אפיון פליטות לייזר רחוק אינפרה-אדומות והמדידה של התדרים שלהם

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להפיק קרינת לייזר בתחום האינפרא-אדום הרחוק ולמדוד את התדרים של פליטות הלייזר שהופקו באמצעות טכניקת הטרודיין של שלושה לייזרים. דבר זה מושג תחילה על ידי שליחת קרינת לייזר של פחמן דו-חמצני אל תוך חלל לייזר בתחום האינפרא-אדום הרחוק. השלב השני הוא שינוי פרמטרי ההפעלה של שני חללי הלייזר כדי להפיק קרינת לייזר בתחום האינפרא-אדום הרחוק ולצפות בקרינה שהתגלתה באמצעות אוסילוסקופ.

בשלב הבא, קרינת האינפרא-אדום הרחוק מעורבבת עם שני תדרי ייחוס של לייזר פחמן דו-חמצני. לאחר מכן, מזוהה תדר העקיפה (beat frequency) שנוצר. השלב הסופי הוא מדידת תדרי עקיפה מרובים כדי לחשב את תדירות לייזר האינפרא-אדום הרחוק.

בסופו של דבר, במהלך חקירה זו, נעשה שימוש בטכניקת ההטרודיין של שלושה לייזרים כדי למדוד שמונה תדרי לייזר באינפרא-אדום רחוק שנוצרו על ידי מתאן של Diora. לראשונה, תוצאות שיטה זו יכולות לספק תובנות לגבי הספקטרוסקופיה של המולקולה הלייזרית. ניתן ליישם אותה גם במערכות הדורשות תדרים מדויקים, כגון ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה, רדיו-אסטרונומיה והדמיה בתדר טרה-הרץ.

דימות הכינו את עצמכם לעבודה עם קרינת לייזר שעלולה להיות מסוכנת על ידי חבישת מיגון עיניים מתאים. חלק זה של הפרוטוקול ישתמש בלייזר פחמן דו-חמצמני ובחלל לייזר אינפרא-אדום רחוק מנחושת מלוטשת. סכימה זו מספקת סקירה כללית של אופן סידורם של השניים.

לייזר הדו-חמצן (carbon dioxide) ינחיר את חלל הלייזר באינפרא-אדום הרחוק, שיהיה מלא במתאן מדולל. בניסוי זה, פלט הלייזר באינפרא-אדום הרחוק יזוהה באמצעות גלאי DDE מסוג מגע נקודתי של מתכת-מבודד-מתכת. התחל בעבודה עם לייזר הדו-חמצן כשהוא מכוון למעבר הלייזר הרצוי, תשע R שתיים שמונה.

מקמו מעצור קרן (beam stop) ביציאה של הלייזר. כעת, סובבו את חוגת המיקרומטר של הלייזר כדי למקסם את עוצמת הקרן על מעצור הקרן. בנוסף, כווננו את נטיית הגרידינג (grading) של הלייזר כדי להשיג את העוצמה המרבית.

המשיכו לכוונן את ה-DIO של המיקרומטר ואת הדירוג עד שהספק הפלט של לייזר ה-carbon dioxide ייראה אופטימלי. בסיום, הסירו את מעצר הקרן (beam stop) מנתיב הקרן. לאחר מכן, הדליקו וכווןו chopper אופטי בנתיב הקרן של לייזר המשאבה (pump laser).

המשך. כדי להכין את חלל הלייזר באינפרא-אדום הרחוק, פתח את השסתום של בלוני הדי-פלואורו-מתאן כדי להחדירו כתווך לחלל. כוונן את שסתום המדידה בקו הכניסה כך שיושג לחץ של כ-10 pascal או 75 milit tour.

עברו כעת לכיוון מראת הצימוד של הפלט של החלל. השתמשו במוט חיצוני המחובר למראה כדי לקבוע את מיקום המראה במרחק של כסנטימטר אחד ממרכז החלל, כפי שנקרא מסרגל הכיול. לאחר מכן, ודאו שמוצא הגלאי מחובר לאוסילוסקופ.

לאחר מכן, התכוננו לחיפוש קריאת לייזר באינפרה-אדום רחוק בחלל האינפרה-אדום הרחוק. השתמשו בחוגה המיקרומטרית המכוילת כדי לכוון את מראת הלייזר הניידת שבפנים. במקביל, בקר את המתח המופעל על המתמר הפסואו-אלקטרי של לייזר הפחמן הדו-חמצני כדי לכוון את תדר הלייזר.

כאשר מזוהה פליטת לייזר, צורת הגל באוסצילוסקופ תשתנה מקו שטוח המייצג היעדר פליטה לצורת גל מרובע. מכיוון שהסוגה מייצגת נוכחות של פליטת לייזר באינפרה-אדום רחוק, יש למקסם את עוצמת האות לפני ההמשך. לאחר מכן, רשום את מיקומו של אופן חלל המערה הספציפי על גבי חוגת המיקרומטר.

סובב את חוגת המיקרומטר עם השעון כדי למצוא את המצב הבא. צפה בעקבה של האוסילוסקופ כשהיא הופכת לשטוחה. לאחר מכן, הצג גל ריבוע נוסף.

המשיכו לסובב את החוג clockwise עד שיימצאו סך הכל 21 אופני תנודה (modes). רשמו את המיקום הסופי של החוג והשתמשו בו כדי למצוא את אורך הגל של הפליטה. כדי לקבוע את תדרי הלייזר באינפרה-אדום הרחוק, השתמשו בשני לייזרי פחמן דו-חמצני (carbon dioxide) כייחוס.

סכימה זו מתארת את ההערכה המלאה עם שני לייזרי הייחוס, לייזר השאיבה וחלל האינפרא-אדום הרחוק. התצורה היא עבור טכניקת הטרודיין עם שלושה לייזרים, ושני לייזרי הייחוס מכוונים כך שההפרש בין התדרים שלהם הוא במסגרת של מספר ג'יגה-הרץ מהתדר האינפרא-אדום הרחוק שחושב מאורך הגל שנמדד. התחילו עם מעצר קרן (beam stop) בנתיב הקולינארי של לייזרי הייחוס.

עבדו עם הפלט של לייזר ייחוס אחד ומדדו אותו באמצעות מד הספק. הזו את המיקרומטר של הלייזר באיטיות תוך מעקב אחר קריאת ההספק, והגדירו אותו למ position המתאימה להספק המקסימלי. לאחר ההגדרה, השתמשו במפתח אלן כדי לבצע כיוונים עדינים על ידי שינוי זווית ההטיה של ה-grading.

חזרו על הפעולה בין השניים כדי לאפטם את הספק הפלט. לאחר אופטימיזציה של הספק הפלט של כל לייזר ייחוס, כוונו כל אחד ממסעפי הלייזר. כל לייזר צריך לספק הספק של כ-100 milliwatts למד ההספק שנמצא במסלול הקרן.

המשך על ידי חסימת הקרן מלייזר המשאבה. לאחר מכן, החלף את מעצר הקרן בנתיב המשותף של לייזרי הייחוס בקוצץ אופטי (optical chopper). כעת עקוב אחר אות האוסצילוסקופ ופעל למקסום הקרינה הממוקדת על הגלאי.

ממספרי הלייזרים של הייחוס. חסמו את לייזר הייחוס השני והשתמשו בעדשה קמורה-שטוחה (plano convex) כדי למקד את הקרן מלייזר הייחוס הראשון על הגלאי. לאחר מכן, חסמו את קרן הייחוס הראשונה והסירו את החסימה מקרן הייחוס השנייה.

כוון את מפצל האלומה כדי למקסם את האות מהלייזר הייחוס השני על הגלאי. עבור כל מקרה, עקוב אחר האוסциלוסכופ והפסק. כאשר אות שיא האות מותאם (optimized), החזר את מעצר האלומה לנתיב לייזר הייחוס הקולינארי.

הסר את מעצר קרן הלייזר (beam stop) מהלייזר של המשאבה. כעת עקב אחר הספק הפלט של פליטת האינפרא-אדום הרחוק באוסצילוסקופ. במקרה זה, ההספק כבר עבר אופטימיזציה.

לאחר אופטימיזציה של ההספק, נתק את גלאי הדיודה מסוג מתכת-מבודד-מתכת (metal insulator metal diode detector) מהאוסצילוסקופ. חבר את הגלאי באמצעות מגבר למנתח ספקטרום. בשלב זה, הסר את כל חסמי הקרן ומקטיעי האור (optical choppers) מנתיבי קרן המשאבה וקרן הייחוס.

בשלב הבא, התחילו בחיפוש אחר אות הפעימה (beat signal) באמצעות מנתח הספקטרום; הגדירו את המנתח למפתח (span) של 40 megahertz וחפשו את אות הפעימה במרווחים של 1.5 gigahertz. עצרו כאשר אות פעימה יימצא. ברגע שהאות נמצא, התחילו בייצוב תדרי הייחוס.

התמקד בלייזר ייחוס אחד והחל בין 0 ל-900 וולט על המתמר הפיזואלקטרי שלו, כדי שהאות מתא תייחוס הפלואורסצנציה שלו יהיה במרכז ה-lamb dip; הפעל מגבר lock-in כדי לשמור על האות במרכז ה-lamb dip, וחזור על אותם השלבים עבור לייזר הייחוס השני כדי למדוד את תדר ההבטות (beat frequency). מרכז את אות ההבטות במנתח הספקטרום וכייל את האמפליטודה שלו כדי למקסם את גודלו על התצוגה.

הגדירו את מנתח הספקטרום להצגה סימולטנית של האות המיידי בכחול והאות המקסימלי בצהוב עבור אופן חלל נתון. סובבו את חוגת המיקרומטר של חלל לייזר האינפרא-אדום הרחוק קדימה ואחורה. צפו בעקומת ההגבר הנוצרת במנתח הספקטרום.

לאחר שהדגם סימטרי, השתמש בתכונת התצוגה כדי להקפיא את העקבה של האות המקסימלי כדי לקבוע את הסימן של תדר הפעימה. שים לב להסחה בתדר הפעימה כאשר חוליית המיקרומטר מסובבת מעט עם כיוון השעון. כדי למדוד את אות הפעימה של תדר המרכז, מקם סמנים בנקודות הרוחב המלא למחצית מהגובה המקסימלי (FWHM) של הדגם הסימטרי שנוצר על ידי עקבת המקסימום.

לאחר מכן, השתמשו בתכונת זוג המרווחים (span pair) של מנתח הספקטרום. להלן תדרי לייזר של אינפרא-אדום רחוק שנמדדו בממוצע לראשונה באמצעות פרוטוקול זה ובשימוש ב-di fluoro methane בחלל האינפרא-אדום הרחוק. הממוצעים מבוססים על לפחות 12 מדידות שבוצעו עם לפחות שתי קבוצות שונות של קווי לייזר של פחמן דו-חמצני המשמשים כנקודות ייחוס.

השורות המודגשות תואמות לפליטות לייזר שהתגלו לאחרונה. הערכת האי-ודאות הגלומה במערכת והשוואה לתדרים שדווחו בעבר מצביעות על אי-ודאות שברית של סטיית תקן אחת של חמישה חלקים מתוך 10 מיליון. נצפה כי לפליטות הלייזר החדשות יש הספק בטווח שבין 1/1000 ל-1/100 של מיליוואט לאחר כיול.

ניתן להשתמש בטכניקה זו כדי לקבוע במדויק את תדירות פליטות הלייזר החזקות בתוך כשעה או שעתיים. אין לשכוח כי עבודה עם לייזרים באינפרא-אדום ולייזרים זרים באינפרא-אדום עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט באמצעי זהירות הכוללים הגנה מתאימה על העיניים, אוורור ובדיקה חוזרת של הציוד עם דגש על סכנות חשמל ומים בעת ביצוע הליך זה.