Methodenartikel

Karakteriseren van Ver-infrarood laser emissies en het meten van hun frequenties

11.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53399

⸱

18 december 2015

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

In dit artikel

Samenvatting

We beschrijven de generatie van ver-infraroodstraling met behulp van een optisch gepompte moleculaire laser, samen met de meting van hun frequenties met heterodyne technieken. Het experimentele systeem en de technieken worden gedemonstreerd met behulp van difluormethaan (CH2F2) als lasermedium, waarvan de resultaten drie nieuwe laseremissies en acht gemeten laserfrequenties omvatten.

Samenvatting

De generatie en de daaropvolgende meting van ver-infrarode straling heeft tal van toepassingen in hoge-resolutie spectroscopie, radioastronomie, en Terahertz imaging gevonden. Voor ongeveer 45 jaar, heeft het genereren van coherent, ver-infrarode straling bewerkstelligd met de optisch gepompte moleculaire laser. Zodra ver-infrarode laserstraling wordt gedetecteerd, worden de frequenties van deze laser, gemeten met een drie-laser heterodyne techniek. Met deze techniek, de onbekende frequentie van de optisch gepompte laser molecuulgewicht wordt gemengd met de verschilfrequentie tussen twee gestabiliseerde, infrarood referentiefrekwenties. Deze referentiefrequenties worden gegenereerd door onafhankelijke kooldioxidelasers elk gestabiliseerd met het fluorescentiesignaal uit een externe lagedruk referentiecel. De resulterende ritme tussen de bekende en onbekende laserfrequenties wordt bewaakt door een metaal-isolator-metaal punt contact diode detector waarvan de uitgang is waargenomen op plukjeTrum analyzer. De slagfrequentie tussen deze laseremissies wordt vervolgens gemeten en gecombineerd met de bekende referentiefrekwenties de onbekende verre-infrarode laser frequentie extrapoleren. De resulterende één sigma fractionele onzekerheid voor laserfrequenties gemeten met deze techniek is ± 5 delen 10 7. Nauwkeurig bepalen van de frequentie van verre-infrarode laser emissie is kritiek omdat ze vaak worden gebruikt als referentie voor andere metingen, zoals in high -Resolutie spectroscopische onderzoeken van vrije radicalen met behulp van laser magnetische resonantie. Als onderdeel van dit onderzoek, difluormethaan, CH2F 2, werd gebruikt als het verre-infrarode laser medium. In totaal werden acht ver-infrarood laser frequenties gemeten voor de eerste keer met frequenties variërend 0,359-1,273 THz. Drie van deze laseremissies werden ontdekt bij het ​​onderzoek en worden gemeld bij hun optimale werkdruk, polarisatie ten opzichte van de CO 2

Inleiding

De meting van ver-infrarood laser frequenties werd voor het eerst uitgevoerd door Hocker en collega's in 1967. Zij gemeten de frequenties voor de 311 en 337 micrometer emissies van de directe lozing waterstofcyanide laser door ze te mengen met een hoge orde harmonischen van een magnetron signaal in een silicium diode 1. Om hogere frequenties te meten, werd een reeks van lasers en harmonische menginrichtingen gebruikt om de laser 2 harmonischen genereren. Uiteindelijk twee gestabiliseerde kooldioxide (CO 2) lasers gekozen synthetiseren noodzakelijke verschilfrequenties 3,4. Tegenwoordig kunnen ver-infrarode laser frequenties tot 4 THz gemeten worden met deze techniek met alleen de eerste harmonische van de verschilfrequentie opgewekt door twee gestabiliseerde CO2 lasers referentie. Hogere emissies frequentie laser kan ook worden gemeten met de tweede harmonische, zoals 9 THz laseremissies van methanol isotopologen CHD 2 OH en CH3 18 OH. 5,6 Door de jaren heen, de nauwkeurige meting van de laser frequenties heeft een aantal wetenschappelijke experimenten 7,8 beïnvloed en mogen de invoering van een nieuwe definitie van de meter door de Algemene Conferentie voor maten en gewichten in Parijs 1983. 9 - 11

Heterodyne technieken, zoals beschreven, hebben enorm gunstig bij het meten van verre-infrarode laser frequenties gegenereerd door optisch gepompte lasers moleculaire geweest. Sinds de ontdekking van de moleculaire optisch gepompte laser door Chang en bruggen 12, duizenden optisch gepompte verre-infrarode laser emissie werden gemaakt met verschillende lasermedia. Bijvoorbeeld, difluormethaan (CH 2 F 2) en de isotopologen genereren dan 250 laseremissies als optisch gepompt door een CO2 laser. De golflengten variëren van ongeveer 95,6 urn om 1.714,1 13. - 15 Bijna 75% van deze laser-uitstoot hebben hun frequenties gemeten terwijl een aantal zijn spectroscopisch toegewezen 16-18.

Deze lasers, en hun nauwkeurig gemeten frequenties, hebben een cruciale rol gespeeld in de vooruitgang van de hoge-resolutie spectroscopie. Ze bieden belangrijke informatie voor infrarode spectrale studies van de laser gassen. Vaak laserfrequenties gebruikt om de analyse van de nabije en verre infrarood spectra geverifieerd omdat zij verbindingen tussen de aangeslagen vibratiestaat niveaus die vaak rechtstreeks toegankelijk vanuit absorptiespectra 19. Ze dienen ook als de bron primaire straling voor studies die van voorbijgaande aard, van korte duur vrije radicalen met de laser magnetische resonantie techniek 20. Met deze uiterst gevoelige techniek, rotatie en ro-vibratie Zeeman spectra in paramagnetische atomen, moleculen en moleculaire ionen kunnen worden recorded en samen met de mogelijkheid om de reactiesnelheden gebruikt om deze vrije radicalen te creëren onderzoeken geanalyseerd.

In dit werk, een optisch gepompte laser moleculaire zie figuur 1, is gebruikt om verre-infrarode laser straling uit difluormethaan genereren. Dit systeem bestaat uit een continue golf (cw) CO 2 pomplaser en een ver-infrarood laser holte. Een spiegel intern in de verre-infrarode laser holte leidt de CO 2 laserstraling door het gepolijste koperen buis 20 6 reflecties ondergaat alvorens eindigt aan het einde van de holte, verstrooiing resterende pompstraling. Daarom is het ver-infrarood lasermedium wordt aangeslagen met een dwarse pompen geometrie. Om laserwerking te genereren, worden meerdere variabelen aangepast, wat tegelijk, en al vervolgens geoptimaliseerd eenmaal laserstraling waargenomen.

In dit experiment wordt ver-infrarode laserstraling gevolgd door een metaal-insulator-metaal (MIM) punt contact diode detector. De MIM diode detector werd gebruikt voor laser frequentiemetingen sinds 1969. 21 - 23 In laser frequentiemetingen, het MIM diode detector een harmonisch menger tussen twee of meer stralingsbronnen invallend op de diode. De MIM diode detector bestaat uit een scherp Tungsten draad contact een optisch gepolijst Nikkel basis 24. De nikkel basis heeft een natuurlijk voorkomend dunne oxidelaag die de isolerende laag.

Zodra een laser emissie werd waargenomen, zijn golflengte, polarisatie, sterkte en geoptimaliseerde werkdruk werden opgenomen terwijl de frequentie werd gemeten met de drie heterodyne laser techniek 25 - 27 volgens de werkwijze die oorspronkelijk beschreven in Ref. 4. Figuur 2 toont de optisch gepompte moleculaire laser met twee extra cw CO 2 verwijzing lasers met onafhankelijke frequentie stabilization systemen die het Lam duik in de 4.3 micrometer fluorescentie-signaal te gebruiken van een externe, lage druk celverwijzing 28. Dit manuscript beschrijft de werkwijze voor het zoeken naar verre-infrarode laser emissie alsook de methode voor het schatten van de golflengte en het nauwkeurig bepalen van de frequentie. Bijzonderheden over de drie heterodyne laser-techniek en de verschillende componenten en de bedrijfsparameters van het systeem is te vinden in tabel A brief tezamen met referenties 4, 25-27, 29 en 30.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Planning van Experimenten

  1. Een enquête van de literatuur eerdere werk te beoordelen uitgevoerd met behulp van de laser medium van belang, die voor dit experiment is CH 2 F 2. Identificeer alle bekende laseremissies samen met informatie over de lijnen zoals de golflengte en frequentie. Verschillende onderzoeken van bekende laseremissies beschikbaar 13,31 - 37.
  2. Compileren alle spectroscopische onderzoek van het molecuul gebruikt als de laser medium met een focus op eerdere Fourier-transformatie 34 en opto-akoestische studies 38,39.

2. Het genereren van ver-infrarood laser Emissies

  1. Veiligheid Overzicht.
    1. Het ontwikkelen van een standaard procedure voor het laboratorium dat de juiste oogbescherming omvat bij het ​​werken met de CO 2 en ver-infrarood lasersystemen.
  2. Uitlijning en kalibratie.
    1. Kalibreren elke CO 2 laser behulp van een raster-gebaseerde spectrum analyzer ontworpen voor de CO2 laser volgens het protocol van de fabrikant.
    2. Lijn de eindspiegels en koppelspiegel in het verre-infrarode laser holte met behulp van een He-Ne laser, zodat hun straling wordt gefocusseerd op het MIM diode detector.
    3. Richt de straling uit de CO 2 pomplaser in de verre-infrarode laser holte door een natriumchloride venster onder een hoek van ongeveer 72 o ten opzichte van de holle as.
    4. Richt de straling van de twee CO 2 verwijzing lasers om ofwel hun respectieve lagedruk fluorescentie celverwijzing of co-lineair op de MIM diode detector met bundelsplitsers en extra spiegels.
  3. Detectie van verre-infrarode laserstraling.
    1. Pools de Nikkel basis om de paar dagen met een standaard metalen polish.
    2. Krimp een 25 urn wolfraam draad in een koperen post en buig de draad in de configuratie in figuur 3.
    3. Pas de lengte van de draad zodat het 10 tot 20 golflengten van de straling te meten.
    4. Elektrochemisch etsen het uiteinde van de draad in een verzadigde natriumhydroxide (NaOH) oplossing door een spanning (ongeveer 3,5 tot 5 VAC) aan de oplossing.
    5. Re-etsen van de tip met een lage spanning (minder dan 1 VAC). Dit ruwer het uiteinde van de draad en verbetert de prestaties van de diode.
    6. Spoel de draad met gedestilleerd water.
    7. Plaats de koperen paal in de behuizing van de MIM diode's zodra de draad droog is.
    8. Plaats de draad in contact met nikkelbasis met een fijne schroef en niveausysteem. Contacten hetgeen een weerstand over de diode tussen 100 en 500 Ω worden doorgaans gebruikt bij het detecteren en meten van verre-infrarode laserstraling.
  4. Genereren van verre-infrarode laserstraling.
    1. Stel de CO 2 pomp laser op een specifieke laser emissie, bijv., 9 P 36.
    2. Draai de micrometer draaiknop op de CO 2 pomp laser heen en weer naar maximale intensiteit op de balk halte te bereiken.
    3. Pas de kanteling van het rooster de CO 2 pomp laser om maximale intensiteit op de balk halte te bereiken.
    4. Herhaal de stappen 2.4.2 en 2.4.3 totdat het uitgangsvermogen van de CO 2 pomp laser verschijnt geoptimaliseerd op de balk te stoppen.
    5. Verwijder de bundelstop van het pad van de CO 2 pomplaser.
    6. Schakelen en lijn de optische chopper in de bundel pad van de CO 2 pomp laser.
    7. Open de klep op de CH2F 2 cylinder naar het verre-infrarode laser in te brengen in de verre-infrarode laser holte.
    8. Stel de doseerklep op de toevoerleiding tot een druk van ongeveer 10 Pa bereikt.
      NB: alleen bij benadering druk nodig omdat het wordt gebruikt als een manier om systematisch scannen van de verre-infrarode laser cavity.
    9. Stel de positie van de uitgangskoppelaar zodanig dat het buitenste uiteinde ongeveer 1 cm van het midden van de laser holte zoals aangegeven door een schaalverdeling aan de buitenkant van de laserholte.
      NB: alleen de geschatte locatie nodig omdat het wordt gebruikt als een manier om systematisch scannen van de verre-infrarode laser holte.
    10. Pas de positie van de beweegbare verre-infrarode laser spiegel ongeveer 0,25 mm incrementen door het roteren van de gekalibreerde meetklokje heen en weer. Gelijktijdig afstemmen van de frequentie van het CO 2 pomplaser door de versterkingskromme door het veranderen van de spanning aangelegd over de piëzo-elektrische omvormer CO 2 pomp laser (PZT).
    11. Wanneer geen signaal wordt waargenomen op de oscilloscoop scherm Herhaal stap 2.4.10 de uitgangskoppelaar verplaatst naar de volgende positie waar de punt ongeveer 1,5 cm uit het midden van de laser holte zoals aangegeven door een schaalverdeling aan de buitenkant van de laser holte.
    12. Wanneer geen signaal wordt waargenomen op de oscilloscoop scherm Herhaal stap 2.4.10 de uitgangskoppelaar verplaatst naar de volgende positie waar de tip is ongeveer 2 cm van het midden van de laser holte zoals aangegeven door een schaalverdeling aan de buitenkant van de laser holte.
    13. Als er geen signaal wordt waargenomen op de oscilloscoop display, herhaalt u stap 2.4.9 tot 2.4.12 met een ver-infrarood laser druk van ongeveer 19 Pa aangepast met de doseerklep op de inlaat lijn.
    14. Als er geen signaal wordt waargenomen op de oscilloscoop display, herhaalt u stap 2.4.9 tot 2.4.12 met een ver-infrarood laser druk van ongeveer 27 Pa aangepast met de doseerklep op de inlaat lijn.
    15. Wanneer geen signaal wordt waargenomen op de oscilloscoop scherm, plaatst de bundelstop in de baan van de CO 2 pomplaser en sluit het ventiel van de CH2F 2 cylinder tot de verre-infrarode laser druk ongeveer 0 Pa.
    16. Stel de CO 2 pomplaser naar de volgende laseremissie, bijvoorbeeld 9 P 34 en optimaliseren van het zendvermogen behulp stappen 2.4.2 tot 2.4.4.
    17. Herhaal de stappen 2.4.5 tot 2.4.16 totdat alle uitstoot van CO 2 pomp laser gebruikt. Bij het ​​zoeken naar ver-infrarood laser lijnen, leg de nadruk op de CO 2 -uitstoot pomplaser waarvan frequenties overlappen met enige absorptie regio's die in stap 1.2.
  5. Karakteriseren van ver-infrarood laser-uitstoot.
    1. Gelijktijdig pas de druk van het verre-infrarode laser medium, de spanning aangelegd op de CO 2 pomp laser PZT, en de positie van de uitgangskoppelaar tot uitgangsvermogen ver-infrarode laser emissie wordt gemaximaliseerd (bepaald met een maximum piek-to- piek signaal van de MIM diode detector waargenomen op de oscilloscoop scherm, vergelijkbaar met figuur 4).
    2. Draai de klok mee meetklokje tot de ver-infrarood laser emissie wordt waargenomen opde oscilloscoop display. Noteer de positie van de micrometer wijzerplaat.
    3. Draai de klok mee meetklokje tegen 20 modes bij dezelfde ver-infrarode laser emissie. Noteer de positie van de micrometer wijzerplaat.
    4. Aftrekken van de positie van de micrometer wijzerplaat in de stappen 2.5.2 en 2.5.3. Het verschil wordt gedeeld door 10 om de golflengte van het verre-infrarode laser emissie te verkrijgen.
    5. Herhaal stappen 2.5.2 tot 2.5.4 totaal vijf maal het gemiddelde van de golflengte van het verre-infrarode laser emissie. Gemiddeld laser golflengten gemeten met het doorkruisen ten minste 20 aangrenzende longitudinale modi één sigma onzekerheid van ± 0,5 pm.
    6. Meet de polarisatie van het verre-infrarode laserstraling ten opzichte van de CO 2 pompstraling, via een gouden draadrooster polarisator (394 lijnen / cm) of een Brewster polarisator.

3. Vaststellen Far-Infrared Laser Frequenties

  1. Identificerening van de CO 2 -uitstoot referentie laser.
    1. Bereken de frequentie van het verre-infrarode laser emissie op basis van de gemeten golflengte.
    2. Identificeren sets van CO 2 referentie laser lijnen waarvan de frequentie verschil is binnen enkele GHz van de berekende frequentie voor het ver-infrarood laser emissie 40. Een typische lijst voor deze metingen is weergegeven in tabel 1.
  2. Op zoek naar de heterodyne zwevingssignaal.
    1. Identificeren van de eerste set van de CO 2 referentie laser lijnen en elke CO 2 referentie laser op hun respectieve laser emissie.
    2. Optimaliseer het uitgangsvermogen van de CO 2 referentie-laser met stappen 2.4.2 tot 2.4.4 en de monitor power meter.
      1. Stel een iris, intern of extern aan elke referentie laser, zodat het vermogen van de CO 2 verwijzing laser is ongeveer 100 mW, gemeten door de monitor vermogensmeter weergegeven inFiguur 2.
    3. Blokkeer de straling uit de CO 2 pomplaser met een bundelstop terwijl het deblokkeren van de straling uit de CO 2 referentie lasers.
    4. Schakelen en lijn de optische chopper in de co-lineaire bundel pad van de CO 2 referentie lasers.
    5. Optimaliseren voor maximale piek-tot-piek spanning van de CO 2 verwijzing laseremissie de MIM diode detector via meerdere spiegels, beam splitters, en een 2,54 cm brandpuntsafstand ZnSe plano-convexe lens met inachtneming van de uitgang van de oscilloscoop, gelijksoortig aan figuur 5 .
    6. Blokkeer de straling uit de CO 2 verzoek lasers met een bundelstop terwijl het deblokkeren van de straling uit de CO 2 pomplaser.
    7. Opnieuw optimaliseren van de CO 2 pomplaser en het verre-infrarode laser, indien nodig, zodat het verre-infrarode laser emissie heeft een maximale piek-tot-piek spanning als waargenomen op de oscilloscoop.
    8. Koppel tHij MIM uitgang diode detector van de oscilloscoop en sluit deze op een versterker waarvan de uitgang is waargenomen op een spectrum analyzer.
    9. Deblokkeren van de straling van de CO 2 referentie lasers.
    10. Verwijder de optische choppers moduleren van de CO 2 pomp en referentie lasers.
    11. Stel het spectrum analyzer op een 40 MHz overspanning en zoek naar de beat signaal in stappen van 1,5 GHz door het handmatig scannen van dit frequentiegebied met draaiknop van het spectrum analyzer.
    12. Als er geen ritme signaal wordt waargenomen, koppelt u de output van de MIM diode's uit de versterker en sluit deze aan op de oscilloscoop.
    13. Blokkeren de straling van de CO 2 referentie-lasers en plaats de optische chopper in de baan van de CO 2 pomp laser.
    14. Herhaal stap 3.2.2 tot 3.2.13 zolang tot het spectrum analyzer is gebruikt om te zoeken naar het zwevingssignaal tussen 0 en 12 GHz.
    15. Als er geen ritme signaal wordt waargenomen, repein de stappen 3.2.2 tot 3.2.14 met een andere set van CO 2 referentie laser lijnen totdat de beat signaal wordt waargenomen of alle mogelijke sets van CO 2 referentie laser lijnen zijn uitgeput.
  3. Stabiliseren van de CO 2 referentiefrekwenties.
    1. Breng een spanning tussen 0 en 900 V PZT de eerste CO 2 verwijzing laser, zodat het signaal van de respectievelijke fluorescentie referentiecel is in het centrum van het Lam dip, geïllustreerd in figuur 6 en zoals gezien op oscilloscoop zoals in figuur 7.
    2. Activeer de feedback spanning op het eerste verzoek CO 2 laser PZT een aangepaste ingebouwde lock-in / servoversterker zodat het blijft altijd in het midden van het Lam dip.
    3. Herhaal de stappen 3.3.1 en 3.3.2 voor de tweede CO 2 referentie laser.
    4. Visueel bewaken de uitgang van de voorversterker op een oscilloscoop, zoals in figuur 7, en omervoor dat de verwijzing lasers blijft geblokkeerd.
  4. Meting van de slagfrequentie.
    1. Centreren de beat signaal op het spectrum analyzer display en stel de amplitude om de grootte van het scherm te maximaliseren.
    2. Stel het spectrum analyzer om twee gelijktijdige sporen van de beat signaal zien als in figuur 8, door het selecteren van de Clear Write functie voor zowel Spoor 1 en Trace 2. Één spoor zal het momentane signaal te geven, terwijl de andere het maximale signaal zal opnemen (via een Max Hold-functie op het spectrum analyzer voor het tweede spoor).
    3. Draai de meetklokje op de verre-infrarode laser cavity heen en weer over de versterkingskromme voor een bepaalde holte modus.
    4. Gebruik de functie Bekijk op het spectrum analyzer om de tweede (Max Hold) trace bevriezen zodra een symmetrisch patroon wordt verkregen.
    5. Iets draai de klok mee micrometer draaiknop om de lengte van de ver-infrarood laser holte te verminderen. Tegelijkertijd nemen de subsequent kleine verschuiving van de slagfrequentie van het spectrum analyzer wijten aan de geringe verhoging van de frequentie van het verre-infrarode laser.
    6. Plaats markeerders aan de breedte op halve hoogte van de punten symmetrisch patroon (Max Hold spoor) met de functie Marker met de functie Delta op de spectrum analyser.
    7. Meet de centrumfrequentie van de beat signaal met de functie Span paar op de spectrum analyser.
    8. Herhaal de stappen 3.4.1 tot 3.4.7.
    9. Maak de sluis in / servo-versterker voor elke CO 2 laser verwijzing naar elke laser te openen vanuit het midden frequentie en opnieuw te optimaliseren elke CO 2 referentie-laser.
    10. Re-lock de verwijzing lasers met stappen 3.3.1 tot 3.3.4.
    11. Herhaal de stappen 3.4.1 tot 3.4.10 voor een totaal van 6 metingen. Eenmaal voltooid, ontgrendelen elke CO 2 referentie-laser van het centrum frequentie.
    12. Bereken de herziene frequentie van de ver-infrarood laser-emissie met behulp van deze sloeg frequenties om een nauwkeurige voorspelling te krijgen voor de tweede reeks van de CO 2 referentie laser lijnen.
    13. Identificeren van een andere set van CO 2 verwijzing laserlijnen waarvan frequentieverschil binnen enkele GHz van de berekende frequentie van het verre-infrarode laser emissie.
    14. Optimaliseer de volgende set van CO 2 referentie laser lijnen op het MIM diode detector en het verkrijgen van de beat signaal met behulp van stappen 3.2.2 tot 3.2.15 nodig.
    15. Vergrendel de nieuwe reeks van de CO 2 referentie laserlijnen met stappen 3.3.1 tot 3.3.4.
    16. Herhaal de stappen 3.4.1 tot 3.4.10 voor een totaal van 6 metingen. Eenmaal voltooid, ontgrendelen elke CO 2 referentie-laser van het centrum frequentie.
    17. Beam Steek stopt in de paden van de CO 2 pomp en referentie-lasers.
  5. Berekening van het verre-infrarode laser frequentie.
    1. Bereken de onbekende verre-infrarode laser frequentie ν FIR, met de gemeten wordenbij frequentie door de relatie
      FIR = | v CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | ν ritme | Eq. 1
      waarbij | v CO2 (I) -ν CO2 (II) | is de magnitude van de verschilfrequentie gesynthetiseerd door beide CO 2 lasers en referentie | v tel | is de magnitude van de slagfrequentie. De ± bord in Eq. 1 wordt experimenteel bepaald uit stap 3.4.5.
    2. Het verkrijgen van een gemiddelde frequentie en het berekenen van deonzekerheid.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Zoals gezegd, de frequentie gerapporteerd voor een verre-infrarode laser emissie gemiddeld ten minste twaalf metingen uitgevoerd met ten minste twee verschillende CO 2 referentie laserlijnen. Tabel 2 worden de opgenomen voor 235,5 urn laseremissie bij gebruik van de gegevens 9 P 04 CO 2 pomp laser. Voor deze ver-infrarood laser emissie, werden veertien afzonderlijke metingen van de beat frequentie opgenomen. De eerste reeks metingen werden opgenomen tijdens het gebruik van...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Er zijn verschillende kritische stappen in het protocol dat wat extra overleg nodig. Bij het meten van het verre-infrarode laser golflengte, zoals in stap 2.5.3, is het belangrijk om dezelfde modus van het verre-infrarode laser emissie wordt gebruikt waarborgen. Meerdere vormen van een verre-infrarode laser golflengte (bijv TEM 00, TEM 01, etc.) kan worden opgewekt binnen de laserholte en dus is het belangrijk om de juiste identificatie aangrenzende holte modi worden gebruikt om de golflen...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Bepaalde commerciële apparatuur wordt in dit artikel genoemd om begrip te bevorderen. Een dergelijke identificatie impliceert geen aanbeveling of goedkeuring door de auteurs, noch impliceert het dat de geïdentificeerde apparatuur noodzakelijkerwijs de beste beschikbare is voor het doel.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Washington Space Grant Consortium onder Award NNX10AK64H.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Vacuum pumpLeyboldTrivac D4AHE-175 olie; Aantal = 3
Vacuum pumpLeyboldTrivac D8B of D16BFomblin Fluid; Aantal = 1 van elk
Vacuum pumpLeyboldTrivac D25BHE-175 olie; Aantal = 1
Optical chopper met controllerStanford Research SystemsSR540
Lock-in versterkerStanford Research SystemsSR830
Spectrum analyzerAgilentE4407BESA-E Series, 9 kHz tot 26,5 GHz Spectrum Analyzer
Versterker MiteqAFS-44Biedt versterking van signalen tussen 2 en 18 GHz. De versterker wordt gevoed door een Hewlett Packard triple output DC-voeding, model E3630A.
Versterker AvantekAWL-1200BBiedt versterking van signalen minder dan 1,2 GHz.
VoedingHewlett PackardE3630ALaagspannings DC-voeding voor versterker.
VoedingGlassmanKL-serieHoogspanningsvoeding voor de CO2 lasers; Aantal = 2; negatieve polariteit
VoedingFluke412BHoogspanningsvoeding gebruikt met de NIST Asymmetric HV Amp
DetectorJudson Infrared IncJ10DVoor fluorescentiecel; Aantal = 2
CO2 laser spectrum analyzerOptical Engineering 16-AMomenteel verkocht door Macken Instruments Inc.
Thermische beeldplaten met UV-lichtOptical Engineering Primair gebruikt voor het uitlijnen van de CO2 referentielasers. Momenteel verkocht door Macken Instruments Inc.
WeerstandenOhmite L225J100K100 kW, 225 W. Tussen 4 en 6 weerstanden worden gebruikt in elk ballastsysteem. Elke CO2 laser heeft zijn eigen ballastsysteem. Ventilatoren worden gebruikt om de weerstanden te koelen.
HV relais, SPDTCII TechnologiesH-17Aantal = 3; een voor elke CO2 laser
Versterker Princeton Applied ResearchPAR 113Gebruikt met fluorescentiecel; Aantal = 2
OscilloscoopTektronix2235AVergelijkbare modellen worden ook gebruikt; Aantal = 2
Oscilloscoop/Differentiële versterkerTektronix7903 oscilloscoop met 7A22 differentiële versterker
Vermogenmeter met sensorCoherent200Voor gebruik onder de 10 W.  Dit is de vermogenmeter die in Figuur 2 wordt getoond.
Vermogenmeter met sensorScientech, IncVector S310Voor gebruik onder de 30 W
MultimeterFluke73IIIVergelijkbare modellen worden ook gebruikt; Aantal = 3
DataverwervingNational InstrumentsNI cDAQ 9174 chassis met NI 9223 invoermoduleGebruikt LabVIEW-software
Simichrome polijstmiddelHappich GmbHPolijstmiddel voor de nikkelbasis gebruikt in de MIM-diodedetector. Hoewel de nikkelbasis direct na het polijsten kan worden gebruikt, wordt typisch een levertijd van 12 uur aanbevolen.
DrukmeterWallace and Tiernan61C-1D-0050Serie 300; voor CO2 laser; Aantal = 3
Drukmeter met controllerGranville PhillipsSerie 375Voor ver-infraroodlaser
Zirconiumoxide viltZircar ZirconiaZYF-viltGebruikt als straalstop
Zirconiumoxide plaatZircar ZirconiaZYZ-3-plaatGebruikt als straalstop; Aantal = 4
Teflon plaatScientific Commodities, IncBB96312-12481/32 inch dik; gebruikt voor de uitgangsvenster van de ver-infraroodlaser
PolypropyleenC-Line sheet protectors61003Gebruikt voor de uitgangsvenster van de ver-infraroodlaser
VakuumvetApiezon
VoedingKepcoNTC 2000PZT-voeding
PZT-buisMorgan Advanced Materials1 inch lengte, 1 inch buitendiameter, 0,062 inch dikte, omgekeerde polariteit (positieve spanning aan de buitenkant); Aantal = 3
ZnSe (AR-gecoat)II-VI IncCO2 laservenster (Aantal = 3), lens en bundelsplitser (Aantal 3)
NaCl-vensterEdmond OpticsAantal = 1
CaF-vensterEdmond OpticsAantal = 2
Laserspiegels en roostersHyperfine, IncGoud-gecoat; inclusief positioneringsspiegels
Glazen laserbuizen en referentiecellenAllen Scientific Glass
MIM-diodedetectorCustom Microwave, Inc
OverigAndere materialen omvatten magnetische basen, basisplaten, basisklemmen, XYZ-translatietafel, enz.

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Drie laser heterodyne techniekoptisch gepompte moleculaire laserkooldioxide referentielasersmetaal isolator metaal diodedetectorspectrumanalyser frequentiemetingdifluormethaan lasermediumklopprequentieanalyselaserfrequentie onzekerheidterahertz beeldvormingsapplicaties

Gerelateerde artikelen