaser gemischt mit der Differenzfrequenz zwischen zwei stabilisierten, Infrarotreferenzfrequenzen. Diese Referenzfrequenzen werden von unabhängigen Kohlendioxidlaser erzeugt wird, stabilisiert die jeweils mit dem Fluoreszenzsignal von einer externen Niederdruck-Referenzzelle. Das resultierende Takt zwischen den bekannten und unbekannten Laserfrequenzen wird durch ein Metall-Isolator-Metall-Punktdiodendetektor, dessen Ausgang auf einem spec beobachtet überwachttrum-Analysator. Die Schwebungsfrequenz zwischen diesen Laseremissionen wird anschließend gemessen und mit den bekannten Referenzfrequenz, um den unbekannten fernen Infrarotlaserfrequenz zu extrapolieren. Das resultierende eint Sigma Fractional Unsicherheit für Laserfrequenzen mit dieser Technik gemessen wird, ist ± 5 Teile in 10. 7 die genaue Bestimmung der Frequenz des fernen Infrarotlaserstrahlung ist kritisch, da sie häufig als eine Referenz für andere Messungen verwendet werden, wie in der Hoch -Auflösung spektroskopische Untersuchungen von freien Radikalen mit Laser-Magnet-Resonanz. Im Rahmen dieser Untersuchung Difluormethan CH 2 F 2, wurde als das im fernen Infrarot-Lasermedium verwendet. Insgesamt wurden acht Ferninfrarot-Laserfrequenzen für die erste Zeit mit Frequenzen im Bereich von 0,359 bis 1,273 THz gemessen. Drei dieser Laseremissionen wurden während dieser Untersuchung festgestellt wurden, und sind mit ihrem optimalen Betriebsdruck, der Polarisation in Bezug auf den CO 2 berichtet </sub&gt; Pumplaser, und Stärke.

Wie erwähnt, ist die Frequenz für eine Fern-Infrarot-Laseremission berichtet ein Mittelwert von mindestens zwölf Messungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Sätzen von CO 2 Referenzlaserlinien durchgeführt. Tabelle 2 fasst die für die 235,5 &amp; mgr; m-Laseremission bei der Verwendung der aufgezeichneten Daten 9 P 04 CO 2 Pumplaser. Aus diesem fernen Infrarotlaseremission wurden vierzehn einzelnen Messungen der Schwebungsfrequenz erfasst. Der erste Satz von Messungen ...

Wir beschreiben die Erzeugung von ferninfraroter Strahlung mit einem optisch gepumpten molekularen Laser zusammen mit der Messung ihrer Frequenzen mit Heterodyn-Techniken. Das experimentelle System und die Techniken werden unter Verwendung von Difluormethan (CH2F2) als Lasermedium demonstriert, dessen Ergebnisse drei neue Laseremissionen und acht gemessene Laserfrequenzen umfassen.

Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laseremissionen und die Messung ihrer Frequenzen

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and ...

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Strahlung eines fernen Infrarotlasers zu erzeugen und die Frequenzen der erzeugten Laseremissionen mithilfe einer Drei-Laser-Heterodyn-Technik zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst Strahlung eines Kohlendioxid-Lasers in einen Ferninfrarot-Laskavität eingeleitet wird. Im zweiten Schritt werden die Betriebsparameter beider Laserkavitäten variiert, um Strahlung im fernen Infrarotbereich zu erzeugen, und die detektierte Strahlung wird mit einem Oszilloskop beobachtet.Danach wird die fernen Infrarotstrahlung mit zwei Referenzfrequenzen eines Kohlendioxid-Lasers gemischt. Anschließend wird die resultierende Schwebungsfrequenz identifiziert. Der letzte Schritt besteht darin, mehrere Schwebungsfrequenzen zu messen, um die Frequenz des Ferninfrarotlasers zu berechnen.Schließlich wird im Rahmen dieser Untersuchung die Drei-Laser-Heterodyn-Technik verwendet, um acht im fernen Infrarotbereich liegende Laserfrequenzen zu messen, die von Diora-Methan erzeugt werden. Erstmals können die Ergebnisse dieser Methode Einblicke in die Spektroskopie des lasenden Moleküls liefern. Sie kann außerdem auf Systeme angewendet werden, die genaue Frequenzen benötigen, wie beispielsweise die Hochauflösungsspektroskopie, die Radioastronomie und die Terahertz-Bildgebung.Bildgebung: Bereiten Sie sich darauf vor, mit potenziell schädlicher Laserstrahlung zu arbeiten, indem Sie eine geeignete Augenprotektion tragen. Dieser Teil des Protokolls verwendet einen Kohlendioxidlaser und einen polierten Kupfer-Ferninfrarotlaserresonator. Dieses Schema gibt einen Überblick darüber, wie beide angeordnet sind.Der Kohlendioxidlaser wird den Ferninfrarotlaser-Resonator pumpen, der mit verdünntem Methan gefüllt sein wird. Für dieses Experiment wird die Ferninfrarotlaser-Ausgangsleistung mit einem Metal-Insulator-Metal-Spitzenkontakt-DDE-Detektor nachgewiesen. Beginnen Sie damit, mit dem Kohlendioxidlaser arbeiten, der hier auf einen gewünschten Laserübergang eingestellt ist, nämlich neun R zwei acht.Platzieren Sie eine Strahlblende am Ausgang des Lasers. Drehen Sie nun am Mikrometerschraubenrad des Lasers, um die Strahlintensität an der Strahlblende zu maximieren. Stellen Sie zusätzlich die Neigung des Gitters des Lasers ein, um die maximale Intensität zu erreichen.Setzen Sie die Justierung des Mikrometers DIO und der Abstufung fort, bis die Ausgangsleistung des Kohlendioxid-Lasers optimiert erscheint. Entfernen Sie anschließend den Strahlstopper aus dem Strahlengang. Schalten Sie dann einen optischen Chopper im Strahlengang des Pumplasers ein und richten Sie ihn aus.Als Nächstes beginnen. Um den Ferninfrarot-Laserresonator vorzubereiten, öffnen Sie das Ventil der Difluormethan-Flasche, um dieses als Medium in den Resonator einzuleiten. Stellen Sie das Dosierungsventil an der Zuleitung so ein, dass ein Druck von etwa 10 Pascal oder 75 Millitorr erreicht wird.Wechseln Sie nun zur Einstellung des Auskoppelspiegels des Resonators. Verwenden Sie einen externen Stab, der am Spiegel befestigt ist, um die Spiegelposition etwa einen Zentimeter vom Mittelpunkt des Resonators entfernt einzustellen, gemessen anhand der kalibrierten Skala. Stellen Sie danach sicher, dass die Ausgabe des Detektors mit einem Oszilloskop verbunden ist.Bereiten Sie dann die Suche nach fernen infraroten Laserstrahlen im fernen infraroten Resonator vor. Nutzen Sie das kalibrierte Mikrometerskalenrad, um den beweglichen Laserreflektor im Inneren einzustellen. Steuern Sie gleichzeitig die angelegte Spannung an den piezoelektrischen Wandler des Kohlendioxid-Lasers, um die Laserfrequenz abzugleichen.Wenn eine Laseremission festgestellt wird, wechselt die Oszilloskop-Wellenform von einer flachen, die keinerlei Emission darstellt, zu einer Rechteckwelle. Um die Anwesenheit einer Laseremission im fernen Infrarotbereich anzuzeigen, sollte die Signalleistung optimiert werden, bevor fortgefahren wird. Notieren Sie dann die Position des jeweiligen Resonatormodus am Mikrometerskalaanzeiger.Drehen Sie den Mikrometerschrauben-Knopf im Uhrzeigersinn, um den nächsten Modus zu finden. Beobachten Sie, wie die Oszilloskopspur flach wird. Anschließend zeigen Sie eine weitere Rechteckwelle.Drehen Sie den Regler weiter im Uhrzeigersinn, bis insgesamt 21 Modi gefunden wurden. Notieren Sie die endgültige Position des Reglers und verwenden Sie diese, um die Wellenlänge der Emission zu ermitteln. Zur Bestimmung der Frequenzen des fernen Infrarotlasers nutzen Sie zwei Referenzlaser auf Basis von Kohlendioxid.Dieses Schema zeigt den kompletten Aufbau mit den beiden Referenzlasern, dem Pump-Laser und dem fernen Infrarot-Resonator. Die Konfiguration dient einer Dreilaser-Heterodyn-Technik, wobei die beiden Referenzlaser so eingestellt sind, dass ihre Frequenzdifferenz innerhalb weniger Gigahertz der aus der gemessenen Wellenlänge berechneten Frequenz im fernen Infrarotbereich liegt. Beginnen Sie mit einem Strahlstopper im kollinearen Pfad der Referenzlaser.Arbeiten Sie mit dem Ausgang eines Referenzlasers und messen Sie diesen mit einem Leistungsmesser. Bewegen Sie langsam den Mikrometerschraubstock des Lasers, während Sie die Leistungsanzeige beobachten, und stellen Sie ihn auf die Position ein, die der maximalen Leistung entspricht. Stellen Sie nach der Einstellung mithilfe eines Inbusschlüssels feine Justierungen vor, indem Sie die Neigung des Gitters verändern.Iterieren Sie zwischen beiden Einstellungen, um die Ausgangsleistung zu optimieren. Nach der Optimierung der Leistungsabgabe jedes Referenzlasers passen Sie die Blenden jedes Lasers an. Jeder Laser sollte etwa 100 Milliwatt Leistung am Leistungsmesser im Strahlengang liefern.Fahren Sie fort, indem Sie den Strahl des Pumplasers blockieren. Ersetzen Sie dann den Blendenhalter im gemeinsamen Strahlengang der Referenzlaser durch einen optischen Chopper. Überwachen Sie nun das Signal des Oszilloskops und arbeiten Sie daran, die auf den Detektor fokussierte Strahlung zu maximieren.Von den Referenzlasern. Blocken Sie den zweiten Referenzlaser und verwenden Sie eine plankonvexe Linse, um den Strahl des ersten Referenzlasers auf den Detektor zu fokussieren. Blocken Sie dann den ersten Referenzstrahl und entsperren Sie den zweiten Referenzstrahl.Stellen Sie den Strahlteiler so ein, dass das Signal des zweiten Referenzlasers am Detektor maximiert wird. Beobachten Sie für jeden Fall das Oszilloskop und halten Sie an. Sobald das Spitzensignal optimiert ist, bringen Sie den Strahlstopper in den Strahlengang des kolinearen Referenzlasers zurück.Entfernen Sie den Strahlstopper vom Pump-Laser. Überwachen Sie nun die Leistungsausgabe der Ferninfrarotstrahlung auf dem Oszilloskop. In diesem Fall wurde die Leistung bereits optimiert.Wenn die Leistung einmal optimiert wurde, trennen Sie den Metall-Isolator-Metall-Diodendetektor vom Oszilloskop. Schließen Sie den Detektor über einen Verstärker an ein Spektrumanalysator an. Entfernen Sie an dieser Stelle alle Strahlblenden und optischen Chopper aus den Pfaden des Pump- und Referenzstrahls.Als Nächstes beginnen Sie mit der Suche nach dem Schwebungssignal mithilfe des Spektrumanalysators. Stellen Sie den Analysator auf eine Spannweite von 40 Megahertz ein und suchen Sie in Schritten von 1,5 Gigahertz nach dem Schwebungssignal. Halten Sie an, sobald ein Schwebungssignal gefunden wird. Sobald das Signal gefunden ist, beginnen Sie mit der Stabilisierung der Referenzfrequenzen.Konzentrieren Sie sich auf einen Referenzlaser und legen Sie zwischen null und 900 Volt an seinen piezoelektrischen Wandler an, um das Signal aus seiner Fluoreszenz-Referenzzelle in der Mitte des Lamb-Dips zu positionieren. Aktivieren Sie einen Lock-in-Verstärker, um das Signal in der Mitte des Lamb-Dips zu stabilisieren, und wiederholen Sie dieselben Schritte für den zweiten Referenzlaser, um die Schwebungsfrequenz zu messen. Zentrieren Sie das Schwebungssignal auf dem Spektrumanalysator und stellen Sie seine Amplitude so ein, dass es auf dem Display maximale Größe erreicht.Stellen Sie das Spektrumanalysator so ein, dass das momentane Signal in blau und das maximale Signal für einen gegebenen Hohlraummodus in gelb gleichzeitig angezeigt wird. Drehen Sie den Mikrometerschraubendreher am Ferninfrarotlaserhohlraum hin und her. Beobachten Sie die auf dem Spektrumanalysator erzeugte Verstärkungskurve.Wenn die Form symmetrisch ist, nutzen Sie die Ansichtsfunktion, um die Spur des maximalen Signals einzufrieren und das Vorzeichen der Schwebungsfrequenz zu bestimmen. Achten Sie darauf, wie sich die Schwebungsfrequenz verschiebt, während das Mikrometerskalenrad leicht im Uhrzeigersinn gedreht wird. Um die Schwebungszentrumfrequenz zu messen, platzieren Sie Markierungen an den Punkten der halben maximalen Höhe (Full Width at Half Maximum) des symmetrischen Musters, das durch die Spur des Maximums erzeugt wird.Danach verwenden Sie die Spannweitenfunktion des Spektrumanalysators. Hier sind Durchschnittswerte von Ferninfrarot-Laserfrequenzen, die mithilfe dieses Protokolls und unter Verwendung von Difluormethan im Ferninfrarot-Resonator erstmals gemessen wurden. Die Durchschnittswerte basieren auf mindestens 12 Messungen, die mit mindestens zwei verschiedenen Sätzen von Kohlendioxid-Referenzlaserlinien durchgeführt wurden.Die hervorgehobenen Zeilen entsprechen neu entdeckten Laseremissionen. Die Bewertung der inhärenten Unsicherheiten des Systems und ein Vergleich mit zuvor veröffentlichten Frequenzen deuten auf eine Bruchteilsunsicherheit von einer Standardabweichung hin, die fünf Teile in 10 Millionen beträgt. Bei den neuen Laseremissionen wurde eine Leistung im Bereich des Tausendstel- bis Hundertstel-Milliwatts beobachtet, sobald diese beherrscht wurden.Mithilfe dieser Technik kann die Frequenz starker Laseremissionen innerhalb von etwa einer bis zwei Stunden genau bestimmt werden. Es darf nicht vergessen werden, dass die Arbeit mit Infrarot- und Fremdinfrarotlasern äußerst gefährlich sein kann, und während der Durchführung dieses Verfahrens sind Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, die einen geeigneten Augenschutz, Belüftung und wiederholte Überprüfungen der Ausrüstung unter besonderer Berücksichtigung elektrischer und Wassergefahren einschließen.

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Forschung

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