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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ferninfrarote Laserstrahlung zu erzeugen und die Frequenzen der erzeugten Laserremissionen mit Hilfe einer Drei-Laser-Heterodyntechnik zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst Kohlendioxid-Laserstrahlung in einen Laserresonator im fernen Infrarot geschickt wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Betriebsparameter beider Laserresonatoren zu variieren, um Ferninfrarot-Laserstrahlung zu erzeugen und die detektierte Strahlung mit einem Oszilloskop zu beobachten.

Als nächstes wird die Ferninfrarotstrahlung mit zwei Referenz-Kohlendioxid-Laserfrequenzen gemischt. Dann wird die resultierende Schwebungsfrequenz identifiziert. Der letzte Schritt besteht darin, mehrere Schwebungsfrequenzen zu messen, um die Laserfrequenz im fernen Infrarot zu berechnen.

Letztendlich wird bei dieser Untersuchung die Drei-Laser-Heterodyn-Technik verwendet, um acht Ferninfrarot-Laserfrequenzen zu messen, die von Diora-Methan erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser Methode können jedoch erstmals einen Einblick in die Spektroskopie des lasernden Moleküls geben. Es kann auch auf Systeme angewendet werden, die genaue Frequenzen erfordern, wie z. B. hochauflösende Spektroskopie, Radioastronomie und Terahertz-Bildgebung.

Bildgebung Bereiten Sie sich auf die Arbeit mit potenziell schädlicher Laserstrahlung vor, indem Sie einen geeigneten Augenschutz tragen. In diesem Teil des Protokolls werden ein Kohlendioxidlaser und ein Ferninfrarot-Laserhohlraum aus poliertem Kupfer verwendet. Dieses Schema gibt einen Überblick über die Anordnung der beiden.

Der Kohlendioxidlaser wird den Laserhohlraum im fernen Infrarot pumpen, der mit Dilu-Methan gefüllt wird. Für dieses Experiment wird die Ferninfrarot-Laserleistung mit einem Metallisolator-Metallpunktkontakt-DDE-Detektor detektiert. Beginnen Sie mit der Arbeit mit dem Kohlendioxid-Laser, der auf einen gewünschten Laserübergang eingestellt ist, hier neun R zwei acht.

Platzieren Sie einen Strahlanschlag am Ausgang des Lasers. Drehen Sie nun das Mikrometerrad des Lasers, um die Strahlintensität am Strahlanschlag zu maximieren. Passen Sie außerdem die Neigung der Gradierung des Lasers an, um die maximale Intensität zu erreichen.

Fahren Sie mit der Einstellung des Mikrometer-DIO und der Gradierung fort, bis die Ausgangsleistung für den Kohlendioxidlaser optimiert erscheint. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie den Strahlanschlag aus dem Pfad. Schalten Sie dann den optischen Chopper im Strahlengang des Pumplasers ein und richten Sie ihn aus.

Nächster Start. Um den Ferninfrarot-Laserhohlraum vorzubereiten, öffnen Sie das Ventil der Difluormethanflasche, um es als Medium in den Hohlraum einzuführen. Das Dosierventil an der Einlassleitung so einstellen, dass ein Druck von ca. 10 Pascal bzw. 75 milit Tour erreicht wird.

Fahren Sie fort, um den Ausgangskopplungsspiegel des Hohlraums einzustellen. Verwenden Sie einen externen Stab, der am Spiegel befestigt ist, um die Spiegelposition etwa einen Zentimeter von der Mitte des Hohlraums entfernt einzustellen, wie sie von der kalibrierten Skala abgelesen wird. Stellen Sie als Nächstes sicher, dass der Ausgang des Detektors mit einem Oszilloskop verbunden ist.

Bereiten Sie sich dann auf die Suche nach Ferninfrarot-Laserstrahlung im Ferninfrarot-Hohlraum vor. Nutzen Sie das kalibrierte Mikrometer-Zifferblatt, um den beweglichen Laserspiegel im Inneren einzustellen. Steuern Sie gleichzeitig die an den elektrischen Wandler des Kohlendioxidlasers angelegte Spannung, um die Laserfrequenz abzustimmen.

Wenn eine Laseremission gefunden wird, wechselt die Wellenform des Oszilloskops von flach, was keine Emission darstellt, zu einer Rechteckwellenform. Da es sich um das Vorhandensein einer Ferninfrarot-Laserremission handelt, sollte die Signalleistung optimiert werden, bevor fortgefahren wird. Notieren Sie dann die Position des jeweiligen Kavitätenmodus auf dem Mikrometer-Zifferblatt.

Drehen Sie das Mikrometer-Zifferblatt im Uhrzeigersinn, um den nächsten Modus zu finden. Beobachten Sie, wie die Oszilloskopspur flach wird. Zeigen Sie dann eine weitere Rechteckwelle.

Drehen Sie das Zifferblatt weiter im Uhrzeigersinn, bis insgesamt 21 Modi gefunden wurden. Notieren Sie sich die endgültige Position der Skala und verwenden Sie sie, um die Wellenlänge der Emission zu ermitteln. Um die Frequenzen des Ferninfrarot-Lasers zu bestimmen, verwenden Sie zwei Kohlendioxid-Referenzlaser.

Dieses Schema zeigt den kompletten Aufbau mit den beiden Referenzlasern, dem Pumplaser und dem Ferninfrarot-Resonator. Die Konfiguration ist für eine Drei-Laser-Heterodyn-Technik, und die beiden Referenzlaser sind so eingestellt, dass ihre Frequenzdifferenz innerhalb von mehreren Gigahertz der Ferninfrarotfrequenz liegt, die aus der gemessenen Wellenlänge berechnet wird. Beginnen Sie mit einem Strahlstopp im Koliniengang der Referenzlaser.

Arbeiten Sie mit der Leistung eines Referenzlasers und messen Sie diese mit einem Leistungsmesser. Bewegen Sie das Mikrometer des Lasers langsam, während Sie den Leistungsmesswert beobachten, und stellen Sie ihn auf die Position ein, die der maximalen Leistung entspricht. Verwenden Sie nach dem Festlegen einen Inbusschlüssel, um Feineinstellungen vorzunehmen, indem Sie die Neigung der Verschneidung ändern.

Iterieren Sie zwischen den beiden, um die Ausgangsleistung zu optimieren. Nachdem Sie die Ausgangsleistung jedes Referenzlasers optimiert haben, passen Sie jede der Laserblenden an. Jeder Laser sollte etwa 100 Milliwatt Leistung an das Leistungsmessgerät im Strahlengang abgeben.

Fahren Sie fort, indem Sie den Strahl des Pumplasers blockieren. Ersetzen Sie dann den Strahlanschlag im gemeinsamen Weg der Referenzlaser durch einen optischen Chopper. Überwachen Sie nun das Oszilloskopsignal und arbeiten Sie daran, die auf den Detektor fokussierte Strahlung zu maximieren.

Von den Referenzlasern. Blockieren Sie den zweiten Referenzlaser und verwenden Sie eine plankonvexe Linse, um den Strahl des ersten Referenzlasers auf den Detektor zu fokussieren. Blockieren Sie dann den ersten Referenzträger, und geben Sie die Blockierung des zweiten Referenzträgers frei.

Stellen Sie den Strahlteiler so ein, dass das Signal vom zweiten Referenzlaser auf den Detektor maximiert wird. Beobachten Sie in jedem Fall das Oszilloskop und halten Sie an. Wenn das Peak-Tope-Signal optimiert ist, setzen Sie den Strahlstopp wieder auf den Coline-Referenzlaserpfad zurück.

Entfernen Sie den Strahlanschlag vom Pumplaser. Überwachen Sie nun die Ausgangsleistung der Ferninfrarot-Emission am Oszilloskop. In diesem Fall wurde die Leistung bereits optimiert.

Sobald die Leistung optimiert wurde, trennen Sie den Metallisolator-Metalldiodendetektor vom Oszilloskop. Verbinden Sie den Detektor über einen Verstärker mit einem Spektrumanalysator. Entfernen Sie an dieser Stelle alle Strahlanschläge und optischen Chopper aus dem Pumpen- und Referenzstrahlengang.

Beginnen Sie als Nächstes mit der Suche nach dem Schwebungssignal mit dem Spektrumanalysator, stellen Sie den Analysator auf einen Bereich von 40 Megahertz ein und suchen Sie nach dem Schwebungssignal in Schritten von 1,5 Gigahertz. Stoppen, wenn ein Beat-Signal gefunden wird. Wenn das Signal gefunden wurde, beginnen Sie mit der Stabilisierung der Referenzfrequenzen.

Konzentrieren Sie sich auf einen Referenzlaser und legen Sie zwischen null und 900 Volt an seinen elektrischen Pizo-Wandler an, um das Signal von seiner Fluoreszenz-Referenzzelle in der Mitte des Lammdips zu haben, und aktivieren Sie einen Lock-in-Verstärker, um das Signal in der Mitte des Lamms zu halten. Tauchen Sie die gleichen Schritte ab und wiederholen Sie die gleichen Schritte für den zweiten Referenzlaser, um die Schwebungsfrequenz zu messen. Zentrieren Sie das Beat-Signal auf dem Spektrumanalysator und passen Sie seine Amplitude an, um seine Größe auf dem Display zu maximieren.

Stellen Sie den Spektrumanalysator so ein, dass für einen bestimmten Resonatormodus gleichzeitig das Momentansignal in Blau und das Maximalsignal in Gelb angezeigt wird. Drehen Sie den Mikrometer-Drehregler am Laserhohlraum im fernen Infrarot hin und her. Beobachten Sie die Verstärkungskurve, die auf dem Spektrumanalysator erzeugt wird.

Sobald es symmetrisch ist, verwenden Sie die Ansichtsfunktion, um die Spur des maximalen Signals einzufrieren und das Vorzeichen der Schwebungsfrequenz zu bestimmen. Achten Sie auf die Verschiebung der Schwebungsfrequenz, wenn das Mikrometer-Zifferblatt leicht im Uhrzeigersinn gedreht wird. Um das Schwebungssignal der Mittenfrequenz zu messen, platzieren Sie Marker in voller Breite an halben Maximalpunkten des symmetrischen Musters, das durch die Spur des Maximums erzeugt wird.

Verwenden Sie dann die Span-Pair-Funktion des Spektrumanalysators. Hier sind die durchschnittlichen Ferninfrarot-Laserfrequenzen, die zum ersten Mal mit diesem Protokoll und unter Verwendung von Di-Fluormethan im Ferninfrarot-Hohlraum gemessen wurden. Die Durchschnittswerte beziehen sich auf mindestens 12 Messungen, die mit mindestens zwei verschiedenen Sätzen von Kohlendioxid-Referenzlaserlinien durchgeführt wurden.

Die hervorgehobenen Zeilen entsprechen neu entdeckten Laser-Remissionen. Die Bewertung der systemimmanenten Unsicherheiten und ein Vergleich mit zuvor berichteten Häufigkeiten deutet auf eine fraktionale Unsicherheit von einem Sigma von fünf Teilen zu 10 Millionen hin. Es wurde beobachtet, dass die neuen Laser-Remissionen eine Leistung im Bereich von 1000 bis 100 Milliwatt haben, sobald sie gemeistert sind.

Mit dieser Technik kann die Häufigkeit starker Laseremissionen in etwa ein oder zwei Stunden genau bestimmt werden. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Infrarot- und Fremdinfrarotlasern äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, die einen angemessenen Augenschutz, Belüftung und eine wiederholte Inspektion des Geräts mit Schwerpunkt auf elektrischen und Wassergefahren umfassen.