Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości
18 grudnia 2015
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wygenerowanie promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni i pomiar częstotliwości generowanych emisji laserowych za pomocą techniki trójlaserowej heterodyny. Osiąga się to poprzez najpierw wysłanie promieniowania laserowego dwutlenku węgla do wnęki lasera dalekiej podczerwieni. Drugim krokiem jest zmiana parametrów pracy obu wnęk laserowych w celu wytworzenia promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni i obserwacji wykrytego promieniowania za pomocą oscyloskopu.
Następnie promieniowanie dalekiej podczerwieni jest mieszane z dwoma referencyjnymi częstotliwościami lasera na dwutlenek węgla. Następnie identyfikowana jest wynikowa częstotliwość dudnień. Ostatnim krokiem jest pomiar wielu częstotliwości dudnień w celu obliczenia częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni.
Ostatecznie, podczas tych badań, technika trzech laserów heterodynowych została wykorzystana do pomiaru ośmiu częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni generowanych przez metan Diora. Jednak po raz pierwszy wyniki tej metody mogą dostarczyć informacji na temat spektroskopii cząsteczki lasera. Może być również stosowany w systemach wymagających dokładnych częstotliwości, takich jak spektroskopia o wysokiej rozdzielczości, radioastronomia i obrazowanie terahercowe.
Obrazowanie Przygotuj się do pracy z potencjalnie szkodliwym promieniowaniem laserowym, nosząc odpowiednią ochronę oczu. W tej części protokołu wykorzystany zostanie laser na dwutlenek węgla i wnęka lasera dalekiej podczerwieni z polerowanej miedzi. Ten schemat zawiera przegląd tego, jak te dwa elementy są rozmieszczone.
Laser na dwutlenek węgla będzie pompował wnękę lasera dalekiej podczerwieni, która zostanie wypełniona dilu metanem. W tym eksperymencie wyjście lasera dalekiej podczerwieni zostanie wykryte za pomocą metalowego detektora punktowego DDE z izolatorem metalowym. Zacznij od pracy z laserem na dwutlenek węgla ustawionym na pożądane przejście laserowe tutaj, dziewięć R dwa osiem.
Umieść ogranicznik wiązki na wyjściu lasera. Teraz obróć tarczę mikrometryczną lasera, aby zmaksymalizować intensywność wiązki na ograniczniku wiązki. Ponadto dostosuj nachylenie gradacji lasera, aby osiągnąć maksymalną intensywność.
Kontynuuj regulację mikrometru DIO i stopniowania, aż moc wyjściowa lasera na dwutlenek węgla okaże się zoptymalizowana. Po zakończeniu usuń ogranicznik wiązki ze ścieżki. Następnie włącz i wyrównaj chopper optyczny w ścieżce wiązki lasera pompującego.
Następny start. Aby przygotować wnękę lasera dalekiej podczerwieni, otwórz zawór butli z metanem di fluoro, aby wprowadzić go jako medium do wnęki. Wyreguluj zawór dozujący na przewodzie doprowadzającym tak, aby osiągnąć ciśnienie około 10 paskal lub 75 militów.
Przejdź dalej, aby wyregulować wyjściowe lustro sprzęgające wnęki. Użyj zewnętrznego pręta przymocowanego do lusterka, aby ustawić pozycję lustra około jednego centymetra od środka wnęki, zgodnie z odczytem ze skalibrowanej skali. Następnie upewnij się, że wyjście detektora jest podłączone do oscyloskopu.
Następnie przygotuj się do poszukiwania promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni we wnęce dalekiej podczerwieni. Skorzystaj ze skalibrowanej tarczy mikrometrycznej, aby wyregulować ruchome lustro laserowe wewnątrz. Jednocześnie kontroluj napięcie przyłożone do przetwornika elektrycznego pizo lasera z dwutlenkiem węgla, aby dostroić częstotliwość lasera.
Po znalezieniu emisji laserowej kształt fali oscyloskopu zmieni się z płaskiego reprezentującego brak emisji do kształtu fali prostokątnej. Reprezentując obecność remisji lasera dalekiej podczerwieni, moc sygnału powinna być zoptymalizowana przed kontynuowaniem. Następnie zapisz położenie danego trybu wnęki na tarczy mikrometru.
Obróć pokrętło mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby znaleźć następny tryb. Obserwuj, jak ścieżka oscyloskopu staje się płaska. Następnie pokaż kolejną falę prostokątną.
Kontynuuj obracanie pokrętła zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż zostanie znalezionych łącznie 21 trybów. Zapisz ostateczną pozycję tarczy i użyj jej do znalezienia długości fali emisji. Aby określić częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni, użyj dwóch laserów referencyjnych na dwutlenek węgla.
Ten schemat przedstawia kompletną konfigurację z dwoma laserami referencyjnymi, laserem pompującym i wnęką dalekiej podczerwieni. Konfiguracja dotyczy techniki heterodyny trójlaserowej, a dwa lasery referencyjne są ustawione, więc ich różnica częstotliwości mieści się w granicach kilku gigaherców częstotliwości dalekiej podczerwieni obliczonej na podstawie zmierzonej długości fali. Rozpocznij od zatrzymania wiązki na ścieżce stożkowej laserów referencyjnych.
Pracuj z mocą wyjściową jednego lasera referencyjnego i zmierz ją za pomocą miernika mocy. Powoli przesuwaj mikrometr lasera, obserwując odczyt mocy i ustaw go w pozycji odpowiadającej mocy maksymalnej. Po ustawieniu użyj klucza imbusowego, aby dokonać precyzyjnych regulacji, zmieniając nachylenie nachylenia.
Iteruj między nimi, aby zoptymalizować moc wyjściową. Po zoptymalizowaniu mocy wyjściowej każdego lasera referencyjnego, wyreguluj każdą z przysłon lasera. Każdy laser powinien dostarczać około 100 miliwatów mocy do miernika mocy na ścieżce wiązki.
Kontynuuj, blokując wiązkę z lasera pompy. Następnie zastąp ogranicznik wiązki we wspólnej ścieżce laserów referencyjnych przerywaczem optycznym. Teraz monitoruj sygnał oscyloskopu i pracuj nad maksymalizacją promieniowania skupionego na detektorze.
Z laserów referencyjnych. Zablokuj drugi laser referencyjny i użyj wypukłej soczewki płaskiej, aby skupić wiązkę z pierwszego lasera referencyjnego na detektorze. Następnie zablokuj pierwszą belkę odniesienia i odblokuj drugą belkę odniesienia.
Wyreguluj rozdzielacz wiązki, aby zmaksymalizować sygnał z drugiego lasera referencyjnego do detektora. W każdym przypadku obserwuj oscyloskop i zatrzymaj się. Gdy sygnał szczytowy tope zostanie zoptymalizowany, przywróć ogranicznik wiązki do ścieżki lasera referencyjnego koliny.
Usuń ogranicznik wiązki z lasera pompy. Teraz monitoruj moc wyjściową emisji dalekiej podczerwieni na oscyloskopie. W tym przypadku moc została już zoptymalizowana.
Po zoptymalizowaniu mocy odłącz wykrywacz diod metalowych z izolatorem metalowym od oscyloskopu. Podłącz detektor za pomocą wzmacniacza do analizatora widma. W tym momencie należy usunąć wszystkie ograniczniki wiązki i przerywacze optyczne ze ścieżek pompy i wiązki odniesienia.
Następnie rozpocznij wyszukiwanie sygnału dudnienia za pomocą analizatora widma, ustaw analizator na zakres 40 megaherców i wyszukaj sygnał dudnienia w krokach co 1,5 gigaherca. Zatrzymaj się, gdy zostanie znaleziony sygnał dudnienia. Po znalezieniu sygnału zacznij stabilizować częstotliwości odniesienia.
Skoncentruj się na jednym laserze referencyjnym i przyłóż od zera do 900 woltów do jego przetwornika elektrycznego pizo, aby sygnał z fluorescencji komórki referencyjnej znajdował się w środku zanurzenia jagnięciny, aktywuj wzmacniacz blokujący, aby utrzymać sygnał w środku jagnięciny. Zanurz i powtórz te same kroki dla drugiego lasera referencyjnego, aby zmierzyć częstotliwość dudnienia. Wyśrodkuj sygnał dudnienia na analizatorze widma i dostosuj jego amplitudę, aby zmaksymalizować jego rozmiar na wyświetlaczu.
Ustaw analizator widma tak, aby jednocześnie pokazywał sygnał chwilowy na niebiesko i maksymalny sygnał na żółto dla danego trybu wnęki. Obracaj pokrętłem mikrometru we wnęce lasera dalekiej podczerwieni do przodu iz powrotem. Obserwuj krzywą wzmocnienia wytworzoną na analizatorze widma.
Gdy jest symetryczny, użyj funkcji widoku, aby zamrozić ślad maksymalnego sygnału, aby określić znak częstotliwości dudnienia. Zwróć uwagę na przesunięcie częstotliwości uderzeń, ponieważ tarcza mikrometru jest lekko obrócona zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Aby zmierzyć sygnał dudnienia o częstotliwości środkowej, umieść znaczniki na całej szerokości w połowie maksymalnych punktów symetrycznego wzoru utworzonego przez ślad maksimum.
Następnie użyj funkcji pary zakresów analizatora widma. Oto średnie częstotliwości lasera dalekiej podczerwieni zmierzone po raz pierwszy za pomocą tego protokołu i przy użyciu difluorometanu we wnęce dalekiej podczerwieni. Średnie dotyczą co najmniej 12 pomiarów wykonanych przy użyciu co najmniej dwóch różnych zestawów referencyjnych linii laserowych dwutlenku węgla.
Podświetlone rzędy odpowiadają nowo odkrytym remisjom laserowym. Ocena niepewności nieodłącznie związanych z systemem i porównanie z poprzednio podawanymi częstościami sugeruje niepewność ułamkową jednej sigma wynoszącą pięć części na 10 milionów. Zaobserwowano, że nowe emisje laserowe mają moc w zakresie od 1000 do 100 miliwatów po opanowaniu.
Technika ta może być wykorzystana do dokładnego określenia częstotliwości silnych emisji laserowych w ciągu około godziny lub dwóch. Nie zapominaj, że praca z laserami na podczerwień i obcymi laserami na podczerwień może być niezwykle niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy podjąć środki ostrożności, które obejmują odpowiednią ochronę oczu, wentylację i wielokrotną kontrolę sprzętu z naciskiem na zagrożenia elektryczne i wodne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie szczegółowo opisuje generowanię promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego oraz pomiar ich częstotliwości za pomocą technik heterodynowych. Użyty zestaw eksperymentalny wykorzystuje difluorometan (CH2F2) jako środowisko laserowe, co skutkuje wygenerowaniem trzech nowych emisji laserowych i pomiarem ośmiu częstotliwości laserowych.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Fizyka lasera
- Inżynieria optyczna
- Techniki pomiaru częstotliwości
Tło
- Promieniowanie dalekiej podczerwieni ma zastosowania w różnych dziedzinach nauki.
- Optycznie pompowane lasery molekularne są efektywne do generowania określonych długości fal.
- Techniki heterodynowe pozwalają na precyzyjne pomiary częstotliwości.
- Difluorometan jest odpowiednim środowiskiem dla tego rodzaju generowania lasera.
Cel badania
- Wygenerować promieniowanie laserowe dalekiej podczerwieni.
- Zmierzyć częstotliwości wygenerowanych emisji laserowych.
- Wykazać skuteczność techniki heterodynowej w pomiarze częstotliwości.
Zastosowane metody
- Promieniowanie laserowe dwutlenku węgla jest wprowadzane do jaskini laserowej dalekiej podczerwieni.
- Parametry operacyjne obu jaskini laserowych są zmieniane w celu wygenerowania promieniowania dalekiej podczerwieni.
- Wykryte promieniowanie jest obserwowane za pomocą oscyloskopu.
- Promieniowanie dalekiej podczerwieni jest mieszane z odniesieniowymi częstotliwościami lasera dwutlenku węgla w celu identyfikacji częstotliwości uderzeń.
Główne wyniki
- Wygenerowano trzy nowe emisje laserowe.
- Pomyślnie zmierzono osiem częstotliwości laserowych.
- Technika heterodynowa okazała się skuteczna w identyfikacji częstotliwości.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia generowania lasera dalekiej podczerwieni.
Wnioski
- Badanie z powodzeniem wykazało generowanię promieniowania laserowego dalekiej podczerwieni.
- Techniki heterodynowe są zweryfikowane pod kątem precyzyjnego pomiaru częstotliwości.
- Odnane wyniki mogą mieć wpływ na przyszłe badania nad zastosowaniami laserów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Accurate measurement of far-infrared laser frequencies is foundational for high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and terahertz imaging, all of which underpin advanced analytical and diagnostic platforms in biopharma R&D. The three-laser heterodyne technique enables precise frequency determination, supporting the development and validation of reference standards critical for translational research and assay development. Reliable frequency characterization reduces mechanistic ambiguity and enhances predictive confidence in molecular detection workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous interrogation of molecular transitions relevant to target validation in spectroscopic assays.
- Supports biological de-risking by providing precise reference frequencies for mechanistic studies.
- Facilitates portfolio triage by improving confidence in molecular detection and quantification.
Screening & Assay Development
- Provides validated frequency standards for assay calibration and reproducibility.
- Enables standardization of detection platforms for high-throughput screening applications.
- Supports quantitative outputs essential for reliable compound evaluation and comparison.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker strategies by ensuring continuity of spectral reference data.
- Reduces risk in preclinical model development through robust frequency measurement.
- Enhances predictive de-risking for molecular imaging and detection technologies.
Pipeline & Workflow Integration
This frequency measurement technique integrates from early discovery through assay development and into translational research, providing a reusable capability for molecular characterization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via precise spectral data.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative frequency standards for assay readiness.
- Analytics: Enables accurate measurement and comparison of molecular emissions using beat frequency analysis.
- Translational Research: Maintains continuity of reference standards across preclinical workflows.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, validated platform for ongoing molecular frequency characterization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in molecular detection.
- Operational Value: Standardizes frequency measurement, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of molecular detection platforms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser physics and frequency measurement techniques.
- Demands specialized instrumentation, including stabilized reference lasers and spectrum analyzers.
- Necessitates cross-team standardization for reproducible frequency calibration.
- Adaptable to various molecular systems with appropriate reference standards.
- Practical limitations include safety protocols for laser operation and environmental control.
