A caracterização das emissões laser Far-infrared e da medição de suas frequências

O objetivo geral deste procedimento é gerar radiação a laser no infravermelho distante e medir as frequências das emissões a laser geradas utilizando uma técnica heterodina com três lasers. Isso é realizado primeiramente enviando radiação a laser de dióxido de carbono para uma cavidade a laser no infravermelho distante. O segundo passo consiste em variar os parâmetros operacionais de ambas as cavidades a laser para gerar radiação a laser no infravermelho distante e observar a radiação detectada utilizando um osciloscópio.

Em seguida, a radiação do infravermelho distante é misturada com duas frequências de referência de laser de dióxido de carbono. Então, a frequência de batimento resultante é identificada. O passo final consiste em medir múltiplas frequências de batimento para calcular a frequência do laser de infravermelho distante.

Por fim, durante esta investigação, a técnica de heterodina a laser é utilizada para medir oito frequências de laser no infravermelho distante geradas pelo metano Diora. Pela primeira vez, no entanto, os resultados obtidos com este método podem fornecer informações sobre a espectroscopia da molécula laser. O método também pode ser aplicado a sistemas que exigem frequências precisas, como espectroscopia de alta resolução, astronomia de rádio e imageamento em terahertz.

Imagem Preparar-se para trabalhar com radiação a laser potencialmente prejudicial usando proteção ocular apropriada. Esta parte do protocolo utilizará um laser de dióxido de carbono e uma cavidade a laser de infravermelho distante de cobre polido. Este esquema fornece uma visão geral de como os dois são dispostos.

O laser de dióxido de carbono irá bombear a cavidade do laser de infravermelho distante, que será preenchida com metano diluído. Para este experimento, a saída do laser de infravermelho distante será detectada com um detector DDE de ponto de contato metal isolante metal. Comece trabalhando com o laser de dióxido de carbono ajustado em uma transição laser desejada aqui, nove R dois oito.

Coloque um obstáculo de feixe na saída do laser. Agora, gire o botão micrométrico do laser para maximizar a intensidade do feixe no obstáculo. Além disso, ajuste a inclinação da grade do laser para obter a intensidade máxima.

Continue ajustando o micrômetro DIO e o gradiente até que a potência de saída do laser de dióxido de carbono pareça otimizada. Quando terminar, remova o bloqueador de feixe do trajeto. Em seguida, ligue e alinhe um chopper óptico no trajeto do feixe do laser de bombeamento.

A seguir, inicie. Para preparar a cavidade do laser de infravermelho distante, abra a válvula do cilindro de difluormetano para introduzi-lo como meio na cavidade. Ajuste a válvula doseadora na linha de entrada para que uma pressão de aproximadamente 10 pascal ou 75 militorr seja alcançada.

Passe para ajustar o espelho de acoplamento de saída da cavidade. Use uma haste externa acoplada ao espelho para definir a posição do espelho a cerca de um centímetro do centro da cavidade, conforme indicado na escala calibrada. Em seguida, certifique-se de que a saída do detector esteja conectada a um osciloscópio.

Em seguida, prepare-se para buscar radiação laser de infravermelho distante na cavidade de infravermelho distante. Utilize o mostrador micrométrico calibrado para ajustar o espelho móvel do laser no interior. Simultaneamente, controle a tensão aplicada ao transdutor piezoelétrico do laser de dióxido de carbono para sintonizar a frequência do laser.

Quando uma emissão a laser for detectada, a forma de onda no osciloscópio mudará de uma linha plana, representando ausência de emissão, para uma onda quadrada. Representando a presença de uma reemissão a laser no infravermelho distante, a potência do sinal deve ser otimizada antes de prosseguir. Em seguida, registre a posição do modo de cavidade específico no mostrador do micrômetro.

Gire o mostrador do micrômetro no sentido horário para encontrar o próximo modo. Observe a trilha do osciloscópio ficar plana. Em seguida, mostre outra onda quadrada.

Continue girando o dial no sentido horário até que um total de 21 modos tenha sido encontrado. Registre a posição final do dial e utilize-a para determinar o comprimento de onda da emissão. Para determinar as frequências do laser de infravermelho distante, utilize dois lasers de referência de dióxido de carbono.

Este esquema representa a configuração completa com os dois lasers de referência, o laser de bombeamento e a cavidade de infravermelho distante. A configuração é para uma técnica heterodina de três lasers, e os dois lasers de referência são ajustados de modo que a diferença de suas frequências esteja dentro de algumas gigahertz da frequência de infravermelho distante calculada a partir do comprimento de onda medido. Comece com um obstáculo de feixe no trajeto colinear dos lasers de referência.

Trabalhe com a saída de um laser de referência e meça-a com um medidor de potência. Mova lentamente o micrômetro do laser enquanto observa a leitura de potência e ajuste-o na posição correspondente à potência máxima. Uma vez ajustado, utilize uma chave Allen para fazer ajustes finos, alterando a inclinação da grade.

Alterne entre os dois para otimizar a potência de saída. Após otimizar a potência de saída de cada laser de referência, ajuste as diafragmas de cada laser. Cada laser deve fornecer aproximadamente 100 miliwatts de potência ao medidor de potência no trajeto do feixe.

Continue bloqueando o feixe do laser de bombeamento. Em seguida, substitua o obstáculo no caminho compartilhado dos lasers de referência por um cortador óptico. Agora, monitore o sinal do osciloscópio e trabalhe para maximizar a radiação focalizada no detector.

A partir dos lasers de referência. Bloqueie o segundo laser de referência e use uma lente plano-convexa para focalizar o feixe do primeiro laser de referência no detector. Em seguida, bloqueie o primeiro feixe de referência e desbloqueie o segundo feixe de referência.

Ajuste o divisor de feixe para maximizar o sinal do segundo laser de referência no detector. Para cada caso, observe o osciloscópio e pare. Quando o sinal de pico máximo estiver otimizado, retorne o obstáculo de feixe ao caminho do laser de referência colinear.

Remova o obstáculo do feixe do laser de bombeamento. Agora, monitore a potência de saída da emissão de infravermelho distante no osciloscópio. Neste caso, a potência já foi otimizada.

Uma vez que a potência tenha sido otimizada, desconecte o detector de diodo metalo-isolante-metálico do osciloscópio. Conecte o detector, por meio de um amplificador, a um analisador de espectro. Neste momento, remova todas as placas de bloqueio e choppers ópticos dos trajetos do feixe de bombeamento e do feixe de referência.

Em seguida, comece a procurar o sinal de batimento utilizando o analisador de espectro; configure o analisador para uma largura de banda de 40 megahertz e procure o sinal de batimento em incrementos de 1,5 gigahertz. Pare quando um sinal de batimento for encontrado. Quando o sinal for localizado, inicie a estabilização das frequências de referência.

Concentre-se em um laser de referência e aplique entre zero e 900 volts ao seu transdutor piezoelétrico para posicionar o sinal de sua célula de referência de fluorescência no centro do rebaixamento de Lamb. Ative um amplificador com detecção síncrona para manter o sinal no centro do rebaixamento de Lamb e repita os mesmos passos para o segundo laser de referência a fim de medir a frequência de batimento. Centralize o sinal de batimento no analisador de espectro e ajuste sua amplitude para maximizar seu tamanho na tela.

Configure o analisador de espectro para exibir simultaneamente o sinal instantâneo em azul e o sinal máximo em amarelo para um modo de cavidade específico. Gire o mostrador micrométrico da cavidade do laser de infravermelho distante para frente e para trás. Observe a curva de ganho produzida no analisador de espectro.

Uma vez que esteja simétrico, utilize o recurso de visualização para congelar o traçado do sinal máximo e determinar o sinal da frequência de batimento. Observe a variação da frequência de batimento enquanto o botão micrométrico é ligeiramente girado no sentido horário. Para medir a frequência central do sinal de batimento, posicione marcadores nos pontos de largura total à meia altura do padrão simétrico produzido pelo traçado do máximo.

Em seguida, utilize o recurso de par de linhas do analisador de espectro. Abaixo estão as frequências médias do laser de infravermelho distante medidas pela primeira vez com este protocolo e utilizando metano di-fluorado na cavidade de infravermelho distante. As médias são baseadas em pelo menos 12 medições realizadas com pelo menos dois conjuntos diferentes de linhas a laser de referência de dióxido de carbono.

As linhas destacadas correspondem a novas emissões a laser descobertas. A avaliação das incertezas inerentes ao sistema e uma comparação com frequências previamente relatadas sugerem uma incerteza fracionária de um sigma de cinco partes em 10 milhões. Observou-se que as novas emissões a laser possuem uma potência na faixa de milésimo a centésimo de um miliwatt, uma vez dominado o processo.

Essa técnica pode ser usada para determinar com precisão a frequência de emissões a laser intensas em cerca de uma ou duas horas. Não se esqueça de que trabalhar com lasers no infravermelho e no infravermelho distante pode ser extremamente perigoso, e precauções que incluam proteção ocular adequada, ventilação e inspeção frequente do equipamento, com ênfase em riscos elétricos e de água, devem ser tomadas durante a realização deste procedimento.