מאמר שיטה

אפיון פליטות לייזר רחוק אינפרה-אדומות והמדידה של התדרים שלהם

11.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/53399

⸱

18 בדצמבר 2015

 , 
1Department of Physics, Central Washington University, 2Department of Physics, University of Wisconsin-La Crosse, 3College of Science and Technology, Millersville University

במאמר זה

סיכום

אנו מתארים את יצירת הקרינה האינפרא אדום הרחוקה באמצעות לייזר מולקולרי שנשאב אופטית יחד עם מדידת התדרים שלהם בטכניקות הטרודיניות. המערכת והטכניקות הניסיוניות מודגמות באמצעות דיפלואורומתאן (CH2F2) כמדיום הלייזר שתוצאותיו כוללות שלוש פליטות לייזר חדשות ושמונה תדרי לייזר נמדדים.

תקציר

הדור והמדידה העוקבת של קרינה-אדום הרחוק מצא יישומים רבים בספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה, אסטרונומיה רדיו, והדמיה Terahertz. במשך כ -45 שנים, הדור של קוהרנטית קרינה, רחוק אינפרה-אדומה הושג באמצעות הלייזר המולקולרי שאוב אופטי. ברגע שקרינת לייזר-אדום רחוק מזוהה, התדרים של פליטות לייזר אלה נמדדים באמצעות טכניקת heterodyne שלושה-לייזר. בעזרת טכניקה זו, התדירות לא ידועה מהליזר המולקולרי שאוב אופטי היא מעורבת עם תדירות ההבדל בין שני תדרי התייחסות התייצבו, אינפרא אדום. תדרי התייחסות אלה שנוצרו על ידי לייזרי פחמן דו חמצני עצמאיים, כל אחד התייצב באמצעות אות הקרינה מסלולרית התייחסות חיצונית, בלחץ נמוך. פעימת כתוצאה בין תדרי לייזר הידועים ובלתי ידועים מנוטרת על ידי גלאי דיודה נקודת מגע מתכת-מבודדת-מתכת הפלט שהוא ציין במפרטמנתח טראם. תדירות הפעימה בין פליטת לייזר אלה נמדדת לאחר מכן בשילוב עם תדרי התייחסות הידועים להסיק תדר לייזר-אדום רחוק לא ידוע. אי הוודאות וכתוצאה מכך אחד-סיגמא השבר עבור תדרי לייזר נמדדה עם טכניקה זו היא ± 5 חלקים ב 10 7. קביעה מדויקת של תדירות פליטת לייזר-אדום הרחוק היא קריטי כפי שהם משמשים לעתים קרובות כהתייחסות למדידות אחרות, כמו בגבוה חקירות ספקטרוסקופיות -resolution של רדיקלים חופשיים באמצעות תהודה מגנטית לייזר. כחלק מחקירה זו, difluoromethane, CH 2 F 2, שימש כמדיום לייזר-אדום הרחוק. בסך הכל, שמונה תדרי לייזר-אדום רחוק נמדדו בפעם הראשונה עם תדרים החל 0.359-1.273 THz. שלוש פליטות לייזר אלה התגלו במהלך חקירה זו ומדווחים עם לחצן הפעלה האופטימלי, קיטוב ביחס לCO 2

מבוא

המדידה של תדרי לייזר-אדום הרחוק בוצעה לראשונה על ידי Hocker ועמיתים לעבודה בשנת 1967. הם מדדו את התדרים ל311 ו 337 מיקרומטר פליטות מליזר המימן ציאניד הישיר פריקה על ידי ערבובם עם הרמוניות כדי גבוהות של אות מיקרוגל בדיודה סיליקון 1. כדי למדוד תדרים גבוהים יותר, שרשרת של לייזרים והתקני ערבוב הרמוניים שימשה ליצירת ההרמוניה לייזר 2. סופו של דבר שני התייצבו פחמן דו חמצני (CO 2) לייזרים נבחרו לסנתז את ההבדל ההכרחי תדרי 3,4. היום, תדרי לייזר-אדום רחוק עד 4 THz ניתן למדוד עם טכניקה זו משתמשת בהרמונית הראשונה בלבד של תדר ההבדל שנוצר על ידי שתי התייצב CO 2 לייזרי התייחסות. פליטת לייזר תדירות גבוהה יותר גם ניתן למדוד באמצעות הרמוני השני, כגון פליטת לייזר 9 THz ממחלת הלב כלילית isotopologues מתנול 2 OH ו- CH 3 18 OH. 5,6 במהלך השנים, המדידה מדויקת של תדרי לייזר השפיעה מספר הניסויים המדעיים 7,8 והתיר אימוץ הגדרה חדשה של המטר על ידי הוועידה הכללית של משקלים ומידות בפריז ב 1983. 9 - 11

טכניקות heterodyne, כגון אלה שתוארו, היו מועילות מאוד במדידה של תדרי לייזר-אדום הרחוק שנוצרו על ידי לייזרים מולקולריים שאוב אופטי. מאז גילויו של הלייזר המולקולרי שאוב אופטי על ידי צ'אנג ו -12 גשרים, אלפי אופטיים שאוב פליטת לייזר-אדום רחוק כבר נוצרה עם מגוון רחב של אמצעי תקשורת לייזר. לדוגמא, difluoromethane (CH 2 F 2) וisotopologues לייצר מעל 250 פליטת לייזר כאשר שאוב אופטי על ידי לייזר CO 2. אורכי הגל שלהם נעים בין כ 95.6-1714.1 מיקרומטר 13. - 15 כמעט 75% מכלל פליטות לייזר אלה היו התדרים שלהם נמדדו תוך כמה הוקצו 16 spectroscopically - 18.

לייזרים אלה, והתדרים למדוד במדויק, יש תפקיד מכריע בקידום ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה. הם מספקים מידע חשוב ללימודי רפאים אינפרא אדום של גזי הלייזר. לעתים קרובות תדרי לייזר אלה משמשים כדי לאמת את הניתוח של ספקטרום אינפרא אדום ורחוק אינפרה-אדום משום שהם מספקים קשרים בין רמות מדינת רטט הנרגשת שלעתים קרובות אינם נגישים ישירות מספקטרום הקליטה 19. הם גם משמשים כמקור הקרינה העיקרי ללימודים חוקרים חולפים, רדיקלים חופשיים קצרים עם טכניקת התהודה מגנטית לייזר 20. בעזרת טכניקה זו מאוד רגישה, ספקטרום זימן-רטט ro סיבובי ובאטומי פאראמגנטיים, מולקולות, ויונים מולקולריים יכול להיות recorded וניתח יחד עם היכולת לחקור את שיעורי התגובה משמשים ליצירת רדיקלים חופשיים אלה.

בעבודה זו, לייזר מולקולרי שאוב אופטי, מוצגת באיור 1, נעשה שימוש כדי ליצור קרינת לייזר-אדום רחוק מdifluoromethane. מערכת זו מורכבת מגל רציף (CW) לייזר משאבה CO 2 וחלל לייזר-אדום רחוק. מראה פנימי לחלל לייזר-אדום הרחוק מפנה את קרינת לייזר CO 2 במורד צינור הנחושת המלוטש, עובר עשרים ושש השתקפויות לפני סיום בסוף של החלל, פיזור קרינת משאבה שנותרה. לכן בינוני לייזר-אדום הרחוק מתרגש באמצעות גיאומטריה שאיבה רוחבית. כדי ליצור פעולת לייזר, מספר משתנה מותאמים, כמה בו זמנית, ולאחר מכן כולם מותאמים פעם קרינת לייזר הוא ציינה.

בניסוי זה, קרינת לייזר-אדום רחוק מנוטרת על ידי מתכת-insulator-מתכת (MIM) גלאי דיודה נקודת מגע. גלאי דיודה MIM שמש במשך מדידות תדר לייזר מאז 1969. 21-23 במדידות תדר לייזר, גלאי דיודה MIM הוא מיקסר הרמוני בין שתיים או יותר מקורות קרינת האירוע בדיודה. גלאי דיודה MIM מורכב מתיל טונגסטן חידד פנייה בסיס ניקל אופטי מלוטש 24. יש בסיס ניקל שכבה דקה תחמוצת טבעית שהיא שכבת הבידוד.

ברגע פליטת לייזר זוהתה, אורך הגל, הקיטוב, כוחה, ולחץ הפעלה מותאם נרשמו בעוד התדר שלה נמדד באמצעות טכניקת heterodyne שלושה-לייזר 25-27 הבאים בשיטה המתוארת במקור באסמכתא. 4. איור 2 מציג את הלייזר המולקולרי שאוב אופטי עם שני לייזרי התייחסות נוספים CW CO 2 שSTA תדר העצמאימערכות bilization לנצל לטבול כבש באות הקרינה 4.3 מיקרומטר מתא התייחסות לחץ חיצוני, נמוך 28. כתב יד זה מתאר את התהליך המשמש לחיפוש פליטת לייזר-אדום רחוק, כמו גם את השיטה להערכת אורך הגל שלהם ובאופן מדויק קביעת תדירותם. ניתן למצוא פרטים בנוגע לטכניקת heterodyne שלושה-הלייזר, כמו גם את המרכיבים השונים ומאפייני הפעלה של המערכת בטבלה נוספת יחד עם אזכור 4, 25-27, 29, ו -30.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. תכנון של ניסויים

  1. לערוך סקר של הספרות כדי להעריך את העבודה לפני מתבצע באמצעות מדיום הלייזר של עניין, אשר לניסוי זה הוא CH 2 F 2. לזהות את כל פליטות הלייזר הידועות יחד עם כל המידע על הקווים כמו אורך הגל ותדירותם. כמה סקרי פליטות לייזר ידועים זמינים 13,31 - 37.
  2. לאסוף את כל החקירות ספקטרוסקופיות של המולקולה המשמשת כמדיום הלייזר עם דגש על פורייה לפני להפוך 34 וoptoacoustic מחקרים 38,39.

2. פליטות יצירה-אדום רחוק לייזר

  1. סקירה כללית בטיחות.
    1. לפתח נוהל הפעלה סטנדרטי למעבדה הכוללת הגנה מפני עין נכונה בעבודה עם CO 2 ומערכות לייזר-אדום רחוק.
  2. יישור וכיול.
    1. לכייל כל l CO 2aser באמצעות נתח ספקטרום מבוסס צורם מיועד ללייזר CO 2 על פי הפרוטוקול של היצרן.
    2. יישר את מראות הסוף והמראה הצימוד בחלל הלייזר-אדום הרחוק באמצעות לייזר הוא Ne-כך שהקרינה שלהם על גלאי דיודה MIM ממוקד.
    3. לכוון את הקרינה מליזר משאבת CO 2 לתוך חלל לייזר-אדום הרחוק דרך חלון נתרן כלורי בזווית של כ -72 o ביחס לציר החלל.
    4. לכוון את הקרינה משני לייזרי CO 2 התייחסות לאו הנייד שלהם הקרינה בלחץ נמוך בהתאמה התייחסות או שיתוף באופן ליניארי על גלאי דיודה MIM באמצעות מפצלי קרן ומראות נוספות.
  3. זיהוי של קרינת לייזר-אדום רחוק.
    1. פולני בסיס ניקל כל כמה ימים באמצעות פולני מתכת סטנדרטית.
    2. לחיצה תיל טונגסטן 25 מיקרומטר להודעת נחושת ולכופף את החוט לתוך configurני שמוצג באיור 3.
    3. התאם את אורכו של החוט, כך שהוא בין 10 עד 20 אורכי גל של הקרינה נמדדים.
    4. Electrochemically לחרוט את הקצה של החוט בפתרון נתרן הידרוקסידי רווי (NaOH) על ידי יישום מתח (כ 3.5-5 VAC) לפתרון.
    5. Re-לחרוט את הקצה עם מתח נמוך (פחות מ 1 VAC). זה חספוס הקצה של החוט ומשפר את הביצועים של דיודה.
    6. יש לשטוף את החוט במים מזוקקים.
    7. הכנס את ההודעה הנחושת לדיור של דיודה MIM פעם החוט הוא יבש.
    8. מניחים את החוט במגע עם בסיס ניקל באמצעות מערכת בורג ורמה בסדר. מגעים מניב התנגדות על פני דיודת בין 100 ל 500 Ω משמשים בדרך כלל כאשר גילוי ומדידת קרינת לייזר-אדום רחוק.
  4. דור של קרינת לייזר-אדום רחוק.
    1. הגדר את לייזר משאבת CO 2 עליהם לייזר ספציפיission, למשל., 9 P 36.
    2. לסובב את חוגת מיקרומטר בליזר משאבת CO 2 קדימה ואחורה כדי להשיג עוצמה מקסימלית על תחנת הקורה.
    3. התאם את ההטיה של צורם של לייזר משאבת CO 2 כדי להשיג עוצמה מקסימלית על תחנת הקורה.
    4. חזור על שלבים 2.4.2 ו2.4.3 עד תפוקת הכח ללייזר משאבת CO 2 מופיע מותאם בתחנת הקורה.
    5. הסר את תחנת הקרן מדרך לייזר משאבת CO 2.
    6. הפעל וליישר את המסוק האופטי לתוך נתיב הקרן של לייזר משאבת CO 2.
    7. פתח את השסתום בגליל CH 2 F 2 להציג את מדיום לייזר-אדום הרחוק לתוך חלל לייזר-אדום הרחוק.
    8. התאם את שסתום המדידה על קו הכניסה עד לחץ של כ 10 אבא מושגת.
      הערה: רק הלחץ המשוער הוא הכרחי שכן הוא משמש כדרך שיטתית סריקת ג הלייזר-אדום הרחוקavity.
    9. הגדר את העמדה של מצמד הפלט כך שהקצה החיצוני ביותר שלה הוא כ 1 סנטימטר מאמצע חלל הלייזר כפי שצוין על ידי קנה מידה מכוילת בצד החיצוני של חלל הלייזר.
      הערה: רק המיקום המשוער הוא הכרחי שכן הוא משמש כדרך של סריקת לייזר החלל-אדום הרחוק באופן שיטתי.
    10. התאם את המיקום של מראה הלייזר-אדום רחוק ניד בכ 0.25 מ"מ במרווחים על ידי סיבוב חוגת מיקרומטר המכויל קדימה ואחורה. במקביל מנגינת התדר של לייזר CO 2 משאבה באמצעות עקומת הרווח שלה על ידי שינוי המתח להחיל על פני המתמר של לייזר משאבת CO 2 פיזואלקטריים (PZT).
    11. אם אין אות הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ, חזור על שלב 2.4.10 עם מצמד הפלט עבר לתפקיד הבא שלה שבו הקצה הוא כ -1.5 סנטימטר מאמצע חלל הלייזר כפי שצוין על ידי קנה מידה מכוילת על הצד החיצוני של הלייזר חָלָל.
    12. אם אין אות הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ, חזור על שלב 2.4.10 עם מצמד הפלט עבר לתפקיד הבא שלה שבו הקצה הוא כ 2 סנטימטר מאמצע חלל הלייזר כפי שצוין על ידי קנה מידה מכוילת על הצד החיצוני של הלייזר חָלָל.
    13. אם אין אות הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ, חזור על שלבים 2.4.9 דרך 2.4.12 עם לחץ לייזר-אדום רחוק של כ 19 אבא כמותאם עם שסתום המדידה על קו הכניסה.
    14. אם אין אות הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ, חזור על שלבים 2.4.9 דרך 2.4.12 עם לחץ לייזר-אדום רחוק של כ 27 אבא כמותאם עם שסתום המדידה על קו הכניסה.
    15. אם אין אות הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ, הכנס את תחנת הקרן לתוך הנתיב של לייזר משאבת CO 2 ולסגור את השסתום על CH 2 F 2 צילינדרים עד לחץ לייזר-אדום הרחוק הוא כ 0 אבא.
    16. הגדר את משאבת CO 2לייזר לפליטת הלייזר הבא, למשל, 9 P 34, ולייעל את תפוקת הכח באמצעות צעדים 2.4.2 באמצעות 2.4.4.
    17. חזור על שלבים 2.4.5 באמצעות 2.4.16 עד שכל הפליטה שנוצרה על ידי לייזר משאבת CO 2 משמשות. כאשר מחפשים קווי לייזר-אדום רחוק, מקום התמקדות בפליטת לייזר 2 משאבת CO תדרים שחופפים כל אזורי קליטה שזוהו בשלב 1.2.
  5. אפיון פליטות לייזר-אדום רחוק.
    1. במקביל להתאים את הלחץ של מדיום לייזר-אדום הרחוק, המתח להחיל PZT של לייזר משאבת CO 2, ואת עמדתו של מצמד התפוקה עד תפוקת הכח של פליטת הלייזר-אדום הרחוק מוגדל (שנקבע על ידי שיא-ל-מקסימום שיא של אות מגלאי דיודה MIM כפי שנצפה בתצוגת אוסצילוסקופ, דומה לאיור 4).
    2. הפעל השעון חיוג מיקרומטר עד פליטת הלייזר-אדום הרחוק הוא ציין בתצוגת אוסצילוסקופ. רשום את העמדה של חיוג מיקרומטר.
    3. הפעל השעון חיוג מיקרומטר למצבים נוספים 20 המקבילים לאותה פליטת לייזר-אדום רחוק. רשום את העמדה של חיוג מיקרומטר.
    4. הפחת את העמדה של חיוג מיקרומטר בצעדי 2.5.2 ו2.5.3. מחלקים את ההבדל הזה ב -10 כדי לקבל את אורך הגל של פליטת לייזר-אדום הרחוק.
    5. חזור על שלבי 2.5.2 באמצעות 2.5.4 בסך הכל חמש פעמים וממוצע אורך הגל של פליטת לייזר-אדום הרחוק. יש אורכי גל הלייזר ממוצע שנמדדו על ידי חוצים לפחות 20 מצבי אורך סמוכים חוסר ודאות אחד-Sigma של ± 0.5 מיקרומטר.
    6. מדוד את הקיטוב של קרינת לייזר-אדום הרחוק, ביחס לקרינת משאבת CO 2, או באמצעות מקטב תיל-רשת זהב (394 קווים / סנטימטר) או מקטב ברוסטר.

3. קביעה רחוק אינפרא אדום תדרי לייזר

  1. לזהותing פליטת CO2 לייזר התייחסות.
    1. לחשב את התדירות של פליטת לייזר-אדום הרחוק המבוססת על אורך הגל שנמדד.
    2. לזהות קבוצות של קווי לייזר 2 CO התייחסות תדירות שהבדל הוא בתוך כמה GHz של התדר שמחושב לפליטת הלייזר-אדום הרחוק 40. רשימה טיפוסית המשמשת למדידות מסוג זה מוצגת בטבלה 1.
  2. מחפש את אות פעימת אבוכי.
    1. זהה את הסט הראשון של קווי לייזר CO 2 התייחסות ולהגדיר כל לייזר CO 2 התייחסות על פליטת הלייזר שלהם.
    2. לייעל את תפוקת הכח לכל התייחסות לייזר CO 2 באמצעות צעדים 2.4.2 באמצעות 2.4.4 ומד הכח לפקח.
      1. התאם איריס, פנימי או חיצוני לכל התייחסות לייזר, כך שהכח מכל לייזר התייחסות CO 2 הוא כ -100 מגה ואט, כפי שנמדד על ידי מד הכח לפקח מוצג באיור 2.
    3. לחסום את הקרינה מליזר CO 2 משאבה באמצעות תחנת קרן תוך הסרת החסימה הקרינה מלייזרי התייחסות CO 2.
    4. הפעל וליישר את המסוק האופטי לתוך נתיב הקרן המשותפת ליניארי של לייזרי התייחסות CO 2.
    5. לייעל למתח שיא-לשיא מרבי כל פליטת CO 2 התייחסות לייזר על גלאי דיודה MIM באמצעות מספר מראות, מפצלי אלומה, ועדשת Plano-קמור 2.54 סנטימטר מוקדי ZnSe האורך תוך שמירה על התפוקה על אוסצילוסקופ, דומה לאיור 5 .
    6. לחסום את הקרינה מCO 2 לייזרי התייחסות באמצעות תחנת קרן תוך הסרת החסימה הקרינה מליזר משאבת CO 2.
    7. מחדש לייעל את לייזר CO 2 משאבה וליזר-אדום הרחוק, במידת צורך, כך שפליטת הלייזר-אדום הרחוק יש מתח שיא-לשיא מרבי כפי שנצפו על אוסצילוסקופ.
    8. לא נתקהוא MIM הפלט של גלאי דיודה מאוסצילוסקופ ולחבר אותו למגבר הפלט שהוא ציין במנתח ספקטרום.
    9. לבטל את חסימת הקרינה מלייזרי התייחסות CO 2.
    10. הסר את המסוקים האופטיים ויסות לייזרי משאבה והתייחסות CO 2.
    11. הגדר את מנתח הספקטרום בטווח של 40 מגה-הרץ ולחפש את אות הפעימה במרווחים 1.5 GHz על ידי הסריקה ידנית טווח תדרים זה באמצעות כפתור הכוונון של מנתח הספקטרום.
    12. אם אין אות פעימה הוא ציין, נתק הפלט של דיודה MIM מהמגבר ולחבר אותו לאוסצילוסקופ.
    13. לחסום את הקרינה מלייזרי התייחסות CO 2 וכנס שוב את המסוק האופטי לתוך הנתיב של לייזר משאבת CO 2.
    14. חזור על שלבים 3.2.2 באמצעות 3.2.13 צריכים, עד שמנתח הספקטרום נעשה שימוש כדי לחפש את אות הפעימה בין 0 ל 12 GHz.
    15. אם אין אות פעימה הוא ציין, repeבצעדי 3.2.2 באמצעות 3.2.14 עם קבוצה נוספת של קווי לייזר 2 CO התייחסות עד או אות הפעימה הוא ציינה או כל הקבוצות אפשריות של קווי לייזר CO 2 התייחסות הם מותשים.
  3. ייצוב תדרי התייחסות CO 2.
    1. החל מתח בין 0 ל -900 V לPZT של לייזר ההתייחסות הראשון CO 2, כך שהאות מתא התייחסות הקרינה בהתאמה שלה היא במרכז לטבול הכבש, באיור 6 וכפי שנצפה על אוסצילוסקופ כמו באיור 7.
    2. הפעל את מתח המשוב להחיל PZT של לייזר ההתייחסות הראשון CO 2 באמצעות מגבר / סרוו נעילה בנבנה מותאם אישית, כך שהוא נשאר נעול למרכז לטבול הכבש.
    3. חזור על שלבים 3.3.1 ו3.3.2 ללייזר ההתייחסות השני CO 2.
    4. מבחינה ויזואלית לפקח על התפוקה של הקדם-המגבר על אוסצילוסקופ, כמו באיור 7, לenבטוח לייזרי ההתייחסות נשאר נעולים.
  4. מדידה של תדר הפעימה.
    1. מרכז את אות הפעימה בתצוגת מנתח הספקטרום ולהתאים משרעת שלה על מנת למקסם את הגודל שלה בתצוגה.
    2. הגדר את מנתח הספקטרום כדי להציג שתי עקבות בו זמנית של אות הפעימה, כמו באיור 8, על ידי בחירת תכונת כתיבה הבהיר לשתי עקבות 1 ועקוב אחר 2. אחת עקבות תציג את האות מיידית ואילו השני יהיה להקליט את האות המקסימלי (באמצעות תכונת מקס שמירת על נתח הספקטרום לזכר השני).
    3. לסובב את חוגת מיקרומטר בחלל הלייזר-אדום הרחוק קדימה ואחורה לאורך עקום רווח למצב חלל נתון.
    4. השתמש בתכונה צפה במנתח הספקטרום להקפיא את העקבות השניה (Hold מקס) פעם בתבנית סימטרית מתקבלת.
    5. מעט לסובב את כיוון השעון חיוג מיקרומטר כדי להקטין את אורכו של חלל לייזר-אדום הרחוק. במקביל להתבונן צוללותequent שינוי קטן בתדירות הקצב על מנתח הספקטרום בשל עלייה קלה זה בתדירות של הלייזר-אדום הרחוק.
    6. הנח סמנים ברוחב המלא במחצית נקודות המרביות של הדפוס הסימטרי (זכר שמירת מקס) באמצעות פונקצית מרקר עם תכונת הדלתא על מנתח הספקטרום.
    7. מדוד את התדר המרכזי של אות הפעימה באמצעות תכונת טווח הזוג על מנתח הספקטרום.
    8. חזור על שלבים 3.4.1 באמצעות 3.4.7.
    9. להתנתק המנעול במגבר / סרוו עבור כל לייזר CO 2 התייחסות לפתוח כל לייזר מהתדר המרכזי שלה ומחדש לייעל כל התייחסות לייזר CO 2.
    10. מחדש לנעול את לייזרי ההתייחסות באמצעות צעדים 3.3.1 באמצעות 3.3.4.
    11. חזור על שלבים 3.4.1 באמצעות 3.4.10 עבור הסכום כולל של 6 מדידות. ברגע מלא, לפתוח כל לייזר CO 2 התייחסות מהתדר המרכזי שלה.
    12. לחשב את התדירות המתוקנת של פליטת לייזר-אדום הרחוק באמצעות fre הפעימה הבאותquencies לקבל תחזית מדויקת לסט השני של קווי לייזר 2 CO התייחסות.
    13. לזהות סט של קווי לייזר 2 CO התייחסות תדירות שהבדל הוא בתוך כמה GHz של התדר שמחושב לפליטת הלייזר-אדום הרחוק שונה.
    14. לייעל את הסדרה הבאה של CO 2 קווי לייזר התייחסות בגלאי דיודה MIM ולקבל את אות הפעימה באמצעות צעדים 3.2.2 באמצעות 3.2.15 צורך.
    15. לנעול את הסט החדש של קווי 2 לייזר התייחסות CO באמצעות צעדים 3.3.1 באמצעות 3.3.4.
    16. חזור על שלבים 3.4.1 באמצעות 3.4.10 עבור הסכום כולל של 6 מדידות. ברגע מלא, לפתוח כל לייזר CO 2 התייחסות מהתדר המרכזי שלה.
    17. קרן הכנס מפסיקה לנתיבים של לייזרי משאבה והתייחסות CO 2.
  5. חישוב תדר לייזר-אדום הרחוק.
    1. חשב את תדר לייזר-אדום רחוק לא ידוע, ν FIR, באמצעות נמדד להיותבתדר באמצעות ביחס
      FIR = | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | פעימת ν | משוואה. 1
      בי | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | הוא בסדר הגודל של תדר ההבדל מסונתז על ידי שני CO 2 לייזרי התייחסות ו| פעימת ν | הוא בסדר הגודל של תדר הפעימה. סימן ± במשוואה. 1 נקבע באופן ניסיוני מהצעד 3.4.5.
    2. להשיג תדירות ממוצעת ולחשב אתאי וודאות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

כאמור, את תדירות דיווח לפליטת לייזר-אדום רחוק היא ממוצעת של לפחות עשר מדידות שבוצעו עם לפחות שתי קבוצות שונות של קווי לייזר 2 CO התייחסות. טבלה 2 מתארת ​​את הנתונים שנרשמו לפליטת 235.5 מיקרומטר לייזר בעת השימוש ב 9 P 04 CO 2 לייזר משאבה. לפליטת לייזר-אדום רחוק זו, ארבעה עשר מדידות בודדות של תדר הפעימה נרשמו. הסט הראשון של מדידות נרשם בעת השימוש בR 9 10 ו -9 P 38 פליטת CO2 לייזר התייחסות. לצעד 3.4.5, כתדר ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

ישנם מספר צעדים קריטיים בפרוטוקול שדורש קצת דיון נוסף. כאשר מודדים את אורך גל לייזר-אדום הרחוק, כפי שמתואר בשלב 2.5.3, זה חשוב כדי להבטיח את אותו המצב של פליטת לייזר-אדום הרחוק נמצא בשימוש. מצבים מרובים של אורך גל לייזר-אדום רחוק (כלומר, TEM 00, TEM 01, וכו ') יכול להיות שנוצרו בתוך חלל הלייזר ולכן חשוב לזהות את מצבי החלל סמוך המתאימים בשימוש כדי למדוד את אורך הגל 13,29, 41. כדי לסייע בחיסול מצבים מסדר גבוה יותר, אירוסים כלולים בתוך כל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

ציוד מסחרי מסוים מזוהה במאמר זה כדי לטפח הבנה. זיהוי כזה אינו מרמז על המלצה או אישור של המחברים, ואינו מרמז על כך שהציוד שזוהה הוא בהכרח הטוב ביותר הזמין למטרה.

תודות

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קונסורציום מענקי החלל של וושינגטון תחת פרס NNX10AK64H.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
משאבת ואקוםשמן LeyboldTrivac D4AHE-175; כמות = 3
משאבת ואקוםLeyboldTrivac D8B או D16Bנוזל פומבלין; כמות = 1 מכל
משאבת ואקוםLeyboldTrivac D25BHE-175; כמות = 1
מסוק אופטי עם בקרסטנפורד מערכות מחקרSR540
סטנפורד מערכות מחקרSR830
AgilentE4407BESA-E, מגבר מנתח ספקטרום 9 קילו-הרץ עד 26.5 גיגה-הרץ
 MiteqAFS-44מספק הגברה של אותות בין 2 ל-18 גיגה-הרץ. המגבר מופעל על ידי ספק כוח DC משולש של Hewlett Packard, דגם E3630A.
מגבר AvantekAWL-1200Bמספק הגברה של אותות פחות מ-1.2 גיגה-הרץ.
ספק כוחHewlett PackardE3630Aספק כוח DC במתח נמוך למגבר.
ספק כוחאספקת חשמל במתח גבוה מסדרתGlassmanעבור לייזרים CO2; כמות = 2; קוטביות שלילית
ספק כוחFluke412Bספק כוח מתח גבוה בשימוש עם גלאי מגבר HV אסימטרי
NIST Judson Infrared IncJ10Dלתא פלואורסצנטי; כמות = 2
CO2 מנתח ספקטרום לייזרהנדסה אופטית 16-Aנמכר כיום על ידי Macken Instruments Inc.
לוחות הדמיה תרמית עם אור UVהנדסה אופטית משמש בעיקר ליישור לייזרי הייחוס CO2. נמכר כיום על ידי Macken Instruments Inc.
נגדיםOhmite L225J100K100 קילוואט, 225 וואט. בין 4 ל -6 נגדים משמשים בכל מערכת נטל. לכל לייזר CO2 יש מערכת נטל משלו. מאווררים משמשים לקירור הנגדים.
ממסר HV, SPDTCII TechnologiesH-17כמות = 3; אחד לכל מגבר לייזר CO2
מחקר יישומי של פרינסטוןPAR 113בשימוש עם תא פלואורסצנטי; כמות = 2
אוסצילוסקופTektronix2235Aמשתמשים גם בדגמים דומים; כמות = 2
אוסצילוסקופ/מגבר דיפרנציאליTektronix7903 עם מגבר דיפרנציאלי 7A22
זהו מד הכוח המוצג באיור 2.
מד כוח עם חיישןScientech, IncVector S310לשימוש מתחת ל-30 W
MultimeterFluke73IIIמשתמשים גם בדגמים דומים; כמות = 3
רכישת נתוניםשלדת National Instruments NI cDAQ 9174 עם מודול קלט NI 9223משתמשת בתוכנת LabVIEW
פולנית SimichromeHappich GmbHפולנית לבסיס הניקל המשמש בגלאי דיודות MIM. למרות שניתן להשתמש בבסיס הניקל מיד לאחר הליטוש, מומלץ בדרך כלל זמן אספקה של 12 שעות.
מד לחץWallace and Tiernan61C-1D-0050סדרה 300; עבור לייזר CO2; כמות = 3
מד לחץ עם בקרגרנוויל פיליפססדרה 375עבור לייזר אינפרא אדום רחוק
תחמוצת זירקוניום הרגישZircar זירקוניהZYFהרגיש משמש כעצירת קרן
לוח תחמוצת זירקוניוםZircar ZirconiaZYZ-3משמש כעצירת קרן; כמות = 4
גיליון טפלוןScientific Commodities, IncBB96312-1248בעובי 1/32 אינץ'; משמש לחלון פלט לייזר אינפרא אדום רחוק
מגיני גיליוןפוליפרופילן61003המשמש לחלון פלט לייזר אינפרא אדום רחוק
גריז ואקוםApiezon
ספק כוחKepcoNTC 2000PZT ספק כוח
צינור PZTMorgan Advanced Materialsאורך 1 אינץ', קוטר חיצוני 1 אינץ', עובי 0.062 אינץ', קוטביות הפוכה (מתח חיובי מבחוץ); כמות = 3
ZnSe (מצופה AR)II-VI IncCO2 חלון לייזר (כמות = 3), עדשה ומפצל קרן (כמות 3)
חלון NaClאופטיקהכמות = 1
חלון CaFאופטיקהכמות = 2
מראות וסורגי לייזרHyperfine, Incמצופה זהב; כולל מראות מיקום
צינורות לייזר זכוכית ותאי התייחסותגלאי
מדעית Allen Scientific Microwave, Inc
אחריםכוללים בסיסים מגנטיים, לוחות בסיס, מהדקי בסיס, שלב תרגום XYZ וכו'.
שמן מגבר מנתח ספקטרום מנתח ספקטרום KL אוסילוסקופ מד כוח עם חיישן קוהרנטי 200 לשימוש מתחת ל-10 W.  C-Line אדמונד אדמונד דיודות MIM זכוכית חומרים

מקורות

  1. Hocker, L. O., Javan, A., Ramachandra Rao, D., Frenkel, L., Sullivan, T. Absolute frequency measurement and spectroscopy of gas laser transitions in the far infrared. Appl. Phys. Lett. 10 (5), 147-149 (1967).
  2. Wells, J. S., Evenson, K. M., Day, G. W., Halford, D. Role of infrared frequency synthesis in metrology. Proc. IEEE. 60 (5), 621-623 (1972).
  3. Whitford, B. G., Siemsen, K. J., Riccius, H. D., Baird, K. A. New frequency measurements and techniques in the 30-THz region. IEEE Trans. Instrum. Meas. 23 (4), 535-539 (1974).
  4. Petersen, F. R., et al. Far infrared frequency synthesis with stabilized CO2 lasers: Accurate measurements of the water vapor and methyl alcohol laser frequencies. IEEE J. Quantum Elect. 11 (10), 838-843 (1975).
  5. Uranga, C., Connell, C., Borstad, G. M., Zink, L. R., Jackson, M. Discovery and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions from optically pumped 13CD3OH and CHD2OH. Appl. Phys. B. 88 (4), 503-505 (2007).
  6. Jackson, M., Milne, J. A., Zink, L. R. Measurement of optically pumped CH318OH laser frequencies between 3 and 9 THz. IEEE J. Quantum Elect. 47 (3), 386-389 (2011).
  7. Evenson, K. M., et al. Optically pumped FIR lasers: Frequency and power measurements and laser magnetic resonance spectroscopy. IEEE J. Quantum Elect. 13 (6), 442-444 (1977).
  8. Evenson, K. M., Jennings, D. A., Petersen, F. R. Tunable far-infrared spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 44 (6), 576-577 (1984).
  9. Evenson, K. M., et al. Speed of light from direct frequency and wavelength measurements of the methane-stabilized laser. Phys. Rev. Lett. 29 (19), 1346-1349 (1972).
  10. BIPM. Resolution 1. Comptes Rendus des Séances de la 17e Conférence Générale des Poids et Mesures, Sevres, France, , 97-98 (1983).
  11. Giacomo, P. News from the BIPM. Metrol. 20 (1), 25-30 (1984).
  12. Chang, T. Y., Bridges, T. J. Laser action at 452, 496 and 541 µm in optically pumped CH3F. Opt. Commun. 1 (9), 423-426 (1970).
  13. Douglas, N. G. Millimetre and Submillimetre Wavelength Lasers: A Handbook of CW Measurements. Walter, H. 61, Springer Series in Optical Sciences. Springer-Verlag. (1989).
  14. Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C., Zink, L. R., Evenson, K. M. 12CH2F2 and 13CH2F2 far-infrared lasers: New lines and frequency measurements. Int. J. Infrared Millim. Waves. 18 (12), 2301-2306 (1997).
  15. Jackson, M., Alves, H., Holman, R., Minton, R., Zink, L. R. New cw optically pumped far-infrared laser emissions generated with a transverse or ‘zig-zag’ pumping geometry. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 35 (3), 282-287 (2014).
  16. Danielewicz, E. J. The optically pumped difluoromethane far-infrared laser. Reviews of Infrared and Millimeter Waves. Button, K. J., Inguscio, M., Strumia, F. 2, Plenum. 223-250 (1983).
  17. Deroche, J. C., Benichou, E. K., Guelachvili, G., Demaison, J. Assignments of submillimeter emissions in difluoromethane pumped by 12C18O2 and 12C18O2 lasers. Int. J. Infrared Millim. Waves. 7 (10), 1653-1675 (1986).
  18. Jackson, M., Zink, L. R., McCarthy, M. C., Perez, L., Brown, J. M. The far-infrared and microwave spectra of the CH radical in the v = 1 level of the X2Π. J. Mol. Spectrosc. 247 (2), 128-139 (2008).
  19. Zhao, S., Lees, R. M. CH318OH: Assignment of FIR laser lines optically pumped in the in-plane CH3-rocking band. J. Mol. Spectrosc. 168 (1), 67-81 (1994).
  20. Evenson, K. M., Saykally, R. J., Jennings, D. A., Curl, R. F., Brown, J. M. Far infrared laser magnetic resonance. Chemical and Biochemical Applications of Lasers. 5, Academic Press. 95-138 (1980).
  21. Hocker, L. O., Sokoloff, D. R., Daneu, V., Szoke, A., Javan, A. Frequency mixing in the infrared and far-infrared using a metal-to-metal point contact diode. Appl. Phys. Lett. 12 (12), 401-402 (1968).
  22. Daneu, V., Sokoloff, D., Sanchez, A., Javan, A. Extension of laser harmonic-frequency mixing techniques into the 9 μ region with an infrared metal-metal point-contact diode. Appl. Phys. Lett. 15 (12), 398-400 (1969).
  23. Jennings, D. A., Evenson, K. M., Knight, D. J. E. Optical Frequency Measurements. Proc. IEEE. 74 (1), 168-179 (1986).
  24. Zink, L. R. Highly accurate molecular constants for CO, HF, HCl, OH, NaH, MgH, and O2: Rotational transition frequencies measured with tunable far infrared radiation [thesis]. , University of Colorado. (1986).
  25. Xu, L. -H., et al. Methanol and the optically pumped far-infrared laser. IEEE J. Quantum Elect. 32 (3), 392-399 (1996).
  26. Jackson, M., Zink, L. R., Garrod, T. J., Petersen, S., Stokes, A., Theisen, M. The generation and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions. IEEE J. Quantum Elect. 41 (12), 1528-1532 (2005).
  27. Jackson, M., Smith, M., Gerke, C., Barajas, J. M. Measurement of far-infrared laser frequencies from methanol isotopologues. IEEE J. Quantum Elect. 51 (4), 1500105(2015).
  28. Freed, C., Javan, A. Standing-wave saturation resonances in the CO2 10.6 μ transitions observed in a low-pressure room-temperature absorber gas. Appl. Phys. Lett. 17 (2), 53-56 (1970).
  29. DeShano, B., Olivier, K., Cain, B., Zink, L. R., Jackson, M. Using guide wavelengths to assess far-infrared laser emissions. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 36 (1), 13-30 (2015).
  30. Jackson, M., Nichols, A. J., Womack, D. R., Zink, L. R. First laser action observed from optically pumped CH317OH. IEEE J. Quantum Elect. 48 (3), 303-306 (2012).
  31. Inguscio, M., Moruzzi, G., Evenson, K. M., Jennings, D. A. A review of frequency measurements of optically pumped lasers from 0.1 to 8 THz. J. Appl. Phys. 60 (12), R161-R191 (1986).
  32. Pereira, D., et al. A review of optically pumped far-infrared laser lines from methanol isotopes. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (1), 1-44 (1994).
  33. Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C. Far infrared laser lines produced by methanol and its isotopic species: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (5), 889-933 (1994).
  34. Moruzzi, G., Winnewisser, B. P., Winnewisser, M., Mukhopadhyay, I., Strumia, F. Microwave, Infrared and Laser Transitions of Methanol: Atlas of Assigned Lines from 0 to 1258 cm-1. , CRC Press. FL. (1995).
  35. Handbook of Laser Wavelengths. Weber, M. J. , CRC Press. FL. (1999).
  36. De Michele, A., et al. FIR laser lines from CH3OD: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 25 (5), 725-734 (2004).
  37. De Michele, A., Carelli, G., Moruzzi, G., Moretti, A. Hydrazine far-infrared laser lines and assignments: a review. J. Opt. Soc. Am. B. 22 (7), 1461-1470 (2005).
  38. Moraes, J. C. S., et al. Experimental investigation of 13CD3OH infrared transitions by means of optoacoustic spectroscopy. Int. J. Infrared Millim. Waves. 13 (11), 1801-1823 (1992).
  39. Viscovini, R. C., Scalabrin, A., Pereira, D. Infrared optoacoustic spectroscopy of 13CD3OD around the 10R and 10P CO2 laser lines. Int. J. Infrared Millim. Waves. 17 (11), 1821-1838 (1996).
  40. Maki, A. G., Chou, C. C., Evenson, K. M., Zink, L. R., Shy, J. T. Improved molecular constants and frequencies for the CO2 laser from new high-J regular and hot-band frequency measurements. J. Mol. Spectrosc. 167 (1), 211-224 (1994).
  41. Douglas, N. G., Krug, P. A. CW laser action in ethyl chloride. IEEE J. Quantum Elect. 18 (10), 1409-1410 (1982).
  42. Schwaller, P., Steffen, H., Moser, J. F., Kneubühl, F. K. Interferometry of resonator modes in submillimeter wave lasers. Appl. Opt. 6 (5), 827-829 (1967).
  43. Steffen, H., Kneubühl, F. K. Resonator interferometry of pulsed submillimeter-wave lasers. IEEE J. Quantum Elect. 4 (12), 992-1008 (1968).
  44. Whitbourn, L. B., Macfarlane, J. C., Stimson, P. A., James, B. W., Falconer, I. S. An experimental study of a cw optically pumped far infrared formic acid vapour laser. Infrared Phys. 28 (1), 7-20 (1988).
  45. Belland, P., Véron, D., Whitbourn, L. B. Mode study, beam characteristics and output power of a cw 337 μm HCN waveguide laser. J. Phys. D: Appl. Phys. 8 (18), 2113-2122 (1975).
  46. Inguscio, M., Ioli, N., Moretti, A., Strumia, F., D'Amato, F. Heterodyne of optically pumped FIR molecular lasers and direct frequency measurement of new lines. Appl. Phys. B. 40 (3), 165-169 (1986).
  47. Carelli, G., et al. CH318OH: FIR laser line frequency measurements and assignments. Infrared Phys. Technol. 35 (6), 743-755 (1994).
  48. Pearson, J. C., Müller, H. S. P., Pickett, H. M., Cohen, E. A., Drouin, B. J. Introduction to submillimeter, millimeter and microwave spectral line catalog. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 111 (11), 1614-1616 (2010).
  49. Ehasz, E. J., Goyette, T. M., Giles, R. H., Nixon, W. E. High-resolution frequency measurements of far-infrared laser lines. IEEE J. Quantum Elect. 46 (4), 474-477 (2010).
  50. Pearson, J. C., Drouin, B. J., Yu, S., Gupta, H. Microwave spectroscopy of methanol between 2.48 and 2.77 THz. J. Opt. Soc. Am. B. 28 (10), 2549-2577 (2011).
  51. Consolino, L., et al. Phase-locking to a free-space terahertz comb for metrological-grade terahertz lasers. Nat. Commun. 3, Article No. 1040(2012).
  52. Bartalini, S., et al. Frequency-comb-assisted terahertz quantum cascade laser spectroscopy. Phys. Rev. X. 4 (2), 021006(2014).
  53. Finneran, I. A., Good, J. T., Holland, D. B., Carroll, P. B., Allodi, M. A., Blake, G. A. Decade-spanning high-precision terahertz frequency comb. Phys. Rev. Lett. 114 (16), Article No. 163902(2015).
  54. De Natale, P., et al. Quantum cascade laser THz metrology. Proc. SPIE.. 9370 Quantum Sensing and Nanophotonic Devices XII, , 93701D(2015).
  55. Dickinson, J. C., Goyette, T. M., Waldman, J. High resolution imaging using 325 GHz and 1.5 THz transceivers. 15th International Symposium on Space Terahertz Technology Proceedings, , 373-380 (2004).
  56. Vasconcellos, E. C. C., Zerbetto, S. C., Holecek, J. C., Evenson, K. M. Short-wavelength far-infrared laser cavity yielding new lines in methanol. Opt. Lett. 20 (12), 1392-1393 (1995).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים