Artykuł metodologiczny

Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości

11.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53399

⸱

18 grudnia 2015

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

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy generowanie promieniowania dalekiej podczerwieni za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego wraz z pomiarem ich częstotliwości za pomocą technik heterodynowych. System i techniki eksperymentalne zademonstrowano przy użyciu difluorometanu (CH, 2F2) jako ośrodka laserowego, czego wyniki obejmują trzy nowe emisje laserowe i osiem zmierzonych częstotliwości laserowych.

Streszczenie

Generowanie i późniejsze pomiary promieniowania dalekiej podczerwieni znalazły liczne zastosowania w spektroskopii o wysokiej rozdzielczości, radioastronomii i obrazowaniu terahercowym. Od około 45 lat generowanie koherentnego promieniowania dalekiej podczerwieni odbywa się za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego. Po wykryciu promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni częstotliwości emisji tych laserów są mierzone za pomocą techniki heterodyny trójlaserowej. Dzięki tej technice nieznana częstotliwość z optycznie pompowanego lasera molekularnego jest mieszana z częstotliwością różnicową między dwiema stabilizowanymi częstotliwościami odniesienia w podczerwieni. Te częstotliwości referencyjne są generowane przez niezależne lasery na dwutlenek węgla, z których każdy jest stabilizowany za pomocą sygnału fluorescencji z zewnętrznej, niskociśnieniowej komórki referencyjnej. Wynikowe dudnienie między znanymi i nieznanymi częstotliwościami lasera jest monitorowane przez detektor metalowo-izolatorowo-metalowo-metalowej diody kontaktowej, którego moc wyjściowa jest obserwowana na analizatorze widma. Częstotliwość dudnień między tymi emisjami laserowymi jest następnie mierzona i łączona ze znanymi częstotliwościami odniesienia w celu ekstrapolacji nieznanej częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni. Wynikowa niepewność ułamkowa wynosząca jedną sigma dla częstotliwości lasera mierzonych tą techniką wynosi ± 5 części na 107. Dokładne określenie częstotliwości emisji laserowych w dalekiej podczerwieni ma kluczowe znaczenie, ponieważ są one często wykorzystywane jako odniesienie dla innych pomiarów, takich jak badania spektroskopowe o wysokiej rozdzielczości wolnych rodników przy użyciu laserowego rezonansu magnetycznego. W ramach tych badań difluorometan,CH2F2, został wykorzystany jako medium laserowe dalekiej podczerwieni. W sumie po raz pierwszy zmierzono osiem częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni o częstotliwościach od 0,359 do 1,273 THz. Trzy z tych emisji laserowych zostały odkryte podczas tego badania i są raportowane wraz z ich optymalnym ciśnieniem roboczym, polaryzacją w stosunku do lasera pompującego CO2 i siłą.

Wprowadzenie

Pomiar częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni został po raz pierwszy wykonany przez Hockera i współpracowników w 1967 roku. Zmierzyli częstotliwości emisji 311 i 337 μm z lasera cyjanowodorowego z bezpośrednim wyładowaniem, mieszając je z harmonicznymi wysokiego rzędu sygnału mikrofalowego w diodzie krzemowej1. Do pomiaru wyższych częstotliwości użyto łańcucha laserów i urządzeń do mieszania harmonicznych w celu wygenerowania harmonicznych lasera2. Ostatecznie wybrano dwa lasery ze stabilizowanym dwutlenkiem węgla (CO2 ) do syntezy niezbędnych częstotliwości różnicowych3,4. Obecnie częstotliwości laserów dalekiej podczerwieni do 4 THz można mierzyć za pomocą tej techniki, wykorzystując tylko pierwszą harmoniczną częstotliwości różnicowej generowanej przez dwa stabilizowane lasery referencyjne CO2 . Emisje laserowe o wyższej częstotliwości mogą być również mierzone za pomocą drugiej harmonicznej, takie jak emisje lasera 9 THz z izotopologów metanolu CHD2OH i CH318OH. 5,6 Na przestrzeni lat dokładny pomiar częstotliwości laserów wywarł wpływ na szereg eksperymentów naukowych7,8 i umożliwił przyjęcie nowej definicji miernika przez Generalną Konferencję Miar i Wag w Paryżu w 1983 r. 9–11

Techniki heterodynowe, takie jak te opisane, były ogromnie korzystne w pomiarze częstotliwości laserowych dalekiej podczerwieni generowanych przez optycznie pompowane lasery molekularne. Od czasu odkrycia optycznie pompowanego lasera molekularnego przez Changa i Bridgesa12, tysiące optycznie pompowanych emisji laserowych dalekiej podczerwieni zostało wygenerowanych za pomocą różnych mediów laserowych. Na przykład difluorometan (CH2F2) i jego izotopologie generują ponad 250 emisji laserowych, gdy są pompowane optycznie przez laserCO2. Ich długości fal wahają się od około 95,6 do 1714,1 μm.13–15 Prawie 75% tych emisji laserowych miało zmierzone częstotliwości, a kilka z nich zostało spektroskopowo przypisanych16–18.

Te lasery i ich dokładnie zmierzone częstotliwości odegrały kluczową rolę w rozwoju spektroskopii o wysokiej rozdzielczości. Dostarczają one ważnych informacji do badań spektralnych gazów laserowych w podczerwieni. Często te częstotliwości laserowe są wykorzystywane do weryfikacji analizy widm w podczerwieni i dalekiej podczerwieni, ponieważ zapewniają połączenia między wzbudzonymi poziomami stanów wibracyjnych, które często są bezpośrednio niedostępne z widm absorpcyjnych19. Służą również jako główne źródło promieniowania w badaniach nad przejściowymi, krótkożyciowymi wolnymi rodnikami za pomocą techniki laserowego rezonansu magnetycznego20. Dzięki tej niezwykle czułej technice, rotacyjne i ro-wibracyjne widma Zeemana w paramagnetycznych atomach, cząsteczkach i jonach molekularnych mogą być rejestrowane i analizowane wraz z możliwością zbadania szybkości reakcji wykorzystywanych do tworzenia tych wolnych rodników.

W tej pracy, optycznie pompowany laser molekularny, pokazany na rysunku 1, został użyty do generowania promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni z difluorometanu. System ten składa się z lasera pompującego CO2 o fali ciągłej (cw) i wnęki lasera dalekiej podczerwieni. Lustro wewnątrz wnęki lasera dalekiej podczerwieni przekierowuje promieniowanie lasera CO2 w dół polerowanej miedzianej rury, poddając się dwudziestu sześciu odbiciom, zanim zakończy się na końcu wnęki, rozpraszając pozostałe promieniowanie pompy. W związku z tym ośrodek laserowy dalekiej podczerwieni jest wzbudzany za pomocą poprzecznej geometrii pompowania. Aby wygenerować działanie lasera, kilka zmiennych jest regulowanych, niektóre jednocześnie, a wszystkie są następnie optymalizowane po zaobserwowaniu promieniowania laserowego.

W tym eksperymencie, promieniowanie laserowe dalekiej podczerwieni jest monitorowane przez detektor diody kontaktowej typu metal-izolator-metal (MIM). Detektor diodowy MIM jest używany do laserowych pomiarów częstotliwości od 1969 roku. 21–23 W pomiarach częstotliwości laserowej detektor diodowy MIM jest mieszalnikiem harmonicznych między dwoma lub więcej źródłami promieniowania padającymi na diodę. Detektor diodowy MIM składa się z zaostrzonego drutu wolframowego stykającego się z optycznie polerowaną podstawą niklową24. Baza niklowa ma naturalnie występującą cienką warstwę tlenku, która jest warstwą izolacyjną.

Po wykryciu emisji laserowej, zarejestrowano jej długość fali, polaryzację, siłę i zoptymalizowane ciśnienie robocze, podczas gdy jej częstotliwość została zmierzona za pomocą techniki heterodyny trójlaserowej25–27 zgodnie z metodą pierwotnie opisaną w Ref. 4. Rysunek 2 przedstawia optycznie pompowany laser molekularny z dwoma dodatkowymi laserami referencyjnymi CW CO2 z niezależnymi systemami stabilizacji częstotliwości, które wykorzystują zanurzenie Lamba w sygnale fluorescencji 4,3 μm z zewnętrznej, niskociśnieniowej celi referencyjnej28. Manuskrypt ten przedstawia proces stosowany do poszukiwania emisji laserowych w dalekiej podczerwieni, a także metodę szacowania ich długości fal i dokładnego określania ich częstotliwości. Szczegółowe informacje na temat techniki heterodyny trójlaserowej, a także różnych elementów i parametrów pracy systemu można znaleźć w tabeli uzupełniającej A wraz z odniesieniami 4, 25–27, 29 i 30.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Planowanie eksperymentów

  1. Przeprowadź przegląd literatury, aby ocenić wcześniejsze prace wykonane przy użyciu interesującego nas medium laserowego, którym w tym eksperymencie jest CH2F2. Zidentyfikuj wszystkie znane emisje laserowe wraz ze wszystkimi informacjami o liniach, takimi jak ich długość fali i częstotliwość. Dostępnych jest kilka badań znanych emisji laserowych13,31–37.
  2. Skompiluj wszystkie badania spektroskopowe cząsteczki użytej jako ośrodek laserowy, koncentrując się na wcześniejszych badaniach transformaty Fouriera34 i optoakustycznych38,39.

2. Generowanie emisji laserowych dalekiej podczerwieni

  1. Przegląd bezpieczeństwa.
    1. Opracowanie standardowej procedury operacyjnej dla laboratorium, która obejmuje odpowiednią ochronę oczu podczas pracy z systemami laserowymi CO2 i dalekiej podczerwieni.
  2. Wyrównanie i kalibracja.
    1. Skalibruj każdy laser CO2 za pomocą siatkowego analizatora widma zaprojektowanego dla lasera CO2 zgodnie z protokołem producenta.
    2. Wyrównaj zwierciadła końcowe i zwierciadło sprzęgające we wnęce lasera dalekiej podczerwieni za pomocą lasera He-Ne tak, aby ich promieniowanie było skupione na detektorze diodowym MIM.
    3. Skieruj promieniowanie z lasera pompującego CO2 do wnęki lasera dalekiej podczerwieni przez okienko chlorku sodu pod kątem około 72o w stosunku do osi wnęki.
    4. Skieruj promieniowanie z dwóch laserów referencyjnych CO2 do odpowiedniej niskociśnieniowej fluorescencyjnej komórki referencyjnej lub współliniowo na detektor diodowy MIM za pomocą rozdzielaczy wiązki i dodatkowych luster.
  3. Detekcja promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni.
    1. Niklową bazę należy polerować co kilka dni za pomocą standardowego środka do polerowania metalu.
    2. Zaciśnij drut wolframowy 25 μm w miedzianym słupku i zegnij drut do konfiguracji pokazanej na rysunku 3.
    3. Dostosuj długość drutu tak, aby mieściła się w zakresie od 10 do 20 długości fal mierzonego promieniowania.
    4. Elektrochemicznie wytrawić końcówkę drutu w nasyconym roztworze wodorotlenku sodu (NaOH), przykładając napięcie (około 3,5 do 5 VAC) do roztworu.
    5. Ponownie wytraw końcówkę niskim napięciem (mniej niż 1 VAC). Powoduje to szorstkość końcówki drutu i poprawia wydajność diody.
    6. Opłucz drut wodą destylowaną.
    7. Włóż miedziany słupek do obudowy diody MIM po wyschnięciu przewodu.
    8. Umieść drut w kontakcie z niklową podstawą za pomocą drobnej i systemu poziomowania. Styki o rezystancji na diodzie od 100 do 500 Ω są zwykle używane do wykrywania i pomiaru promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni.
  4. Generowanie promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni.
    1. Ustaw laser pompy CO2 na określoną emisję lasera, np. 9P36.
    2. Obracaj pokrętłem mikrometrycznym na laserze pompy CO2 do przodu iz powrotem, aby osiągnąć maksymalną intensywność na ograniczniku wiązki.
    3. Dostosuj nachylenie siatki lasera pompy CO2, aby uzyskać maksymalną intensywność na ograniczniku wiązki.
    4. Powtarzaj kroki 2.4.2 i 2.4.3, aż moc wyjściowa lasera pompy CO2 będzie zoptymalizowana na ograniczniku wiązki.
    5. Usuń ogranicznik wiązki ze ścieżki lasera pompy CO2
      6. .
    6. Włącz i ustaw chopper optyczny na ścieżce wiązki lasera pompy CO2
      7. .
    7. Otwórz zawór na cylindrze CH2F2, aby wprowadzić medium laserowe dalekiej podczerwieni do wnęki lasera dalekiej podczerwieni.
    8. Wyreguluj zawór dozujący na przewodzie doprowadzającym, aż do osiągnięcia ciśnienia około 10 Pa.
      Uwaga: Wymagane jest tylko przybliżone ciśnienie, ponieważ jest ono używane jako sposób systematycznego skanowania wnęki lasera dalekiej podczerwieni.
    9. Ustaw położenie łącznika wyjściowego w taki sposób, aby jego najbardziej zewnętrzna końcówka znajdowała się około 1 cm od środka wnęki lasera, jak wskazuje skalibrowana skala na zewnątrz wnęki lasera.
      Uwaga: Potrzebna jest tylko przybliżona lokalizacja, ponieważ służy ona do systematycznego skanowania wnęki lasera dalekiej podczerwieni.
    10. Dostosuj położenie ruchomego lustra laserowego dalekiej podczerwieni w krokach co około 0.25 mm, obracając skalibrowaną tarczę mikrometryczną do przodu i do tyłu. Jednocześnie dostosuj częstotliwość lasera pompy CO2 poprzez jego krzywą wzmocnienia, zmieniając napięcie przyłożone do przetwornika piezoelektrycznego lasera pompy CO2 (PZT).
    11. Jeśli na wyświetlaczu oscyloskopu nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał, powtórz krok 2.4.10 z łącznikiem wyjściowym przesuniętym do następnej pozycji, w której końcówka znajduje się około 1.5 cm od środka wnęki laserowej, jak wskazuje skalibrowana skala na zewnątrz wnęki lasera.
    12. Jeśli na wyświetlaczu oscyloskopu nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał, powtórz krok 2.4.10 z łącznikiem wyjściowym przesuniętym do następnej pozycji, w której końcówka znajduje się około 2 cm od środka wnęki laserowej, jak wskazuje skalibrowana skala na zewnątrz wnęki laserowej.
    13. Jeżeli na wyświetlaczu oscyloskopu nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał, powtórzyć kroki od 2.4.9 do 2.4.12 przy ciśnieniu lasera dalekiej podczerwieni wynoszącym około 19 Pa, zgodnie z regulacją za pomocą zaworu dozującego na przewodzie doprowadzającym.
    14. Jeśli na wyświetlaczu oscyloskopu nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał, powtórzyć kroki od 2.4.9 do 2.4.12 przy ciśnieniu lasera dalekiej podczerwieni wynoszącym około 27 Pa, wyregulowanym za pomocą zaworu dozującego na przewodzie doprowadzającym.
    15. Jeśli na wyświetlaczu oscyloskopu nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał, włóż ogranicznik wiązki do ścieżki lasera pompy CO2 i zamknij zawór na cylindrze CH2F2, aż ciśnienie lasera dalekiej podczerwieni osiągnie około 0 Pa.
    16. Ustaw laser pompujący CO2 na następną emisję lasera, np. 9P34, i zoptymalizuj moc wyjściową, wykonując kroki od 2.4.2 do 2.4.4.
    17. Powtarzać kroki od 2.4.5 do 2.4.16, aż do wykorzystania wszystkich emisji generowanych przez laser pompującyCO2. Szukając linii laserowych dalekiej podczerwieni, należy skupić się na emisjach lasera pompy CO2, których częstotliwości pokrywają się z dowolnymi obszarami absorpcji określonymi w kroku 1.2.
  5. Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni.
    1. Jednocześnie wyreguluj ciśnienie ośrodka laserowego dalekiej podczerwieni, napięcie przyłożone do PZT lasera pompującego CO2 oraz położenie łącznika wyjściowego, aż do maksymalizacji mocy wyjściowej emisji lasera dalekiej podczerwieni (określonej przez maksymalny sygnał międzyszczytowy z detektora diodowego MIM, jak zaobserwowano na wyświetlaczu oscyloskopu, podobnie jak na rysunku 4).
    2. Obracaj pokrętło mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż na wyświetlaczu oscyloskopu pojawi się emisja lasera w dalekiej podczerwieni. Zapisz położenie tarczy mikrometru.
    3. Obróć pokrętło mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby uzyskać dodatkowe 20 trybów odpowiadających tej samej emisji lasera dalekiej podczerwieni. Zapisz położenie tarczy mikrometru.
    4. Odejmij położenie tarczy mikrometrycznej w krokach 2.5.2 i 2.5.3. Podziel tę różnicę przez 10, aby uzyskać długość fali emisji lasera w dalekiej podczerwieni.
    5. Powtórzyć kroki od 2.5.2 do 2.5.4 w sumie pięć razy i uśrednić długość fali emisji lasera w dalekiej podczerwieni. Średnie długości fal laserowych mierzone przez przechodzenie przez co najmniej 20 sąsiadujących ze sobą modów podłużnych mają niepewność wynoszącą jedną sigma wynoszącą ± 0,5 μm.
    6. Zmierz polaryzację promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni w stosunku do promieniowania pompy CO2 za pomocą polaryzatora ze złotą siatką drucianą (394 linie/cm) lub polaryzatora Brewstera.

3. Określanie częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni

  1. Identyfikacja referencyjnych emisji CO2 z lasera.
    1. Oblicz częstotliwość emisji lasera dalekiej podczerwieni na podstawie zmierzonej długości fali.
    2. Zidentyfikować zestawy referencyjnych linii laserowych CO2 , których różnica częstotliwości mieści się w granicach kilku GHz od częstotliwości obliczonej dla emisji lasera dalekiej podczerwieni40. Typowy wykaz stosowany do takich pomiarów przedstawiono w tabeli 1.
  2. Poszukiwanie sygnału dudnienia heterodynowego.
    1. Zidentyfikuj pierwszy zestaw referencyjnych linii laserowych CO2 i ustaw każdy laser odniesienia CO2 na odpowiednią emisję lasera.
    2. Zoptymalizuj moc wyjściową dla każdego lasera referencyjnego CO2 za pomocą kroków od 2.4.2 do 2.4.4 i miernika mocy monitora.
      1. Wyreguluj przysłonę, wewnętrzną lub zewnętrzną do każdego lasera referencyjnego, tak aby moc z każdego lasera referencyjnego CO2 wynosiła około 100 mW, zgodnie z pomiarem miernika mocy monitora pokazanym na rysunku 2.
    3. Zablokuj promieniowanie z lasera pompującego CO2 za pomocą ogranicznika wiązki, jednocześnie odblokowując promieniowanie z laserów referencyjnych CO2
      4. .
    4. Włącz i ustaw chopper optyczny w współliniowej ścieżce wiązki laserów referencyjnych CO2
      5. .
    5. Zoptymalizuj pod kątem maksymalnego napięcia międzyszczytowego każdą referencyjną emisję lasera CO2 na detektorze diodowym MIM za pomocą kilku luster, rozdzielaczy wiązki i soczewki plano-wypukłej ZnSe o ogniskowej 2,54 cm, obserwując wyjście na oscyloskopie, podobnie jak na rysunku 5.
    6. Zablokuj promieniowanie z laserów referencyjnych CO2 za pomocą zatrzymania wiązki, jednocześnie odblokowując promieniowanie z lasera pompującego CO2 .
    7. W razie potrzeby ponownie zoptymalizuj laser pompujący CO2 i laser dalekiej podczerwieni, tak aby emisja lasera dalekiej podczerwieni miała maksymalne napięcie międzyszczytowe, jak zaobserwowano na oscyloskopie.
    8. Odłącz wyjście detektora diodowego MIM od oscyloskopu i podłącz go do wzmacniacza, którego wyjście jest obserwowane na analizatorze widma.
    9. Odblokuj promieniowanie z laserów referencyjnych CO2 .
    10. Zdemontować przerywacze optyczne modulujące pompę CO2 i lasery referencyjne.
    11. Ustaw analizator widma na zakres 40 MHz i wyszukaj sygnał dudnienia w krokach co 1.5 GHz, ręcznie skanując ten zakres częstotliwości za pomocą pokrętła regulacji analizatora widma.
    12. Jeśli nie zaobserwuje się sygnału dudnienia, odłącz wyjście diody MIM od amplifier i podłącz ją do oscyloskopu.
    13. Zablokuj promieniowanie z laserów referencyjnych CO2 i ponownie włóż rozdrabniacz optyczny do ścieżki lasera pompującego CO2
      14. .
    14. W razie potrzeby powtarzać kroki od 3.2.2 do 3.2.13, aż analizator widma zostanie użyty do wyszukania sygnału dudnienia w zakresie od 0 do 12 GHz.
    15. Jeżeli nie zostanie zaobserwowany żaden sygnał dudnienia, należy powtórzyć kroki od 3.2.2 do 3.2.14 z innym zestawem referencyjnych linii laserowych CO2 do momentu zaobserwowania sygnału dudnienia lub wyczerpania wszystkich możliwych zestawów referencyjnych linii laserowych CO2
      16. .
  3. Stabilizacja częstotliwości odniesienia CO2 .
    1. Przyłóż napięcie od 0 do 900 V do PZT pierwszego lasera referencyjnego CO2 tak, aby sygnał z odpowiedniej komórki odniesienia fluorescencji znajdował się w środku zanurzenia Lamba, jak pokazano na rysunku 6 i jak pokazano na oscyloskopie, jak pokazano na rysunku 7.
    2. Aktywuj napięcie sprzężenia zwrotnego przyłożone do PZT pierwszego lasera referencyjnego CO2 za pomocą niestandardowo zbudowanego wzmacniacza typu lock-in/servo, tak aby pozostał zablokowany w środku zanurzenia Lamb.
    3. Powtórzyć kroki 3.3.1 i 3.3.2 dla drugiego lasera referencyjnego CO2 .
    4. Monitoruj wizualnie moc wyjściową przedwzmacniacza na oscyloskopie, jak pokazano na rysunku 7, aby upewnić się, że lasery referencyjne pozostają zablokowane.
  4. Pomiar częstotliwości dudnień.
    1. Wyśrodkuj sygnał dudnienia na wyświetlaczu analizatora widma i dostosuj jego amplitudę, aby zmaksymalizować jego rozmiar na wyświetlaczu.
    2. Ustaw analizator widma tak, aby wyświetlał dwie równoczesne ścieżki sygnału dudnienia, jak na rysunku 8, wybierając funkcję Clear Write zarówno dla ścieżki 1, jak i ścieżki 2. Jedna ścieżka wyświetli sygnał chwilowy, podczas gdy druga zarejestruje maksymalny sygnał (za pomocą funkcji Max Hold na analizatorze widma dla drugiej ścieżki).
    3. Obracaj pokrętłem mikrometru we wnęce lasera dalekiej podczerwieni w przód iw tył po krzywej wzmocnienia dla danego trybu wnęki.
    4. Użyj funkcji View w analizatorze widma, aby zamrozić drugą ścieżkę (Max Hold) po uzyskaniu symetrycznego wzorca.
    5. Lekko obróć pokrętło mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby zmniejszyć długość wnęki lasera dalekiej podczerwieni. Jednocześnie obserwuj następujące po sobie niewielkie przesunięcie częstotliwości dudnień w analizatorze widma spowodowane tym niewielkim wzrostem częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni.
    6. Umieść znaczniki na całej szerokości w połowie maksymalnych punktów symetrycznego wzoru (ślad Max Hold) za pomocą funkcji Marker z funkcją Delta w analizatorze widma.
    7. Zmierz częstotliwość środkową sygnału dudnienia za pomocą funkcji Span Pair w analizatorze widma.
    8. Powtórz kroki od 3.4.1 do 3.4.7.
    9. Odłącz blokadę/serwowzmacniacz dla każdego lasera referencyjnego CO2, aby odblokować każdy laser z jego częstotliwości środkowej i ponownie zoptymalizować każdy laser referencyjny CO2
      10. .
    10. Ponownie zablokuj lasery referencyjne, wykonując kroki od 3.3.1 do 3.3.4.
    11. Powtórz kroki od 3.4.1 do 3.4.10, aby uzyskać łącznie 6 pomiarów. Po zakończeniu odblokuj każdy laser referencyjny CO2 od jego częstotliwości środkowej.
    12. Oblicz zmienioną częstotliwość emisji lasera dalekiej podczerwieni przy użyciu tych częstotliwości dudnień, aby uzyskać dokładną prognozę dla drugiego zestawu referencyjnych linii laserowych CO2 .
    13. Zidentyfikować inny zestaw referencyjnych linii laserowych CO2 , których różnica częstotliwości mieści się w granicach kilku GHz od częstotliwości obliczonej dla emisji lasera w dalekiej podczerwieni.
    14. Zoptymalizuj następny zestaw referencyjnych linii laserowych CO2 na detektorze diodowym MIM i uzyskaj sygnał dudnienia, wykonując kroki od 3.2.2 do 3.2.15, jeśli to konieczne.
    15. Zablokuj nowy zestaw referencyjnych linii laserowych CO2 wykonując czynności od 3.3.1 do 3.3.4.
    16. Powtórz kroki od 3.4.1 do 3.4.10, aby uzyskać łącznie 6 pomiarów. Po zakończeniu odblokuj każdy laser referencyjny CO2 od jego częstotliwości środkowej.
    17. Umieść ograniczniki wiązki w ścieżkach pompy CO2 i laserów referencyjnych.
  5. Obliczanie częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni.
    1. Oblicz nieznaną częstotliwość lasera dalekiej podczerwieni, νFIR, używając zmierzonej częstotliwości uderzeń za pomocą relacji
      FIR = |νCO2(I)–νCO2(II)| ± |νuderzenie| Równanie 1
      gdzie |νCO2(I)–νCO2(II)| oznacza wielkość częstotliwości różnicowej zsyntetyzowanej przez dwa lasery referencyjne CO2 i |νdudnienia| to wielkość częstotliwości dudnień. Znak ± w równaniu 1 wyznacza się doświadczalnie z kroku 3.4.5.
    2. Uzyskaj średnią częstotliwość i oblicz niepewność.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Jak wspomniano, częstość raportowana dla emisji lasera dalekiej podczerwieni jest średnią z co najmniej dwunastu pomiarów wykonanych z użyciem co najmniej dwóch różnych zestawów referencyjnych linii laserowych CO2. Tabela 2 przedstawia dane zarejestrowane dla emisji laserowej o długości 235,5 μm przy użyciu lasera pompowego CO2 9P04. Dla tej emisji lasera dalekiej podczerwieni zarejestrowano czternaście pojedynczych pomiarów częstotliwości dudnienia. Pierwszy zestaw pomiaró...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W protokole znajduje się kilka krytycznych kroków, które wymagają dodatkowej dyskusji. Podczas pomiaru długości fali lasera dalekiej podczerwieni, jak opisano w kroku 2.5.3, ważne jest, aby upewnić się, że używany jest ten sam tryb emisji lasera dalekiej podczerwieni. We wnęce lasera można generować wiele modów o długości fali lasera dalekiej podczerwieni (tj. TEM00, TEM01 itp.), dlatego ważne jest, aby zidentyfikować odpowiednie sąsiednie mody wnęki używane do pomiaru długości fali13,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

W tym dokumencie zidentyfikowano niektóre urządzenia komercyjne, aby ułatwić zrozumienie. Taka identyfikacja nie oznacza rekomendacji ani poparcia ze strony autorów, ani nie oznacza, że zidentyfikowany sprzęt jest koniecznie najlepszym dostępnym do tego celu.

Podziękowania

Ta praca była częściowo wspierana przez Washington Space Grant Consortium w ramach Award NNX10AK64H.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Pompa próżniowaoleju LeyboldTrivac D4AHE-175; Ilość = 3
Pompa próżniowaLeyboldTrivac D8B lub D16BFomblin Fluid; Ilość = 1 każdej
pompy próżniowejoleju LeyboldTrivac D25BHE-175; Ilość = 1
Chopper optyczny ze sterownikiemStanford Research SystemsSR540
Wzmacniacz blokującyStanford Research SystemsSR830
Analizator widmaAgilentE4407BESA-E Series, 9 kHz do 26,5 GHz Wzmacniacz analizatora widma
 MiteqAFS-44Zapewnia wzmocnienie sygnałów w zakresie od 2 do 18 GHz. Wzmacniacz zasilany jest przez zasilacz prądu stałego Hewlett Packard z potrójnym wyjściem, model E3630A.
Wzmacniacz AvantekAWL-1200BZapewnia wzmocnienie sygnałów poniżej 1,2 GHz.
ZasilaczHewlett PackardE3630ANiskonapięciowy zasilacz prądu stałego do wzmacniacza.
ZasilaczGlassmanserii KLZasilacz wysokonapięciowy do laserów CO2; Ilość = 2; polaryzacja ujemna
ZasilaczFluke412BZasilacz wysokonapięciowy używany z asymetrycznym detektorem wzmacniacza HV
NIST Judson Infrared IncJ10DDo ogniwa fluorescencyjnego; Ilość = 2
CO2 laserowy analizator widmaInżynieria optyczna 16-AObecnie sprzedawany przez Macken Instruments Inc.
Płytki termowizyjne ze światłem UVInżynieria optyczna Używany głównie do ustawiania laserów referencyjnych CO2. Obecnie sprzedawane przez Macken Instruments Inc.
RezystoryOhmite L225J100K100 kW, 225 W. W każdym systemie statecznikowym stosuje się od 4 do 6 rezystorów. Każdy laser CO2 ma swój własny system balastowy. Wentylatory służą do chłodzenia rezystorów.
Przekaźnik WN, ilość SPDTCII TechnologiesH-17= 3; po jednym dla każdego wzmacniacza laserowego CO2
 Princeton Applied ResearchPAR 113Używany z komórką fluorescencyjną; Ilość = 2
OscyloskopTektronix2235AStosowane są również podobne modele; Ilość = 2
Oscyloskop/Wzmacniacz różnicowyOscyloskop Tektronix7903 ze wzmacniaczem różnicowym 7A22
To jest miernik mocy pokazany na rysunku 2.
Miernik mocy z czujnikiemScientech, IncVector S310Do użytku poniżej 30 W
MultimetrFluke73IIIStosowane są również podobne modele; Ilość = 3
Akwizycja danychObudowa National InstrumentsNI cDAQ 9174 z modułem wejściowym NI 9223Wykorzystuje oprogramowanie LabVIEW
Simichrome polishHappich GmbHPolish dla bazy niklowej stosowanej w detektorze diodowym MIM. Chociaż podstawa niklowa może być używana natychmiast po polerowaniu, zwykle zalecany jest 12-godzinny czas realizacji.
ManometrWallace and Tiernan61C-1D-0050Seria 300; do lasera CO2; Ilość = 3
Manometr ze sterownikiemGranville PhillipsSeries 375Do lasera dalekiej podczerwieni
Filc z tlenku cyrkonuFilc cyrkonowyZYFUżywany jako ogranicznik wiązki
Płyta z tlenku cyrkonu Tablica z tlenku cyrkonuZirconiaZYZ-3Używany jako ogranicznik wiązki; Ilość = 4
arkusze teflonoweScientific Commodities, IncBB96312-1248o grubości 1/32 cala; używany do okna wyjściowego lasera dalekiej podczerwieni
Polipropylenoweochraniacze arkuszy C-Line61003używane do okna wyjściowego lasera dalekiej podczerwieni
Smar próżniowyApiezon
ZasilaczKepcoNTC 2000PZT
Zasilacz Rura PZTMorgan Advanced MaterialsDługość 1 cal, średnica zewnętrzna 1 cal, grubość 0,062 cala, odwrotna polaryzacja (dodatnie napięcie na zewnątrz); Ilość = 3
ZnSe (powlekane AR)II-VI IncOkno lasera CO2 (ilość = 3), soczewka i rozdzielacz wiązki (ilość 3)
Okno NaClIlość Edmond Optics= 1
okno CaFIlość Edmond Optics= 2
Lustra i kraty laseroweHyperfine, IncPokryty złotem; zawiera lustra pozycjonujące
Szklane tuby laserowe i ogniwa referencyjneAllen Scientific Glass
Detektor diodowy MIMCustom Microwave, Inc
InneInne materiały obejmują podstawy magnetyczne, płyty podstawy, zaciski podstawy, stolik translacyjny XYZ itp.
Miernik mocy z czujnikiem Coherent 200 Do użytku poniżej 10 W. 

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Technika trzech laser w heterodynowychlaser molekularny z pompowaniem optycznymreferencyjne lasery dwutlenku w gladetektor diodowy metal izolator metalpomiar cz stotliwo ci analizatorem widmao rodek laserowy z difluorometanuanaliza cz stotliwo ci dudnieniepewno cz stotliwo ci laserazastosowania w obrazowaniu terahercowym

Powiązane artykuły