Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości

Ogólnym celem niniejszej procedury jest generowanie dalekopodczerwonego promieniowania laserowego oraz pomiar częstotliwości generowanych emisji laserowych przy użyciu trójlaserowej techniki heterodynowej. Jest to realizowane poprzez najpierw skierowanie promieniowania lasera dwutlenku węgla do wnęki lasera dalekopodczerwonego. Drugim krokiem jest zmiana parametrów pracy obu wnęk laserowych w celu wygenerowania dalekopodczerwonego promieniowania laserowego oraz obserwacja wykrytego promieniowania za pomocą oscyloskopu.

Następnie dalekie promieniowanie podczerwone jest mieszane z dwiema referencyjnymi częstotliwościami laserowymi dwutlenku węgla. Następnie identyfikuje się wypadkową częstotliwość dudnienia. Ostatnim krokiem jest pomiar wielu częstotliwości dudnienia w celu obliczenia częstotliwości dalekiego laserowego promieniowania podczerwonego.

W końcowym etapie niniejszego badania wykorzystano technikę trzech laserów heterodynowych do pomiaru ośmiu częstotliwości laserowych w dalekiej podczerwieni, generowanych przez metan Diora. Po raz pierwszy wyniki uzyskane tą metodą mogą dostarczyć wglądu w spektroskopię cząsteczki laserowej. Metoda ta może być również zastosowana w systemach wymagających precyzyjnych częstotliwości, takich jak spektroskopia wysokiej rozdzielczości, radioastronomia oraz obrazowanie terahercowe.

Obrazowanie Przygotuj się do pracy z potencjalnie szkodliwym promieniowaniem laserowym, zakładając odpowiednią ochronę oczu. Ta część protokołu wykorzystuje laser dwutlenku węgla oraz polerowaną miedzianą wnękę lasera dalekiej podczerwieni. Poniższy schemat przedstawia ogólny sposób rozmieszczenia obu tych elementów.

Laser dwutlenkowym będzie pompowana wnęka lasera dalekiej podczerwieni, która zostanie wypełniona rozcieńczonym metanem. W tym doświadczeniu wyjście lasera dalekiej podczerwieni będzie wykrywane za pomocą detektora DDE z punktowym kontaktem metal-izolator-metal. Należy rozpocząć pracę z laserem dwutlenkowym ustawionym na pożądaną przejście laserowe, tutaj: 9 R 28.

Umieść ogranicznik wiązki na wyjściu lasera. Następnie obróć pokrętłem mikrometru lasera, aby zmaksymalizować natężenie wiązki na ograniczniku. Dodatkowo wyreguluj nachylenie siatki lasera, aby uzyskać maksymalne natężenie.

Kontynuuj regulację mikrometru DIO oraz stopnia gradacji, aż moc wyjściowa lasera dwutlenku węgla wyda się zoptymalizowana. Po zakończeniu tej czynności usuń przesłonę wiązki z drogi promienia. Następnie włącz i wyrównaj optyczny przerywacz wiązki w torze wiązki lasera pompowego.

Następnie należy rozpocząć kolejne działanie. Aby przygotować wnękę lasera dalekiej podczerwieni, otwórz zawór butli z difluorometanem, aby wprowadzić go jako medium do wnęki. Dostosuj zawór dozujący na linii doprowadzającej tak, aby osiągnąć ciśnienie około 10 pascal lub 75 mTorr.

Przejdź do regulacji zwierciadła wyjściowego wnęki. Użyj zewnętrznego pręta przymocowanego do zwierciadła, aby ustawić jego pozycję około jednego centymetra od środka wnęki, zgodnie z odczytem ze skalibrowanej skali. Następnie upewnij się, że wyjście detektora jest podłączone do oscyloskopu.

Następnie należy przygotować się do poszukiwania dalekopodczerwonego promieniowania laserowego w rezonatorze dalekiej podczerwieni. Wykorzystaj skalibrowany mikrometr do regulacji ruchomego lustra laserowego wewnątrz układu. Jednocześnie kontroluj napięcie przyłożone do przetwornika piezoelektrycznego lasera dwutlenku węgla, aby dostroić częstotliwość lasera.

Po wykryciu emisji laserowej kształt fali na oscyloskopie zmieni się z linii płaskiej, reprezentującej brak emisji, w przebieg prostokątny. Sygnał ten wskazuje na obecność emisji dalekiej podczerwieni; przed kontynuacją należy zoptymalizować moc sygnału. Następnie należy zapisać pozycję konkretnej mody wnęki na tarczy mikrometru.

Obróć pokrętło mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby znaleźć następny tryb. Obserwuj, aż przebieg na oscyloskopie stanie się płaski. Następnie wyświetl kolejną falę prostokątną.

Kontynuuj obracanie pokrętła zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż zostanie odnalezionych łącznie 21 modów. Zapisz końcową pozycję pokrętła i wykorzystaj ją do wyznaczenia długości fali emisji. Aby określić częstotliwości dalekiego podczerwonego lasera, użyj dwóch laserów referencyjnych dwutlenku węgla.

Ten schemat przedstawia kompletny układ z dwoma laserami referencyjnymi, laserem pompującym oraz wnęką dalekiej podczerwieni. Konfiguracja jest przeznaczona dla heterodynowej techniki trójlaserowej, a dwa lasery referencyjne są ustawione tak, aby różnica ich częstotliwości mieściła się w granicach kilku gigaherców względem częstotliwości dalekiej podczerwieni obliczonej z pomierzonej długości fali. Należy rozpocząć od umieszczenia stopera wiązki na ścieżce kolinearnej laserów referencyjnych.

Pracuj z wyjściem jednego lasera referencyjnego i zmierz je za pomocą miernika mocy. Powoli przesuwaj mikrometr lasera, obserwując odczyt mocy, i ustaw go w pozycji odpowiadającej maksymalnej mocy. Po ustawieniu użyj klucza imbusowego, aby dokonać precyzyjnych regulacji poprzez zmianę nachylenia siatki.

Powtarzaj te czynności naprzemiennie w celu optymalizacji mocy wyjściowej. Po zoptymalizowaniu mocy wyjściowej każdego lasera referencyjnego, wyreguluj przysłony każdego z laserów. Każdy laser powinien dostarczać około 100 milliwattów mocy do miernika mocy znajdującego się na drodze wiązki.

Następnie zablokuj wiązkę lasera pompowego. Potem zastąp przysłonę wiązki w wspólnej ścieżce laserów referencyjnych przerywaczem optycznym. Teraz monitoruj sygnał z oscyloskopu i dąż do maksymalizacji promieniowania skupionego na detektorze.

Z laserów referencyjnych. Zablokuj drugi laser referencyjny i użyj soczewki plano-konweksyjnej, aby skupić wiązkę z pierwszego lasera referencyjnego na detektorze. Następnie zablokuj pierwszą wiązkę referencyjną i odblokuj drugą wiązkę referencyjną.

Wyreguluj dzielnik wiązki, aby zmaksymalizować sygnał z drugiego lasera referencyjnego docierający do detektora. W każdym przypadku obserwuj oscyloskop i zatrzymaj się. Gdy sygnał szczytowy zostanie zoptymalizowany, przywróć przesłonę wiązki na ścieżkę kolinearnego lasera referencyjnego.

Usuń przesłonę wiązki (beam stop) z lasera pompującego. Następnie monitoruj moc emisji w dalekiej podczerwieni na oscyloskopie. W tym przypadku moc została już zoptymalizowana.

Po zoptymalizowaniu mocy odłącz detektor diodowy metal-izolator-metal z oscyloskopu. Podłącz detektor za pomocą wzmacniacza do analizatora widm. Na tym etapie usuń wszystkie przysłony wiązki i modulatory optyczne z torów wiązki pomiarowej oraz referencyjnej.

Następnie należy rozpocząć poszukiwanie sygnału dudnienia za pomocą analizatora widma, ustawiając rozpiętość analizatora na 40 megahertz i wyszukując sygnał dudnienia w przyrostach 1,5 gigahertz. Proces należy przerwać po znalezieniu sygnału dudnienia. Po zlokalizowaniu sygnału należy przystąpić do stabilizacji częstotliwości odniesienia.

Skupić wiązkę jednego lasera referencyjnego i przyłożyć od 0 do 900 V do jego przetwornika piezoelektrycznego, aby sygnał z referencyjnej komórki fluorescencyjnej znajdował się w centrum zagłębienia Lamba. Aktywować wzmacniacz lock-in, aby utrzymać sygnał w centrum zagłębienia Lamba, a następnie powtórzyć te same kroki dla drugiego lasera referencyjnego w celu pomiaru częstotliwości dudnienia. Wycentrować sygnał dudnienia na analizatorze widma i dostosować jego amplitudę, aby zmaksymalizować jego rozmiar na wyświetlaczu.

Ustaw analizator widma tak, aby jednocześnie wyświetlał sygnał chwilowy w kolorze niebieskim oraz sygnał maksymalny w kolorze żółtym dla danego modu wnęki. Obracaj w przód i w tył pokrętłem mikrometru wnęki lasera dalekiej podczerwieni. Obserwuj krzywą wzmocnienia generowaną na analizatorze widma.

Gdy sygnał stanie się symetryczny, użyj funkcji widoku, aby zamrozić ślad sygnału maksymalnego w celu określenia znaku częstotliwości dudnienia. Zwróć uwagę na przesunięcie częstotliwości dudnienia podczas lekkiego obrotu tarczy mikrometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Aby zmierzyć sygnał dudnienia częstotliwości centralnej, umieść markery w punktach pełnej szerokości połówki maksimum (FWHM) symetrycznego wzorca wytworzonego przez ślad sygnału maksymalnego.

Następnie należy użyć funkcji pary zakresów (span pair) analizatora widm. Przedstawiono tutaj średnie częstotliwości dalekopodczerwonego lasera zmierzone po raz pierwszy za pomocą tego protokołu i przy użyciu difluorometanu w rezonatorze dalekiej podczerwieni. Średnie pochodzą z co najmniej 12 pomiarów wykonanych z wykorzystaniem co najmniej dwóch różnych zestawów referencyjnych linii laserowych dwutlenku węgla.

Zaznaczone wiersze odpowiadają nowo odkrytym emisjom laserowym. Ocena niepewności systemowych oraz porównanie z wcześniej raportowanymi częstotliwościami sugeruje względną niepewność na poziomie jednego odchylenia standardowego wynoszącą pięć milionowych części. Zaobserwowano, że nowe emisje laserowe po ustabilizowaniu mają moc w zakresie od 1000-tej do 100-tej części miliwata.

Tę technikę można wykorzystać do dokładnego wyznaczenia częstotliwości silnych emisji laserowych w ciągu około jednej lub dwóch godzin. Należy pamiętać, że praca z laserami podczerwonymi oraz obcymi laserami podczerwonymi może być niezwykle niebezpieczna; podczas wykonywania tej procedury należy zachować środki ostrożności, obejmujące odpowiednią ochronę oczu, wentylację oraz powtarzalną kontrolę sprzętu, ze szczególnym uwzględnieniem zagrożeń elektrycznych i wodnych.