遠赤外線レーザーの排出量とその周波数の測定を特徴付けます

本手順の全体的な目的は、極遠赤外線レーザー放射を生成し、3波ヘテロダイン法を用いて生成されたレーザー放出の周波数を測定することです。これは、まず二酸化炭素レーザー放射を極遠赤外線レーザー共振器に導入することによって達成されます。次に、両方のレーザー共振器の動作パラメータを変化させて極遠赤外線レーザー放射を生成し、検出された放射をオシロスコープで観察します。

次に、遠赤外線を2つの参照用二酸化炭素レーザー周波数と混合させます。その後、得られたビート周波数を特定します。最後のステップとして、複数のビート周波数を測定し、遠赤外線レーザー周波数を算出します。

最終的に、本研究では3波ヘテロダイン法を用いて、Dioraメタンによって生成された8つの遠赤外レーザー周波数を測定しました。このように、本手法による結果から、レーザー発振分子の分光学的知見を得ることが初めて可能となりました。また、本手法は高分解能分光法、電波天文学、テラヘルツイメージングなど、高精度な周波数を必要とするシステムにも応用可能です。

イメージング：適切な保護メガネを着用し、有害な可能性のあるレーザー放射への対策を講じてください。プロトコルのこの部分では、二酸化炭素レーザーと研磨された銅製遠赤外線レーザーキャビティを使用します。この概略図は、これら2つの配置の概要を示しています。

二酸化炭素レーザーで遠赤外線レーザー共振器をポンピングします。共振器内には希釈メタンを充填します。本実験では、遠赤外線レーザーの出力は金属・絶縁体・金属（MIM）点接触DDE検出器で検出します。まず、二酸化炭素レーザーを目的のレーザー遷移である9 R 28に設定して開始します。

レーザーの出力端にビームストップを配置します。次に、ビームストップ上のビーム強度を最大にするように、レーザーのマイクロメーターダイヤルを回転させます。さらに、最大強度を得るためにレーザーのグレーティングの傾きを調整します。

二酸化炭素レーザーの出力が最適化されるまで、マイクロメータDIOとグレーティングの調整を続けます。調整が完了したら、光路からビームストッパーを取り除きます。次に、ポンプレーザーの光路にオプティカルチョッパーを設置し、電源を入れてアライメントを行います。

次に、遠赤外線レーザー共振器を準備するため、ジフルオロメタンシリンダーのバルブを開き、共振器内に媒体として導入します。導入ラインの計量バルブを調整し、圧力がおよそ 10 pascal または 75 milit tour になるようにします。

次に、共振器の出力結合ミラーを調整します。ミラーに取り付けられた外部ロッドを使用して、校正済み目盛りの読みから共振器の中央から約1cmの位置にミラーを配置します。続いて、検出器の出力がオシロスコープに接続されていることを確認してください。

次に、遠赤外線共振器内の遠赤外線レーザー放射の探索準備を行います。内部の可動レーザーミラーを調整するために、校正済みのマイクロメータダイヤルを使用してください。同時に、二酸化炭素レーザーの圧電トランスデューサへの印加電圧を制御し、レーザー周波数を調整します。

レーザー発光が検出されると、オシロスコープの波形は発光なしを示す平坦な線から方形波へと変化します。遠赤外レーザー発光の存在を示すこの信号強度は、次へ進む前に最適化する必要があります。その後、マイクロメーターのダイヤルで特定の共振器モードの位置を記録します。

マイクロメーターダイヤルを時計回りに回して、次のモードを探します。オシロスコープのトレースが平坦になることを確認してください。その後、別の矩形波を表示させます。

合計21個のモードが見つかるまで、ダイヤルを時計回りに回転させ続けます。ダイヤルの最終位置を記録し、それを用いて放出される光の波長を求めます。遠赤外線のレーザー周波数を決定するには、2台の二酸化炭素参照レーザーを使用してください。

この概略図は、2本の参照レーザー、ポンプレーザー、および遠赤外共振器を含む完全なセットアップを示しています。この構成は3レーザーヘテロダイン法によるもので、2本の参照レーザーは、その周波数差が、測定された波長から算出される遠赤外周波数の数GHz以内に収まるように設定されています。まず、参照レーザーの共線路上にあるビームストップから開始してください。

1本の参照レーザーの出力を用い、パワーメーターで測定します。パワーの読み取り値を確認しながらレーザーのマイクロメーターをゆっくりと動かし、最大パワーに相当する位置に設定します。設定後、アレンレンチを使用してグレーティングの傾きを変え、微調整を行います。

出力電力を最適化するために、これら2つの操作を繰り返します。各参照レーザーの出力電力を最適化した後、各レーザーのアイリスを調整してください。各レーザーは、ビーム光路上のパワーメーターに約100ミリワットの電力を供給する必要があります。

次に、ポンプレーザーのビームを遮断します。続いて、参照レーザーの共通光路にあるビームストップを光学チョッパーに置き換えます。この状態でオシロスコープの信号をモニターし、検出器に集光される放射光が最大になるように調整します。

基準レーザーを使用します。2番目の基準レーザーを遮断し、平凸レンズを用いて1番目の基準レーザーからのビームを検出器に集光させます。次に、1番目の基準ビームを遮断し、2番目の基準ビームの遮断を解除します。

ビームスプリッターを調整し、2番目の参照レーザーからの検出器への信号を最大化します。それぞれのケースにおいて、オシロスコープを確認しながら調整を停止してください。ピークトップ信号が最適化されたら、ビームストップを共線参照レーザーの光路に戻します。

ポンプレーザーからビームストップを取り除きます。次に、オシロスコープで遠赤外線放射の出力電力をモニターします。この例では、電力はすでに最適化されています。

出力を最適化した後、金属絶縁体金属（MIM）ダイオード検出器をオシロスコープから切り離します。アンプを介して検出器をスペクトラムアナライザーに接続します。この時点で、ポンプ光および参照光の光路からすべてのビームストップと光学チョッパーを取り除いてください。

次に、スペクトラムアナライザーを使用してビート信号の探索を開始します。アナライザーを40 megahertzのスパンに設定し、1.5 gigahertz刻みでビート信号を探索してください。ビート信号が見つかった時点で停止します。信号が検出されたら、基準周波数の安定化を開始します。

1本の参照レーザーに焦点を合わせ、その圧電トランスデューサに0から900 Vの電圧を印加し、蛍光参照セルの信号がラム・ディップの中心にくるように調整します。ロックインアンプを起動して信号をラム・ディップの中心に保持し、同様の手順を2本目の参照レーザーに対しても繰り返し、ビート周波数を測定します。スペクトラムアナライザ上でビート信号を中心させ、ディスプレイ上の表示サイズが最大になるように振幅を調整します。

スペクトラムアナライザを設定し、特定の共振器モードにおける瞬時信号を青色で、最大信号を黄色で同時に表示させます。遠赤外線レーザー共振器のマイクロメータダイヤルを前後に回転させます。スペクトラムアナライザに表示されるゲイン曲線を観察します。

対称になったら、ビュー機能を使用して最大信号のトレースをフリーズさせ、ビート周波数の符号を決定します。マイクロメータダイヤルを時計回りにわずかに回転させたときのビート周波数のシフトに注意してください。中心周波数のビート信号を測定するには、最大値のトレースによって生成された対称パターンの半値全幅の点にマーカーを配置します。

次に、スペクトラムアナライザのスパンペア機能を使用します。以下は、本プロトコルを用い、遠赤外線共振器にジフルオロメタンを使用した際に初めて測定された遠赤外線レーザー周波数の平均値です。平均値は、少なくとも2組の異なる二酸化炭素基準レーザー線を用いて行われた、12回以上の測定結果に基づいています。

強調表示された行は、新しく発見されたレーザー放出に対応しています。システム固有の不確かさの評価および既報の周波数との比較から、1シグマの相対不確かさは10⁷分の5であることが示唆されます。新しいレーザー放出は、制御後、1000 mWから100 mWの範囲の出力を持つことが観察されました。

この手法を用いることで、1〜2時間ほどで強力なレーザー放射の頻度を正確に決定できます。赤外線レーザーおよび外部の赤外線レーザーを取り扱うことは極めて危険であるため、本手順の実施にあたっては、適切な眼の保護、換気、および電気的・水的な危険性に重点を置いた装置の繰り返し点検を含む予防措置を講じることを忘れないでください。