Name: Caractérisation des émissions laser infrarouge lointain et la mesure de leurs fréquences (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 38 s
Description: Découvrez la génération de rayonnement laser infrarouge lointain et la mesure précise des fréquences par technique hétérodyne à trois lasers utilisant du difluorométhane. Cette méthode permet d'obtenir de nouvelles émissions laser avec une grande exactitude.

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Ce travail a été soutenu en partie par le Washington Space Grant Consortium dans le cadre de l’attribution NNX10AK64H.

1. Planification d&#39;expériences <ol><li> Mener une enquête de la littérature pour évaluer le travail préalable effectué en utilisant le moyen de laser d&#39;intérêt, qui, pour cette expérience est CH 2 F 2. Identifier toutes les émissions de laser connues ainsi que toutes les informations sur les lignes telles que leur longueur d&#39;onde et la fréquence. Plusieurs enquêtes d&#39;émissions de laser connues sont disponibles 13,31 - 37. </li><li> Compiler toutes les enquêtes spectroscopiques de la molécule utilisée comme le moyen de laser avec un accent sur ​​Fourier transforment avant 34 et optoacoustic études 38,39. </li></ol> 2. Les émissions Génération Far-Infrared Laser <ol><li> Vue d&#39;ensemble de la sécurité. <ol><li> Élaborer une procédure d&#39;exploitation standard pour le laboratoire qui inclut une protection oculaire appropriée lorsque l&#39;on travaille avec le CO 2 et les systèmes laser infrarouge lointain. </li></ol></li><li> Alignement et étalonnage. <ol><li> Étalonner chaque CO 2 laser l&#39;aide d&#39;un analyseur de spectre à base de réseau conçu pour le laser à CO 2 selon le protocole du fabricant. </li><li> Aligner les miroirs d&#39;extrémité et le miroir de couplage dans la cavité de laser dans l&#39;infrarouge lointain en utilisant un laser He-Ne de sorte que leur rayonnement est focalisé sur le détecteur à diode MIM. </li><li> Diriger le rayonnement provenant de la pompe laser CO 2 dans la cavité de laser dans l&#39;infrarouge lointain à travers une fenêtre de chlorure de sodium à un angle d&#39;environ 72 ° par rapport à l&#39;axe de la cavité. </li><li> Diriger le rayonnement provenant des deux lasers de référence CO 2 à l&#39;une ou l&#39;autre cellule de référence de fluorescence à basse pression respective ou co-linéairement sur ​​le détecteur à diode MIM en utilisant des diviseurs de faisceau et de miroirs supplémentaires. </li></ol></li><li> La détection d&#39;un rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain. <ol><li> Polir la base de Nickel tous plusieurs jours en utilisant un poli à métal standard. </li><li> Crimp un fil de tungstène de 25 um dans un poste de cuivre et plier le fil dans le Configurtion représenté sur la figure 3. </li><li> Ajuster la longueur du fil de sorte qu&#39;il se situe entre 10 à 20 longueurs d&#39;onde du rayonnement à mesurer. </li><li> Électrochimiquement graver la pointe du fil dans un hydroxyde de sodium saturée (NaOH) en appliquant une tension (environ 3,5 à 5 ACC) à la solution. </li><li> Re-graver la pointe avec une tension faible (moins de 1 VAC). Cette rugosité de la pointe du fil et améliore les performances de la diode. </li><li> Rincer le fil avec de l&#39;eau distillée. </li><li> Insérez le poste de cuivre dans le logement de la diode MIM fois le fil est sec. </li><li> Placez le fil en contact avec la base de nickel en utilisant un système de vis et de niveau fin. Les contacts fournissant une résistance à travers la diode entre 100 et 500 Ω sont généralement utilisés lors de la détection et de mesure de rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain. </li></ol></li><li> La génération d&#39;un rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain. <ol><li> Réglez la pompe laser CO 2 sur un em laser spécifiqueission, par exemple., 9 P 36. </li><li> Tournez la molette micrométrique sur la pompe laser CO 2 et en arrière pour atteindre l&#39;intensité maximale sur l&#39;arrêt de faisceau. </li><li> Réglez l&#39;inclinaison de la grille du CO 2 laser de pompage pour atteindre l&#39;intensité maximale sur l&#39;arrêt de faisceau. </li><li> Répétez les étapes 2.4.2 et 2.4.3 jusqu&#39;à ce que la puissance de sortie de la pompe laser CO 2 apparaît optimisée sur l&#39;arrêt de faisceau. </li><li> Retirer l&#39;arrêt de faisceau à partir de la trajectoire de la pompe laser CO 2. </li><li> Activer et aligner le hacheur optique dans le trajet du faisceau de la pompe laser à CO 2. </li><li> Ouvrir la vanne sur le CH 2 F 2 cylindre pour introduire le milieu laser dans l&#39;infrarouge lointain dans la cavité de laser dans l&#39;infrarouge lointain. </li><li> Régler la soupape de dosage sur la ligne d&#39;entrée jusqu&#39;à une pression d&#39;environ 10 Pa soit atteinte. Remarque: Seule la pression approximative est nécessaire, car il est utilisé comme un moyen de balayage systématique du laser dans l&#39;infrarouge lointain cAvity. </li><li> Régler la position du coupleur de sortie de sorte que son extrémité la plus extérieure est d&#39;environ 1 cm à partir du milieu de la cavité du laser, comme indiqué par un cadran gradué, à l&#39;extérieur de la cavité laser. Remarque: seul l&#39;emplacement approximatif est nécessaire car il est utilisé comme un moyen de balayage systématique de la cavité laser dans l&#39;infrarouge lointain. </li><li> Ajustez la position du miroir laser infrarouge lointain mobile dans environ incréments de 0,25 mm en tournant la molette micrométrique calibrée avant et en arrière. Simultanément régler la fréquence du laser CO 2 de la pompe à travers sa courbe de gain en changeant la tension appliquée aux bornes du transducteur piézoélectrique pompe laser CO 2 (PZT). </li><li> Si aucun signal est observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, répéter l&#39;étape 2.4.10 avec le coupleur de sortie déplacé vers sa position suivante où la pointe est d&#39;environ 1,5 cm à partir du milieu de la cavité du laser, comme indiqué par un cadran gradué, à l&#39;extérieur du laser cavité. </li><li> Si aucun signal est observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, répétez l&#39;étape 2.4.10 avec le coupleur de sortie déplacé à sa prochaine position où la pointe est d&#39;environ 2 cm à partir du milieu de la cavité laser, comme indiqué par une échelle étalonnée à l&#39;extérieur du laser cavité. </li><li> Si aucun signal est observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, répétez les étapes 2.4.9 travers 2.4.12 avec une pression laser infrarouge lointain d&#39;environ 19 Pa ajusté avec la vanne de dosage sur la ligne d&#39;entrée. </li><li> Si aucun signal est observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, répétez les étapes 2.4.9 travers 2.4.12 avec une pression laser infrarouge lointain d&#39;environ 27 Pa ajusté avec la vanne de dosage sur la ligne d&#39;entrée. </li><li> Si aucun signal est observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, à insérer l&#39;arrêt de faisceau dans le trajet de la pompe laser CO 2 et fermer la vanne sur le CH 2 F 2 jusqu&#39;à ce que le cylindre de pression à laser dans l&#39;infrarouge lointain est d&#39;environ 0 Pa. </li><li> Réglez la pompe CO 2laser à la prochaine émission laser, par exemple, 9 P 34, et d&#39;optimiser la puissance de sortie en utilisant des étapes 2.4.2 à travers 2.4.4. </li><li> Répétez les étapes 2.4.5 travers 2.4.16 jusqu&#39;à ce que toutes les émissions générées par la pompe laser CO 2 sont utilisés. Lors de la recherche pour les lignes de laser infrarouge lointain, mettre un accent sur ​​les émissions de CO 2 de laser de pompe dont les fréquences se chevaucher avec des régions d&#39;absorption identifiés dans l&#39;étape 1.2. </li></ol></li><li> Caractérisation des émissions laser infrarouge lointain. <ol><li> Régler simultanément la pression du milieu laser dans l&#39;infrarouge lointain, la tension appliquée à PZT du CO 2 pompe laser et la position du coupleur de sortie jusqu&#39;à ce que la puissance de sortie de l&#39;infrarouge lointain laser émission est maximale (déterminée par un à crête maximale pic de signal de détecteur à diode MIM comme observé sur l&#39;écran de l&#39;oscilloscope, similaire à la figure 4). </li><li> Tournez la molette micrométrique horaire jusqu&#39;à l&#39;émission laser infrarouge lointain est observée surl&#39;écran de l&#39;oscilloscope. Notez la position de la molette de micromètre. </li><li> Tournez la molette dans le sens horaire pour un micromètre 20 modes supplémentaires correspondant à la même émission laser infrarouge lointain. Notez la position de la molette de micromètre. </li><li> Soustraire la position de la molette micrométrique dans les étapes 2.5.2 et 2.5.3. Cette différence est divisée par 10 pour obtenir la longueur d&#39;onde de l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain. </li><li> Répéter les étapes 2.5.2 2.5.4 à travers un total de cinq fois la moyenne et la longueur d&#39;onde de l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain. Longueurs d&#39;onde laser moyenne mesurée par la traversée d&#39;au moins 20 modes longitudinaux adjacents ont une incertitude d&#39;un sigma de ± 0,5 pm. </li><li> Mesurer la polarisation du rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain, par rapport au rayonnement de pompage CO 2, en utilisant soit un polariseur or wire-grille (394 lignes / cm) ou un polariseur de Brewster. </li></ol></li></ol> 3. Détermination de l&#39;infrarouge lointain Laser Fréquences <ol><li> Identifierment les émissions de CO 2 laser de référence. <ol><li> Calculer la fréquence de l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain sur la base de sa longueur d&#39;onde mesurée. </li><li> Identifier des ensembles de lignes laser CO 2 de référence dont la fréquence est à l&#39;intérieur de différence plusieurs GHz de la fréquence calculée pour l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain 40. Une liste typique utilisés pour ces mesures est présenté dans le tableau 1. </li></ol></li><li> Recherche pour le signal de battement hétérodyne. <ol><li> Identifier le premier ensemble de lignes de laser de référence CO 2 et régler chaque laser CO 2 de référence lors de leur émission laser respective. </li><li> Optimisez la puissance de sortie pour chaque laser de référence CO 2 en utilisant les étapes 2.4.2 à 2.4.4 et le compteur d&#39;alimentation du moniteur. <ol><li> Régler un iris, interne ou externe de chaque laser de référence, de sorte que la puissance de chaque laser de référence CO 2 est d&#39;environ 100 mW, mesurée par le mesureur de puissance du moniteur représenté sur laFigure 2. </li></ol></li><li> Bloquer le rayonnement provenant du laser de pompe de CO 2 au moyen d&#39;un arrêt de faisceau tout en débloquant le rayonnement des lasers de référence de CO 2. </li><li> Activer et aligner le hacheur optique dans le trajet de faisceau co-linéaire des lasers de référence de CO 2. </li><li> Optimiser la tension maximale crête-à-crête chaque référence émissions de CO 2 de laser sur le détecteur à diode MIM en utilisant plusieurs miroirs, séparateurs de faisceaux, et une longueur focale ZnSe lentille plan-convexe de 2,54 cm tout en observant la sortie sur l&#39;oscilloscope, semblable à la figure 5 . </li><li> Bloquer le rayonnement des lasers CO 2 de référence au moyen d&#39;un arrêt de faisceau tout en débloquant le rayonnement provenant de la pompe laser à CO 2. </li><li> Re-optimiser le laser de pompage CO 2 et le laser dans l&#39;infrarouge lointain, selon les besoins, de sorte que l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain a une tension crête-à-crête maximale observée sur l&#39;oscilloscope. </li><li> Déconnecter til MIM la sortie du détecteur à diode de l&#39;oscilloscope et le connecter à un amplificateur dont la sortie est observé sur un analyseur de spectre. </li><li> Débloquer le rayonnement des lasers de référence de CO 2. </li><li> Retirez les choppers optiques modulant les CO 2 pompes et de référence lasers. </li><li> Régler l&#39;analyseur de spectre sur une durée de 40 MHz et de recherche pour le signal de battement par incréments de 1,5 GHz en balayant manuellement cette gamme de fréquence en utilisant le bouton de réglage de l&#39;analyseur de spectre. </li><li> Si aucun signal de battement est observée, déconnecter la sortie de la diode MIM de l&#39;amplificateur et le connecter à l&#39;oscilloscope. </li><li> Bloquer le rayonnement des lasers CO 2 de référence et réinsérer le hacheur optique dans le trajet de la pompe laser CO 2. </li><li> Répétez les étapes 3.2.2 à 3.2.13 que nécessaire jusqu&#39;à l&#39;analyseur de spectre a été utilisé pour rechercher le signal de battement entre 0 et 12 GHz. </li><li> Si aucun signal de battement est observée, Repeà étapes 3.2.2 à travers 3.2.14 avec un autre ensemble de lignes de laser CO 2 de référence jusqu&#39;à ce que le signal de battement est observé ou tous les ensembles possibles de lignes laser de référence de CO 2 sont épuisées. </li></ol></li><li> La stabilisation de la fréquence de référence de CO 2. <ol><li> Appliquer une tension comprise entre 0 et 900 V pour le PZT de la première CO 2 référence laser de sorte que le signal provenant de sa cellule de référence de fluorescence respective se trouve au centre du creux de Lamb, illustré sur la figure 6 et comme on le voit sur ​​un oscilloscope comme sur la figure 7. </li><li> Activer la tension de rétroaction appliqué à PZT de la première CO 2 laser de référence en utilisant un amplificateur / servo de lock-in construit sur ​​mesure afin qu&#39;il reste verrouillé au centre du creux de Lamb. </li><li> Répétez les étapes 3.3.1 et 3.3.2 pour le deuxième laser de référence CO 2. </li><li> Contrôler visuellement la sortie du pré-amplificateur sur un oscilloscope, comme sur la figure 7, à enque les lasers de référence reste verrouillé. </li></ol></li><li> La mesure de la fréquence de battement. <ol><li> Centrer le signal de battement sur l&#39;écran de l&#39;analyseur de spectre et régler son amplitude de maximiser sa taille sur l&#39;écran. </li><li> Régler l&#39;analyseur de spectre pour voir deux traces simultanées du signal de battement, comme dans la figure 8, en sélectionnant l&#39;écriture option Effacer la fois pour Trace 1 et Trace 2. Une trace affichera le signal instantané tandis que l&#39;autre sera d&#39;enregistrer le signal maximale (en utilisant une fonctionnalité de Max Hold sur l&#39;analyseur de spectre pour la deuxième trace). </li><li> Tournez la molette micrométrique sur la cavité laser infrarouge lointain et d&#39;autre de la courbe de gain pour un mode donnée de la cavité. </li><li> Utilisez la fonction de Vue sur l&#39;analyseur de spectre pour geler la deuxième (Max Hold) trace une fois un motif symétrique est obtenu. </li><li> Tourner légèrement le cadran du micromètre dans le sens horaire pour diminuer la longueur de la cavité laser infrarouge lointain. Simultanément observer les sous-marinsequent petit changement dans la fréquence de battement sur l&#39;analyseur de spectre en raison de cette légère augmentation de la fréquence du laser dans l&#39;infrarouge lointain. </li><li> Placer des marqueurs à la largeur à mi-maximum de points du motif symétrique (Hold trace Max) en utilisant la fonction de marqueur avec la fonction Delta sur l&#39;analyseur de spectre. </li><li> Mesurer la fréquence centrale du signal de battement en utilisant la fonction Span pair sur l&#39;analyseur de spectre. </li><li> Répétez les étapes 3.4.1 à travers 3.4.7. </li><li> Désengager le verrou de l&#39;amplificateur / d&#39;asservissement pour chaque laser CO 2 de référence pour déverrouiller chaque laser à partir de sa fréquence centrale et ré-optimiser chaque laser CO 2 de référence. </li><li> Re-verrouiller les lasers de référence en utilisant les étapes 3.3.1 à travers 3.3.4. </li><li> Répétez les étapes 3.4.1 travers 3.4.10 pour un total de 6 mesures. Une fois terminé, déverrouiller chaque laser CO 2 de référence de sa fréquence centrale. </li><li> Calculer la fréquence révisée de l&#39;émission laser infrarouge lointain en utilisant ces battement frequences pour obtenir une prévision précise pour le deuxième ensemble de lignes de laser CO 2 de référence. </li><li> Identifier un ensemble différent de lignes laser CO 2 de référence dont la différence de fréquence est à plusieurs GHz de la fréquence calculée pour l&#39;émission laser infrarouge lointain. </li><li> Optimiser la prochaine série de CO 2 lignes laser de référence sur le détecteur à diode MIM et obtenir le signal de battement en utilisant des étapes 3.2.2 travers 3.2.15, si nécessaire. </li><li> Verrouiller le nouvel ensemble de CO 2 lignes laser de référence en utilisant les étapes 3.3.1 à travers 3.3.4. </li><li> Répétez les étapes 3.4.1 travers 3.4.10 pour un total de 6 mesures. Une fois terminé, déverrouiller chaque laser CO 2 de référence de sa fréquence centrale. </li><li> Insérer faisceau arrête dans les sentiers de CO 2 pompes et de référence lasers. </li></ol></li><li> Le calcul de la fréquence du laser dans l&#39;infrarouge lointain. <ol><li> Calculer l&#39;inconnu fréquence du laser infrarouge lointain, ν FIR, utilisant la mesure ne serontà la fréquence par la relation FIR = | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | ν battement | Eq. 1 où | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | est l&#39;amplitude de la différence de fréquence synthétisée par les deux lasers CO 2 de référence et | v battement | est l&#39;amplitude de la fréquence de battement. Le signe ± dans l&#39;équation. 1 est déterminée expérimentalement de l&#39;étape 3.4.5. </li><li> Obtenir une fréquence moyenne et de calculer laincertitude. </li></ol></li></ol>

Certains équipements commerciaux sont identifiés dans le présent document afin de favoriser la compréhension. Une telle identification n’implique pas une recommandation ou une approbation de la part des auteurs, ni que l’équipement identifié est nécessairement le meilleur disponible à cette fin.

Il ya plusieurs étapes critiques dans le protocole qui exige une discussion supplémentaire. Lors de la mesure la longueur d&#39;onde du laser dans l&#39;infrarouge lointain, tel que décrit dans l&#39;étape 2.5.3, il est important d&#39;assurer le même mode de l&#39;émission laser dans l&#39;infrarouge lointain est utilisé. Plusieurs modes de la longueur d&#39;onde du laser dans l&#39;infrarouge lointain (c.-à-TEM 00 TEM 01, etc.) peuvent être générés à l&#39;intérieur de la cavité laser et...

La mesure des fréquences laser infrarouge lointain a été effectuée par Hocker et ses collègues en 1967. Ils ont mesuré les fréquences pour les émissions de la décharge directe laser de cyanure d&#39;hydrogène 311 et 337 um, en les mélangeant avec des harmoniques d&#39;ordre élevé d&#39;un signal de micro-ondes dans une diode au silicium 1. Pour mesurer des fréquences plus élevées, une chaîne de lasers et de dispositifs de mélange harmoniques ont été utilisés pour générer les harmoniques laser 2. Finalement, deux stabilisée de dioxyde de carbone (CO 2) lasers ont été choisis pour la synthèse de la différence nécessaire fréquences 3,4. Aujourd&#39;hui, les fréquences laser infrarouge lointain jusqu&#39;à 4 THz peut être mesurée par cette technique en utilisant seulement la première harmonique de la fréquence de différence générés par deux lasers stabilisés de CO 2 de référence. Émissions laser de fréquences plus élevées peuvent également être mesurées en utilisant le second harmonique, tel que des émissions laser 9 THz isotopologues du méthanol CHD 2 OH et CH 3 </sub&gt; 18 OH. 5,6 fil des ans, la mesure précise des fréquences laser a touché un certain nombre d&#39;expériences scientifiques 7,8 et permis l&#39;adoption d&#39;une nouvelle définition du mètre par la Conférence générale des poids et mesures à Paris en 1983. 9 - 11 Techniques hétérodynes, tels que ceux décrits, ont été extrêmement bénéfique dans la mesure des fréquences laser infrarouges lointains générés par les lasers moléculaires à pompage optique. Depuis la découverte du laser à pompage optique moléculaire par Chang et 12 ponts, des milliers de pompage optique des émissions laser dans l&#39;infrarouge lointain ont été générés avec une variété de milieux de laser. Par exemple, le difluorométhane (CH 2 F 2) et de ses isotopologues génèrent plus de 250 émissions laser à pompage optique lorsque par un laser CO 2. Leurs longueurs d&#39;onde varient d&#39;environ 95,6 à 1714,1 um 13. - </sjusqu&#39;à&gt; 15 Près de 75% de ces émissions laser ont eu leurs fréquences mesurées alors que plusieurs ont été affectés par spectroscopie 16 - 18. Ces lasers et leurs fréquences mesurées avec précision, ont joué un rôle crucial dans la promotion de la spectroscopie à haute résolution. Ils fournissent des informations importantes pour les études spectrales infrarouges des gaz laser. Souvent, ces fréquences laser sont utilisés pour vérifier l&#39;analyse des spectres infrarouge et de l&#39;infrarouge lointain, car ils fournissent des liens entre les niveaux de l&#39;Etat excité de vibration qui sont souvent directement inaccessibles à partir des spectres d&#39;absorption 19. Ils servent aussi de la source de rayonnement primaire pour des études portant sur ​​transitoires, les radicaux libres de courte durée avec la technique de résonance magnétique laser 20. Avec cette technique extrêmement sensible, spectres Zeeman de rotation et de vibration en ro-atomes, des molécules paramagnétiques, et des ions moléculaires peut être recorded et analysé avec la capacité d&#39;enquêter sur les taux de réaction utilisées pour créer ces radicaux libres. Dans ce travail, un laser à pompage optique moléculaire, représenté sur la figure 1, a été utilisé pour générer de l&#39;infrarouge lointain rayonnement laser à partir de difluorométhane. Ce système se compose d&#39;une onde continue (cw) CO 2 laser de pompage et une cavité de laser dans l&#39;infrarouge lointain. Un miroir interne à la cavité de laser dans l&#39;infrarouge lointain redirige le rayonnement laser CO 2 dans le tube de cuivre poli, en cours de vingt-six réflexions avant de se terminer à la fin de la cavité, la dispersion tout en restant rayonnement de pompage. Par conséquent, le milieu laser dans l&#39;infrarouge lointain est excité en utilisant une géométrie de pompage transversal. Pour générer l&#39;effet laser, plusieurs variables sont ajustées, une partie à la fois, et ensuite l&#39;ensemble une fois optimisés rayonnement laser est observée. Dans cette expérience, le rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain est surveillée par un métal-insulator-métal (MIM) le point de contact détecteur à diode. Le détecteur à diode MIM a été utilisé pour les mesures de fréquence laser depuis 1969. 21 - 23 Dans les mesures de fréquence laser, le détecteur de diode MIM est un mélangeur harmonique entre deux ou plusieurs sources de rayonnement incidente sur la diode. Le détecteur à diode MIM constituée d&#39;un fil de tungstène affûtée en contact avec une base de Nickel poli optiquement 24. La base de nickel comporte une couche d&#39;oxyde naturel qui est la mince couche isolante. Une fois qu&#39;une émission laser a été détecté, sa longueur d&#39;onde, la polarisation, la force et la pression de fonctionnement optimisés ont été enregistrés pendant que sa fréquence est mesurée en utilisant la technique du laser hétérodyne trois 25 - 27 suivant le procédé décrit à l&#39;origine dans la réf. 4. La figure 2 montre le laser à pompage optique moléculaire avec deux cw laser CO 2 de référence supplémentaires ayant sta de fréquence indépendantsystèmes de bilisation qui utilisent le plongeon de Lamb dans le signal de fluorescence de 4,3 um à partir d&#39;une cellule, à faible pression externe référence 28. Ce manuscrit décrit le processus utilisé pour rechercher des émissions laser infrarouge lointain ainsi que la méthode d&#39;estimation de leur longueur d&#39;onde et à déterminer avec précision leur fréquence. Des détails concernant la technique de laser hétérodyne à trois, ainsi que les divers composants et paramètres de fonctionnement du système peuvent être trouvés dans le tableau A supplémentaire avec les références 4, 25-27, 29 et 30.

<table><tbody><tr><td>Pompe à vide</td><td>Leybold</td><td>Trivac D4A</td><td>HE-175 huile ; Quantité = 3</td></tr><tr><td>Pompe à vide</td><td>Leybold</td><td>Trivac D8B ou D16B</td><td>Fomblin Fluid ; Quantité = 1 de chaque</td></tr><tr><td>Pompe à vide</td><td>Leybold</td><td>Trivac D25B</td><td>HE-175 huile ; Quantité = 1</td></tr><tr><td>Hachoir optique avec contrôleur</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR540</td><td></td></tr><tr><td>Amplificateur à verrouillage</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>Analyseur de spectre</td><td>Agilent</td><td>E4407B</td><td>ESA-E Series, 9 kHz à 26,5 GHz Amplificateur d’analyse de spectre</td></tr><tr><td>&nbsp ;</td><td>Miteq</td><td>AFS-44</td><td>Permet l’amplification de signaux entre 2 et 18 GHz. L’amplificateur est alimenté par une alimentation Hewlett Packard à triple sortie DC, modèle E3630A.</td></tr><tr><td>Amplificateur&nbsp ;</td><td>Avantek</td><td>AWL-1200B</td><td>Permet l’amplification de signaux inférieurs à 1,2 GHz.</td></tr><tr><td>Alimentation</td><td>Hewlett Packard</td><td>E3630A</td><td>Alimentation DC basse tension pour amplificateur.</td></tr><tr><td>Alimentation</td><td>Glassman</td><td>KL Series</td><td>Alimentation haute tension pour les lasers CO2 ; Quantité = 2 ; polarité négative</td></tr><tr><td>Bloc d’alimentation</td><td>Fluke</td><td>412B</td><td>Alimentation haute tension utilisée avec le détecteur d’ampli HV asymétrique NIST</td></tr><tr><td></td><td>Judson Infrared Inc</td><td>J10D</td><td>Pour cellule de fluorescence ; Quantité = 2</td></tr><tr><td>Analyseur de spectre laser CO2</td><td>Optical Engineering&nbsp ;</td><td>16-A</td><td>Actuellement vendu par Macken Instruments Inc.</td></tr><tr><td>Plaques d’imagerie thermique avec lumière UV</td><td>Ingénierie optique&nbsp ;</td><td></td><td>Principalement utilisé pour l’alignement des lasers de référence CO2. Actuellement vendu par Macken Instruments Inc.</td></tr><tr><td>Résistances</td><td>Ohmite&nbsp ;</td><td>L225J100K</td><td>100 kW, 225 W. Entre 4 et 6 résistances sont utilisées dans chaque système de ballast. Chaque laser CO2 possède son propre système de ballast. Des ventilateurs sont utilisés pour refroidir les résistances.</td></tr><tr><td>Relais HT, SPDT</td><td>CII Technologies</td><td>H-17</td><td>Quantité = 3 ; un pour chaque amplificateur laser CO2</td></tr><tr><td></td><td>Princeton Applied Research</td><td>PAR 113</td><td>Utilisé avec une cellule de fluorescence ; Quantité = 2</td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>2235A</td><td>Des modèles similaires sont également utilisés ; Quantité = 2</td></tr><tr><td>Oscilloscope/Amplificateur différentiel</td><td>Oscilloscope Tektronix</td><td>7903 avec amplificateur</td><td></td>différentiel 7A22</tr><tr><td>Wattmètre avec capteur</td><td>Coherent</td><td>200</td><td>Pour une utilisation inférieure à 10 W. Il s’agit du capteur de puissance illustré à la figure 2.</td></tr><tr><td>Capteur de puissance avec capteur</td><td>Scientech, Inc</td><td>Vector S310</td><td>Pour une utilisation en dessous de 30 W</td></tr><tr><td>Multimètre</td><td>Fluke</td><td>73III</td><td>Des modèles similaires sont également utilisés ; Quantité = 3</td></tr><tr><td>Acquisition de données</td><td>National Instruments</td><td>Châssis NI cDAQ 9174 avec module d’entrée NI 9223</td><td>Utilise le logiciel LabVIEW</td></tr><tr><td>Simichrome polish</td><td>Happich GmbH</td><td></td><td>Polish pour la base Nickel utilisée dans le détecteur à diode MIM. Bien que la base en nickel puisse être utilisée immédiatement après le polissage, un délai de 12 heures est généralement recommandé.</td></tr><tr><td>Manomètre</td><td>Wallace and Tiernan</td><td>61C-1D-0050</td><td>Série 300 ; pour laser CO2 ; Quantité = 3</td></tr><tr><td>Manomètre avec contrôleur</td><td>Granville Phillips</td><td>Series 375</td><td>Pour laser infrarouge lointain</td></tr><tr><td>Feutre d’oxyde de zirconium Feutre de</td><td>zircone Zircar Zircone</td><td>ZYF Utilisé</td><td>comme butée de faisceau</td></tr><tr><td>Panneau d’oxyde de zirconium</td><td>Zircar Zirconia</td><td>ZYZ-3 Utilisé</td><td>comme butée de faisceau ; Quantité = 4</td></tr><tr><td>Feuille de téflon</td><td>Scientific Commodities, Inc</td><td>BB96312-1248</td><td>1/32 pouce d’épaisseur ; utilisée pour la fenêtre de sortie laser infrarouge lointain</td></tr><tr>Protecteurs de feuille<td>de polypropylène</td><td>C-Line</td><td>61003</td><td>utilisés pour la fenêtre de sortie laser infrarouge lointain</td></tr><tr><td>Graisse sous vide</td><td>Apiezon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alimentation</td><td>Kepco</td><td>NTC 2000</td><td>PZT Alimentation</td></tr> tube <tr><td>PZT</td><td>Morgan Advanced Materials</td><td></td><td>1 pouce de longueur, 1 pouce de diamètre extérieur, 0,062 pouce d’épaisseur, polarité inversée (tension positive à l’extérieur) ; Quantité = 3</td></tr><tr><td>ZnSe (revêtement AR)</td><td>II-VI Inc</td><td></td><td>CO2 fenêtre laser (quantité = 3), lentille et séparateur de faisceau (quantité 3)</td></tr><tr><td>Fenêtre NaCl</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Quantité = 1</td></tr><tr><td>fenêtre CaF</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Quantité = 2</td></tr><tr><td>Miroirs laser et réseaux</td><td>Hyperfine, Inc</td><td></td><td>Revêtement or ; y compris les miroirs</td></tr> <tr><td>de positionnementTubes laser en verre et cellules de référence</td> Détecteur de diode MIM en <td>verre</td><td></td><td></td>Allen Scientific</tr><tr><td></td><td>Custom Microwave, Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>D’autres</td><td></td><td></td><td>matériaux comprennent des bases magnétiques, des plaques de base, des pinces de base, une platine de translation XYZ, etc.</td></tr></tbody></table>

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

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

La production et l&#39;évaluation ultérieure du rayonnement infrarouge lointain a trouvé de nombreuses applications en spectroscopie de haute résolution, de la radioastronomie, et l&#39;imagerie térahertz. Pour environ 45 ans, la génération d&#39;un rayonnement cohérent, l&#39;infrarouge lointain a été accomplie en utilisant le laser à pompage optique moléculaire. Une fois que le rayonnement laser dans l&#39;infrarouge lointain est détectée, les fréquences de ces émissions laser sont mesurés en utilisant une technique de laser hétérodyne trois. Avec cette technique, la fréquence inconnue du laser à pompage optique moléculaire est mélangée à la fréquence de différence entre les deux fréquences stabilisées de référence à infrarouge. Ces fréquences de référence sont générés par les lasers à dioxyde de carbone indépendantes, chacune stabilisée en utilisant le signal de fluorescence à partir de, une cellule de référence à basse pression externe. Le battement résultant entre les fréquences connues et inconnues laser est surveillée par un détecteur de diode points de contact métal-isolant-métal dont la sortie est observé sur un specanalyseur spectre. La fréquence de battement entre ces émissions laser est ensuite mesuré et combiné avec les fréquences de référence connus pour extrapoler l&#39;inconnu fréquence du laser dans l&#39;infrarouge lointain. Celui-sigma incertitude fractionnée résultant pour les fréquences laser mesurée avec cette technique est de ± 5 parties en 10 7. Déterminer avec précision la fréquence des émissions de laser infrarouge lointain est essentiel car ils sont souvent utilisés comme référence pour d&#39;autres mesures, comme dans la grande enquêtes -resolution spectroscopiques de radicaux libres utilisant la résonance magnétique laser. Dans le cadre de cette étude, le difluorométhane, CH 2 F 2, a été utilisé comme milieu de laser dans l&#39;infrarouge lointain. En tout, huit fréquences laser infrarouge lointain ont été mesurées pour la première fois avec des fréquences allant de 0,359 à 1,273 THz. Trois de ces émissions laser ont été découverts au cours de cette enquête et sont déclarés à leur pression de fonctionnement optimal, la polarisation à l&#39;égard du CO 2 </sub&gt; pomper laser, et la force.

Comme mentionné, la fréquence rapportée pour une émission laser dans l&#39;infrarouge lointain est une moyenne d&#39;au moins douze mesures effectuées avec au moins deux ensembles différents de lignes laser de référence 2 CO. Le tableau 2 présente les données enregistrées pour l&#39;émission 235,5 um de laser pour l&#39;utilisation de la 9 P 04 CO 2 pompe laser. Pour cette émission laser dans l&#39;infrarouge lointain, quatorze mesures individuelles de la fréquence de batt...

Nous décrivons la génération de rayonnement infrarouge lointain à l’aide d’un laser moléculaire pompé optiquement ainsi que la mesure de leurs fréquences avec des techniques hétérodynes. Le système et les techniques expérimentaux sont démontrés en utilisant le difluorométhane (CH2, F2) comme support laser, dont les résultats comprennent trois nouvelles émissions laser et huit fréquences laser mesurées.

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

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

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.

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