Caractérisation des émissions laser infrarouge lointain et la mesure de leurs fréquences

L'objectif général de cette procédure est de produire un rayonnement laser dans l'infrarouge lointain et de mesurer les fréquences des émissions laser générées à l'aide d'une technique hétérodyne à trois lasers. Cela est réalisé tout d'abord en dirigeant un rayonnement laser de dioxyde de carbone vers une cavité laser pour l'infrarouge lointain. La deuxième étape consiste à modifier les paramètres de fonctionnement des deux cavités laser afin de produire un rayonnement laser dans l'infrarouge lointain et d'observer le rayonnement détecté à l'aide d'un oscilloscope.

Ensuite, le rayonnement infrarouge lointain est mélangé à deux fréquences de laser de référence au dioxyde de carbone. Puis, la fréquence de battement résultante est identifiée. La dernière étape consiste à mesurer plusieurs fréquences de battement afin de calculer la fréquence du laser infrarouge lointain.

En fin de compte, au cours de cette étude, la technique d'hétérodyne laser à trois faisceaux est utilisée pour mesurer huit fréquences laser dans l'infrarouge lointain générées par le méthane Diora. Pour la première fois, toutefois, les résultats obtenus par cette méthode peuvent fournir des informations sur la spectroscopie de la molécule laser. Elle peut également être appliquée à des systèmes nécessitant des fréquences précises, tels que la spectroscopie à haute résolution, l'astronomie radio et l'imagerie térahertz.

Imagerie Préparez-vous à travailler avec un rayonnement laser potentiellement dangereux en portant une protection oculaire appropriée. Cette partie du protocole utilisera un laser au dioxyde de carbone et une cavité laser infrarouge lointain en cuivre poli. Ce schéma donne un aperçu de la manière dont les deux sont disposés.

Le laser à dioxyde de carbone pompera la cavité du laser infrarouge lointain, qui sera remplie de méthane dilué. Pour cette expérience, la sortie du laser infrarouge lointain sera détectée à l'aide d'un détecteur DDE à point de contact métal-isolant-métal. Commencez par utiliser le laser à dioxyde de carbone réglé sur une transition laser souhaitée ici, neuf R deux huit.

Placer un bloc-faisceau à la sortie du laser. Faire maintenant pivoter le cadran micrométrique du laser afin de maximiser l'intensité du faisceau sur le bloc-faisceau. En outre, ajuster l'inclinaison du réseau du laser pour atteindre l'intensité maximale.

Continuez à ajuster le micromètre DIO et le filtrage jusqu'à ce que la puissance de sortie du laser au dioxyde de carbone semble optimisée. Une fois terminé, retirez le bloqueur de faisceau du trajet. Ensuite, allumez et alignez un chopper optique sur le trajet du faisceau du laser de pompe.

Ensuite, commencez. Pour préparer la cavité laser infrarouge lointain, ouvrez la vanne du cylindre de méthane difluoré pour l'introduire comme milieu dans la cavité. Réglez la vanne de réglage sur la ligne d'entrée afin d'obtenir une pression d'environ 10 pascal ou 75 millitorr.

Passez à l'ajustement du miroir de couplage de sortie de la cavité. Utilisez une tige externe fixée au miroir pour régler la position du miroir à environ un centimètre du milieu de la cavité, en vous référant à l'échelle graduée. Ensuite, assurez-vous que la sortie du détecteur est connectée à un oscilloscope.

Ensuite, préparez-vous à rechercher un rayonnement laser infrarouge lointain dans la cavité infrarouge lointaine. Utilisez le cadran micrométrique étalonné pour ajuster le miroir laser mobile à l'intérieur. Contrôlez simultanément la tension appliquée au transducteur piézoélectrique du laser au dioxyde de carbone afin de régler la fréquence du laser.

Lorsqu'une émission laser est détectée, la forme d'onde sur l'oscilloscope passe d'un tracé plat, représentant l'absence d'émission, à une onde carrée. Cette transition indique la présence d'une émission laser dans l'infrarouge lointain ; la puissance du signal doit être optimisée avant de poursuivre. Ensuite, enregistrez la position du mode de cavité particulier sur le cadran du micromètre.

Tournez le cadran du micromètre dans le sens horaire pour trouver le mode suivant. Observez la trace de l'oscilloscope devenir plate. Ensuite, affichez une autre onde carrée.

Continuer à tourner le cadran dans le sens horaire jusqu'à ce qu'un total de 21 modes ait été trouvé. Noter la position finale du cadran et l'utiliser pour déterminer la longueur d'onde de l'émission. Pour déterminer les fréquences du laser infrarouge lointain, utiliser deux lasers de référence au dioxyde de carbone.

Ce schéma illustre la configuration complète avec les deux lasers de référence, le laser de pompe et la cavité infrarouge lointain. La configuration correspond à une technique hétérodyne à trois lasers, et les deux lasers de référence sont ajustés de manière que leur différence de fréquence soit de quelques gigahertz par rapport à la fréquence infrarouge lointaine calculée à partir de la longueur d'onde mesurée. Commencez par placer un bloque-lumière sur le trajet colinéaire des lasers de référence.

Travaillez avec la sortie d'un laser de référence et mesurez-la à l'aide d'un puissancemètre. Déplacez lentement le micromètre du laser tout en observant l'affichage de la puissance, puis réglez-le à la position correspondant à la puissance maximale. Une fois ce réglage effectué, utilisez une clé hexagonale pour effectuer des ajustements fins en modifiant l'inclinaison du dispositif de réglage.

Alternez entre les deux pour optimiser la puissance de sortie. Après avoir optimisé la puissance de sortie de chaque laser de référence, ajustez les diaphragmes de chaque laser. Chaque laser doit délivrer environ 100 milliwatts de puissance au niveau du puissancemètre dans le trajet du faisceau.

Continuez en bloquant le faisceau du laser pompe. Remplacez ensuite le blocage du faisceau sur le trajet commun des lasers de référence par un chopper optique. Surveillez maintenant le signal de l'oscilloscope et travaillez à maximiser le rayonnement focalisé sur le détecteur.

À partir des lasers de référence. Bloquez le deuxième laser de référence et utilisez une lentille plan-convexe pour focaliser le faisceau du premier laser de référence sur le détecteur. Ensuite, bloquez le faisceau de référence primaire et débloquez le faisceau de référence secondaire.

Régler le séparateur de faisceau afin de maximiser le signal du deuxième laser de référence sur le détecteur. Pour chaque cas, observer l'oscilloscope et s'arrêter. Une fois que le signal maximal est optimisé, remettre le blocage du faisceau sur le trajet du laser de référence colinéaire.

Retirez le blocage du faisceau du laser pompe. Surveillez maintenant la puissance émise dans l'infrarouge lointain sur l'oscilloscope. Dans ce cas, la puissance a déjà été optimisée.

Une fois que la puissance a été optimisée, débranchez le détecteur à diode métal-isolant-métal de l'oscilloscope. Connectez le détecteur, via un amplificateur, à un analyseur de spectre. À ce stade, retirez tous les obturateurs et choppers optiques des trajets du faisceau de pompe et du faisceau de référence.

Ensuite, commencez à rechercher le signal de battement à l'aide de l'analyseur de spectre, réglez l'analyseur sur une plage de 40 mégahertz et recherchez le signal de battement par incréments de 1,5 gigahertz. Arrêtez-vous lorsqu'un signal de battement est détecté. Une fois le signal trouvé, commencez à stabiliser les fréquences de référence.

Concentrez-vous sur un laser de référence et appliquez une tension comprise entre zéro et 900 volts à son transducteur piézoélectrique afin de positionner le signal provenant de sa cellule de fluorescence de référence au centre du creux de Lamb. Activez un amplificateur synchrone pour maintenir le signal au centre du creux de Lamb, puis répétez les mêmes étapes pour le second laser de référence afin de mesurer la fréquence de battement. Centrez le signal de battement sur l'analyseur de spectre et ajustez son amplitude pour maximiser sa taille à l'écran.

Réglez l'analyseur de spectre pour afficher simultanément le signal instantané en bleu et le signal maximal en jaune pour un mode de cavité donné. Faites tourner le cadran du micromètre de la cavité laser à infrarouge lointain en avant et en arrière. Observez la courbe de gain produite sur l'analyseur de spectre.

Une fois la symétrie obtenue, utilisez la fonction d'affichage pour figer la trace du signal maximal afin de déterminer le signe de la fréquence de battement. Notez le décalage de la fréquence de battement lorsque le cadran du micromètre est légèrement tourné dans le sens horaire. Pour mesurer la fréquence centrale du signal de battement, placez des repères aux points correspondant à la largeur à mi-hauteur du motif symétrique produit par la trace du maximum.

Ensuite, utilisez la fonction de paire de pics de l'analyseur de spectre. Voici les fréquences moyennes de laser infrarouge lointain mesurées pour la première fois à l'aide de ce protocole et en utilisant le difluorométhane dans la cavité infrarouge lointain. Les moyennes reposent sur au moins 12 mesures effectuées avec au moins deux jeux différents de lignes laser de référence au dioxyde de carbone.

Les lignes surlignées correspondent à des réémissions laser nouvellement découvertes. L'évaluation des incertitudes inhérentes au système et une comparaison avec les fréquences précédemment rapportées suggèrent une incertitude fractionnaire d'un écart-type de cinq parts par 10 millions. On a observé que les nouvelles réémissions laser avaient une puissance comprise entre le millième et le centième de milliwatt une fois maîtrisées.

Cette technique peut être utilisée pour déterminer précisément la fréquence d'émissions laser intenses en environ une à deux heures. N'oubliez pas que travailler avec des lasers infrarouges et des lasers infrarouges étrangers peut être extrêmement dangereux, et que des précautions, incluant une protection oculaire adéquate, une ventilation appropriée, ainsi qu'un contrôle répété de l'équipement en insistant sur les risques électriques et liés à l'eau, doivent être prises lors de l'exécution de cette procédure.