Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

تميز الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة وقياس تردداتها

Published: December 18, 2015 doi: 10.3791/53399
Automatic Translation
1,3, 2
1Department of Physics, Central Washington University, 2Department of Physics, University of Wisconsin-La Crosse, 3College of Science and Technology, Millersville University

Abstract

وقد وجدت الجيل والقياس اللاحق للإشعاع الأشعة تحت الحمراء البعيدة العديد من التطبيقات في قرار عالية من التحليل الطيفي، علم الفلك الراديوي، وتيراهيرتز التصوير. لمدة 45 عاما، وقد تم إنجاز جيل متماسك، والأشعة تحت الحمراء البعيدة باستخدام الليزر الجزيئي ضخ بصريا. وبمجرد اكتشاف أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة، ويتم قياس الترددات من هذه الانبعاثات ليزر باستخدام تقنية مغايرة ثلاثة الليزر. مع هذه التقنية، وتواتر غير معروف من الليزر الجزيئي ضخ بصريا مختلطة مع تردد الفرق بين اثنين استقرت، ترددات إشارة الأشعة تحت الحمراء. يتم إنشاء هذه الترددات المرجعية التي كتبها ليزر ثاني أكسيد الكربون مستقلة، استقرت كل باستخدام إشارة مضان من الخلية الخارجية إشارة الضغط المنخفض. ويتم رصد مما أدى فوز بين الترددات ليزر المعروفة وغير المعروفة من قبل المعدنية عازل المعادن نقطة اتصال للكشف عن الصمام الثنائي الذي لوحظ على المواصفات الانتاجمحلل trum. يقاس بعد ذلك وتيرة ضربات بين هذه الانبعاثات الليزر وجنبا إلى جنب مع ترددات إشارة معروفة لاستقراء المجهول تردد الليزر تحت الحمراء البعيدة. الناتج سيغما واحد عدم اليقين كسور للترددات ليزر قياس مع هذه التقنية هو ± 5 أجزاء في 10 7. تحديد بدقة وتيرة انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة أمر بالغ الأهمية في كثير من الأحيان يتم استخدامها كمرجع لقياس أخرى، كما هو الحال في ارتفاع تحقيقات، قرار الطيفية من الجذور الحرة باستخدام الليزر بالرنين المغناطيسي. وكجزء من هذا التحقيق، difluoromethane، CH 2 F 2، وكان يستخدم كوسيلة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. في كل شيء، تم قياس ثمانية الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة لأول مرة مع ترددات تتراوح 0،359-1،273 THz لل. تم اكتشاف ثلاثة من هذه الانبعاثات الليزر خلال هذا التحقيق، وذكرت مع ضغطهم الأمثل التشغيل، والاستقطاب فيما يتعلق CO 2

Introduction

تم إجراء قياس الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة أول مرة من قبل هوكر وزملاء العمل في عام 1967. وهي قياس الترددات ل311 و 337 ميكرون الانبعاثات من التصريف المباشر سيانيد الهيدروجين الليزر من خلال خلطها مع التوافقيات أجل عالية إشارة الميكروويف في الصمام الثنائي السيليكون 1. لقياس ترددات أعلى، استخدمت سلسلة من أجهزة الليزر وأجهزة خلط التوافقية لتوليد التوافقيات الليزر 2. في نهاية المطاف اثنين استقرت غاز ثاني أكسيد الكربون (CO 2) وقد تم اختيار الليزر لتجميع الفرق الضروري ترددات 3،4. اليوم، ترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة تصل إلى 4 THz للويمكن قياس مع هذه التقنية فقط باستخدام التوافقي الأول من تردد الفرق التي تم إنشاؤها بواسطة اثنين استقرت CO 2 الليزر المرجعية. كما يمكن قياس ارتفاع انبعاثات تردد الليزر باستخدام التوافقي الثاني، مثل انبعاثات 9 THz لليزر من isotopologues الميثانول CHD 2 OH وCH 3 18 OH. 5،6 على مر السنين، والقياس الدقيق للترددات ليزر أثرت على عدد من التجارب العلمية 7،8 ويسمح اعتماد تعريف جديد للمتر قبل المؤتمر العام للأوزان والمقاييس في باريس في 1983. 9-11

وقد تقنيات مغايرة، مثل تلك التي وصفها، مفيد جدا في قياس الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة التي تم إنشاؤها بواسطة الليزر الجزيئي ضخ بصريا. منذ اكتشاف الليزر الجزيئي ضخ بصريا عن طريق تشانغ والجسور 12 آلاف بصريا ضخت تم إنشاء الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة مع مجموعة متنوعة من وسائل الاعلام ليزر. على سبيل المثال، difluoromethane (CH 2 F 2) وisotopologues في توليد أكثر من 250 انبعاثات الليزر عندما ضخ بصريا من قبل CO 2 الليزر. وتتراوح الأطوال الموجية الخاصة بهم من حوالي 95،6-1714،1 ميكرون 13 - 15 وكان ما يقرب من 75٪ من هذه الانبعاثات الليزر تردداتها قياسها في حين أن العديد قد تم تعيينه الطيفي 16-18.

هذه الليزر، وتردداتها قياسها بدقة، وقد لعبت دورا حاسما في النهوض عالية الدقة التحليل الطيفي. أنها توفر معلومات هامة للدراسات طيفية الأشعة تحت الحمراء للغازات الليزر. وغالبا ما تستخدم هذه الترددات الليزر للتحقق من تحليل أطياف الأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء البعيدة لأنها توفر الاتصالات بين المستويات دولة الذبذبات متحمس التي غالبا ما تكون غير قابلة للوصول مباشرة من امتصاص الأطياف 19. أنها أيضا بمثابة مصدر الإشعاع الأساسي للدراسات التحقيق عابرة، والجذور الحرة قصيرة الأجل مع تقنية الليزر بالرنين المغناطيسي 20. مع هذه التقنية حساسة للغاية، أطياف زيمان التناوب وRO-الذبذبات في ذرات ممغطس، والجزيئات، والأيونات الجزيئية يمكن أن تكون صecorded وتحليلها جنبا إلى جنب مع القدرة على تحقيق معدلات تفاعل المستخدم في إنشاء هذه الجذور الحرة.

في هذا العمل، ليزر الجزيئي ضخ بصريا، كما هو موضح في الشكل 1، وقد استخدمت لتوليد أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة من difluoromethane. ويتكون هذا النظام من موجة مستمرة (الأسلحة الكيميائية) CO 2 مضخة ليزر وتجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة. مرآة الداخلية لتجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة إعادة توجيه أشعة الليزر CO 2 أسفل أنبوب النحاس المصقول، تمر ستة وعشرين انعكاسات قبل تنتهي في نهاية تجويف، ونثر ما تبقى من الإشعاع المضخة. ولذلك منتهى السعادة لعودته وسيلة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة باستخدام الهندسة ضخ عرضية. لتوليد عمل الليزر، يتم ضبط العديد من المتغيرات، وبعض في وقت واحد، وجميع هي الأمثل في وقت لاحق مرة واحدة لوحظ أشعة الليزر.

في هذه التجربة، ويتم رصد أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة التي كتبها a-INSU المعادنLATOR المعادن (MIM) نقطة الاتصال للكشف عن الصمام الثنائي. وقد استخدم كاشف الصمام الثنائي MIM لقياس تردد الليزر منذ عام 1969. 21-23 في قياسات تردد الليزر، كاشف الصمام الثنائي MIM هو خلاط التوافقي بين اثنين أو أكثر من مصادر الإشعاع الساقط على الصمام الثنائي. يتكون كاشف الصمام الثنائي MIM من سلك التنغستن شحذ الاتصال قاعدة النيكل المصقول بصريا 24. قاعدة النيكل لديها طبيعيا طبقة أكسيد رقيقة وهذا هو طبقة عازلة.

مرة واحدة تم الكشف عن الانبعاثات الليزر، تم تسجيلها في الطول الموجي، والاستقطاب، والقوة، وتحسين ضغط التشغيل في حين تم قياس ترددها باستخدام تقنية مغايرة ثلاثة الليزر 25-27 التالية الطريقة الموصوفة في الأصل في المرجع. ويبين الشكل 2 4. الليزر الجزيئي ضخ بصريا مع اثنين من الأسلحة الكيميائية CO 2 الليزر إشارة إضافية ذات ستا تردد مستقلنظم bilization التي تستخدم تراجع لامب في إشارة مضان 4.3 ميكرون من خلية المرجعي الخارجي، وانخفاض ضغط 28. وتحدد هذه المخطوطة العملية المستخدمة للبحث عن انبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، فضلا عن طريقة لتقدير الطول الموجي وفي تحديد بدقة وتيرتها. تفاصيل بشأن تقنية مغايرة ثلاثة الليزر فضلا عن مختلف مكونات ومعايير التشغيل للنظام يمكن العثور عليها في الجدول التكميلي A جنبا إلى جنب مع إشارات 4، 25-27، 29، و 30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. التخطيط للتجارب

  1. إجراء مسح للأدبيات لتقييم الأعمال السابقة التي أجريت باستخدام وسيلة ليزر من الفائدة، والتي لهذه التجربة هو CH 2 F 2. تحديد جميع انبعاثات الليزر المعروف جنبا إلى جنب مع جميع المعلومات عن خطوط مثل الطول الموجي والتردد. تتوفر 13،31 عدة استطلاعات للانبعاثات الليزر المعروف - 37.
  2. تجميع جميع التحقيقات الطيفية للجزيء تستخدم كوسيلة ليزر مع التركيز على فورييه مسبق تحويل 34 وبصري سمعي دراسات 38،39.

2. الانبعاثات توليد الأشعة تحت الحمراء البعيدة ليزر

  1. نظرة عامة على السلامة.
    1. تطوير إجراءات التشغيل القياسية للمختبر الذي يتضمن المناسبة لحماية العين عند العمل مع CO 2 وأنظمة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة.
  2. المواءمة والمعايرة.
    1. معايرة كل CO 2 لترعسير باستخدام محلل الطيف استنادا صريف المصممة ليزر CO 2 وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
    2. محاذاة المرايا نهاية ومرآة اقتران في تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة باستخدام الليزر وني بحيث تركز الإشعاع بها على كشف الصمام الثنائي MIM.
    3. توجيه الإشعاع من مضخة ليزر CO 2 في تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة من خلال نافذة كلوريد الصوديوم في زاوية ما يقرب من 72 س فيما يتعلق المحور تجويف.
    4. توجيه الإشعاع من اثنين من ليزر CO 2 إشارة إلى أي خلية مرجع كل منهما مضان الضغط المنخفض أو زملاء خطيا على كشف الصمام الثنائي MIM باستخدام شق شعاع والمرايا إضافية.
  3. الكشف عن أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة.
    1. تلميع قاعدة النيكل كل عدة أيام باستخدام طلاء المعادن القياسية.
    2. تجعيد سلك التنغستن 25 ميكرون إلى آخر النحاس وثني الأسلاك في configurأوجه هو مبين في الشكل (3).
    3. ضبط طول السلك بحيث يكون بين 10-20 الأطوال الموجية للإشعاع الذي يتم قياسه.
    4. Electrochemically حفر غيض من الأسلاك في محلول مشبع هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) عن طريق تطبيق الجهد (حوالي 3،5-5 VAC) إلى الحل.
    5. إعادة حفر غيض مع الجهد المنخفض (أقل من 1 VAC). هذا roughens غيض من الأسلاك ويحسن أداء الصمام الثنائي.
    6. شطف السلك بالماء المقطر.
    7. إدراج آخر النحاس إلى مساكن الصمام الثنائي MIM مرة واحدة السلك الجاف.
    8. وضع السلك في اتصال مع قاعدة النيكل باستخدام المسمار ومستوى النظام على ما يرام. اتصالات مما أسفر عن المقاومة عبر الصمام الثنائي بين 100 و 500 Ω عادة ما تستخدم عندما كشف وقياس أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة.
  4. توليد أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة.
    1. ضبط مضخة ليزر CO 2 على م الليزر محددission، على سبيل المثال، 9 P 36.
    2. قم بتدوير قرص ميكرومتر على مضخة ليزر CO 2 ذهابا وإيابا إلى تحقيق أقصى قدر من الكثافة في المحطة شعاع.
    3. ضبط الميل من صريف ضخ الليزر CO 2 إلى تحقيق أقصى قدر من الكثافة في المحطة شعاع.
    4. كرر الخطوات من 2.4.2 و2.4.3 حتى يظهر انتاج الطاقة لمضخة ليزر CO 2 الأمثل في المحطة شعاع.
    5. إزالة محطة شعاع من مسار مضخة ليزر CO 2.
    6. تشغيل ومحاذاة المروحية البصرية في مسار شعاع مضخة ليزر CO 2.
    7. فتح صمام على CH 2 F 2 اسطوانة لتقديم وسيلة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة في تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة.
    8. ضبط صمام القياس على خط مدخل إلى الضغط من حوالي 10 ويتحقق باسكال.
      ملاحظة: فقط الضغط تقريبي ضروري لأن يتم استخدامه كوسيلة لمسح منهجي ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة جavity.
    9. تعيين موقف مقرنة الانتاج بحيث طرفها الأبعد هو حوالي 1 سم من منتصف تجويف الليزر كما هو مبين من خلال مقياس مدرج على السطح الخارجي للتجويف الليزر.
      ملاحظة: فقط على الموقع التقريبي ضروري لأن يتم استخدامه كوسيلة لمسح منهجي تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة.
    10. ضبط موقف المنقولة الأشعة تحت الحمراء البعيدة مرآة ليزر في ما يقرب من 0.25 ملم الزيادات من خلال تناوب الهاتفي ميكرومتر معايرة ذهابا وإيابا. في وقت واحد توليف تردد من مضخة ليزر CO 2 من خلال منحنى مكاسبه عن طريق تغيير الجهد المطبق عبر محول كهربائي ضغطي ضخ الليزر CO 2 (PZT).
    11. إذا لوحظ عدم وجود إشارة على الشاشة الذبذبات، كرر الخطوة 2.4.10 مع مقرنة الانتاج انتقلت الى موقفها التالي حيث غيض حوالي 1.5 سم من منتصف تجويف الليزر كما هو مبين من خلال مقياس مدرج من الخارج ليزر تجويف.
    12. إذا لوحظ عدم وجود إشارة على الشاشة الذبذبات، كرر الخطوة 2.4.10 مع مقرنة الانتاج انتقلت الى موقفها التالي حيث غيض حوالي 2 سم من منتصف تجويف الليزر كما هو مبين من خلال مقياس مدرج من الخارج ليزر تجويف.
    13. إذا لوحظ عدم وجود إشارة على الشاشة الذبذبات، كرر الخطوات من 2.4.9 من خلال 2.4.12 مع الضغط ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة حوالي 19 باسكال بعد تعديلها مع صمام القياس على خط مدخل.
    14. إذا لوحظ عدم وجود إشارة على الشاشة الذبذبات، كرر الخطوات من 2.4.9 من خلال 2.4.12 مع الضغط ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة حوالي 27 باسكال بعد تعديلها مع صمام القياس على خط مدخل.
    15. إذا لوحظ عدم وجود إشارة على الشاشة الذبذبات، إدراج المحطة شعاع في طريق مضخة ليزر CO 2 وإغلاق صمام على CH 2 F 2 اسطوانة حتى الضغط ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة حوالي 0 باسكال.
    16. ضبط مضخة CO 2الليزر لانبعاث الليزر المقبل، على سبيل المثال، 9 ف 34، وتحسين انتاج الطاقة باستخدام الخطوات 2.4.2 خلال 2.4.4.
    17. كرر الخطوات من 2.4.5 من خلال 2.4.16 حتى يتم استخدام كافة الانبعاثات الناتجة عن مضخة ليزر CO 2. عند البحث عن خطوط ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، ضع التركيز على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ليزر 2 مضخة التي تتداخل مع أي مناطق امتصاص المحددة في الخطوة 1.2 الترددات.
  5. تميز انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة.
    1. في الوقت نفسه ضبط ضغط المتوسط ​​ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، والجهد المطبق على PZT ضخ الليزر CO 2، وموقف مقرنة الإخراج حتى يتم تكبير انتاج الطاقة من انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة و(يحدده كحد أقصى الذروة ل- إشارة الذروة من كشف الصمام الثنائي MIM كما لوحظ على الشاشة الذبذبات، على غرار الشكل 4).
    2. تحويل اتجاه عقارب الساعة الطلب ميكرومتر حتى لوحظ انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة علىعرض الذبذبات. تسجيل موقف من الاتصال الهاتفي ميكرون.
    3. تحويل اتجاه عقارب الساعة الطلب ميكرومتر ل20 وسائط إضافية المقابلة لنفس الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تسجيل موقف من الاتصال الهاتفي ميكرون.
    4. طرح الموقف من الاتصال الهاتفي ميكرومتر في الخطوات 2.5.2 و2.5.3. تقسيم هذه الفرق بنسبة 10 إلى الحصول على الطول الموجي للانبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة.
    5. كرر الخطوات من 2.5.2 خلال 2.5.4 ما مجموعه خمس مرات، ومتوسط ​​الطول الموجي للانبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة. متوسط ​​موجات الليزر قياس التي تعبر على الأقل 20 طرق طولية المجاورة لها عدم اليقين سيغما أحد ± 0.5 ميكرون.
    6. قياس الاستقطاب من أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة، نسبة إلى مضخة الإشعاع CO 2، وذلك باستخدام إما المستقطب الذهب سلك الشبكة (394 خطوط / سم) أو المستقطب بروستر.

3. تحديد الأشعة تحت الحمراء البعيدة ترددات الليزر

  1. التعرفجي انبعاثات الليزر إشارة CO 2.
    1. حساب وتيرة انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة على أساس طول موجته قياسه.
    2. تحديد مجموعات من CO خطوط الليزر 2 المرجع الذي هو ضمن عدة غيغاهرتز من التردد المحسوب لانبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة 40 فرق التردد. تظهر قائمة المعتادة المستخدمة في هذه القياسات في الجدول 1.
  2. البحث عن إشارة مغايرة فوز.
    1. تحديد أول مجموعة من خطوط ليزر CO 2 المرجعية وتعيين كل الليزر إشارة CO 2 على انبعاث الليزر لها.
    2. تحسين انتاج الطاقة لكل الليزر إشارة CO 2 باستخدام الخطوات 2.4.2 خلال 2.4.4 ومتر مراقبة السلطة.
      1. ضبط قزحية، إما داخلية أو خارجية كل الليزر المرجعية، بحيث السلطة من كل الليزر إشارة CO 2 حوالي 100 ميغاواط مقاسا متر مراقبة السلطة هو مبين فيالرقم 2.
    3. منع الإشعاع من مضخة ليزر CO 2 باستخدام توقف شعاع في حين رفع الحظر على الإشعاع من أشعة الليزر إشارة CO 2.
    4. تشغيل ومحاذاة المروحية البصرية في مسار الشعاع شارك الخطي للأشعة الليزر إشارة CO 2.
    5. تحسين لأقصى قدر من ذروة إلى ذروة الجهد كل CO 2 الانبعاثات الليزر إشارة على كشف الصمام الثنائي MIM باستخدام العديد من المرايا، شق شعاع، و2.54 سم الطول البؤري ZnSe بلانو عدسة محدبة مع مراعاة الإخراج على الذبذبات، على غرار الشكل 5 .
    6. منع الإشعاع من أشعة الليزر إشارة CO 2 باستخدام توقف شعاع في حين رفع الحظر على الإشعاع من مضخة ليزر CO 2.
    7. إعادة تحسين ضخ ليزر CO 2 والليزر تحت الحمراء البعيدة، عند الضرورة، بحيث انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة لديه الحد الأقصى من الذروة إلى الذروة الجهد كما لوحظ على الذبذبات.
    8. ر قطع الاتصالانه MIM الانتاج كاشف الصمام الثنائي من الذبذبات وتوصيله إلى مكبر للصوت الذي يتم الاحتفال به يوم محلل الطيف الانتاج.
    9. الافراج عن الإشعاع من أشعة الليزر إشارة CO 2.
    10. إزالة المروحيات البصرية تحوير مضخة والمرجعية الليزر CO 2.
    11. تعيين محلل الطيف على 40 ميغاهيرتز فترة والبحث عن إشارة فوز في 1.5 غيغاهرتز الزيادات عن طريق مسح هذا النطاق التردد يدويا باستخدام مقبض تعديل محلل الطيف.
    12. إذا لوحظ عدم وجود إشارة فوز، قطع الناتج الصمام الثنائي MIM من مكبر للصوت وتوصيله إلى الذبذبات.
    13. منع الإشعاع من أشعة الليزر إشارة CO 2 وأعد المروحية البصرية في طريق مضخة ليزر CO 2.
    14. كرر الخطوات من 3.2.2 من خلال 3.2.13 الضرورة حتى تم استخدام تحليل الطيف للبحث عن إشارة نبض بين 0 و 12 غيغاهيرتز.
    15. إذا لوحظ عدم وجود إشارة فوز، repeفي خطوات 3.2.2 من خلال 3.2.14 مع مجموعة أخرى من CO خطوط الليزر 2 إشارة إلى إما لوحظ إشارة فوز أو كل مجموعة ممكنة من خطوط ليزر CO 2 المرجعية هي منهكة.
  3. استقرار ترددات إشارة CO 2.
    1. تطبيق الجهد بين 0 و 900 V إلى PZT أول CO 2 الليزر المرجعية بحيث الإشارة من خلية إشارة مضان الخاصة به على ما في وسط تراجع لامب، هو موضح في الشكل (6) وكما ينظر اليها على الذبذبات كما في الشكل (7).
    2. تفعيل الجهد ردود الفعل تطبيقها على PZT أول CO 2 الليزر إشارة لاستخدام قفل في / أجهزة مكبر للصوت مخصص بنيت بحيث تبقى مقفلة لوسط تراجع لامب.
    3. كرر الخطوات من 3.3.1 و 3.3.2 للمرة الثانية CO 2 الليزر المرجعية.
    4. بصريا مراقبة الانتاج من قبل أمبير على الذبذبات، كما في الشكل 7، لENتأكد من أن أشعة الليزر إشارة لا تزال مقفلة.
  4. قياس وتيرة ضربات.
    1. توسيط إشارة فوز على شاشة محلل الطيف وضبط السعة لتحقيق أقصى قدر حجمه على الشاشة.
    2. تعيين محلل الطيف لعرض اثنين من آثار في وقت واحد للإشارة فوز، كما في الشكل 8، من خلال تحديد ميزة الكتابة واضحة لكل من تتبع 1 وتتبع 2. واحد أثر سيتم عرض إشارة لحظية في حين أن الآخر سوف يسجل الحد الأقصى للإشارة (باستخدام ميزة عقد ماكس على تحليل الطيف للالتتبع الثاني).
    3. قم بتدوير قرص ميكرومتر على تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة ذهابا وإيابا عبر منحنى مكسب للوضع تجويف معين.
    4. استخدام ميزة عرض على محلل الطيف لتجميد الثاني (ماكس التملك) تتبع مرة واحدة يتم الحصول على نمط متماثل.
    5. تناوب قليلا في اتجاه عقارب الساعة الطلب ميكرومتر لتقليل طول تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة. نلاحظ في وقت واحد الغواصاتequent تحول طفيف في وتيرة ضربات على تحليل الطيف بسبب هذه الزيادة طفيفة في وتيرة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة.
    6. وضع علامات على العرض الكامل بنصف أقصى قدر من النقاط من نمط متماثل (ماكس عقد التتبع) باستخدام وظيفة ماركر مع ميزة دلتا على تحليل الطيف.
    7. قياس التردد المركزي للإشارة ضربات باستخدام ميزة سبان زوج على تحليل الطيف.
    8. كرر الخطوات من 3.4.1 خلال 3.4.7.
    9. فك الارتباط بين تلك قفل في مكبر للصوت / المؤازرة لكل الليزر إشارة CO 2 لفتح كل يزر من تردد وسطها وإعادة الاستفادة من كل ليزر إشارة CO 2.
    10. إعادة قفل الليزر المرجعية باستخدام الخطوات 3.3.1 خلال 3.3.4.
    11. كرر الخطوات من 3.4.1 من خلال 3.4.10 ليصبح المجموع 6 القياسات. مرة واحدة كاملة، وفتح كل CO 2 الليزر إشارة من التردد وسطها.
    12. حساب التردد منقحة من الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة باستخدام هذه ضربات الصحائفquencies الحصول على تقدير دقيق لمجموعة ثانية من CO خطوط الليزر 2 المرجعية.
    13. تحديد مجموعة مختلفة من CO خطوط الليزر 2 المرجع الذي هو ضمن عدة غيغاهرتز من التردد يحسب لانبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة الفرق تردد.
    14. تحسين المجموعة التالية من CO 2 خطوط الليزر إشارة على كشف الصمام الثنائي MIM والحصول على إشارة ضربات باستخدام خطوات 3.2.2 من خلال 3.2.15 الضرورة.
    15. قفل مجموعة جديدة من خطوط CO 2 الليزر المرجعية باستخدام الخطوات 3.3.1 خلال 3.3.4.
    16. كرر الخطوات من 3.4.1 من خلال 3.4.10 ليصبح المجموع 6 القياسات. مرة واحدة كاملة، وفتح كل CO 2 الليزر إشارة من التردد وسطها.
    17. توقف إدراج شعاع في مسارات مضخة والمرجعية الليزر CO 2.
  5. حساب التردد ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة.
    1. حساب مجهول تردد الليزر تحت الحمراء البعيدة، ν معلومات الطيران، وذلك باستخدام قياس تكونفي التردد من خلال العلاقة
      FIR = | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | ν ضربات | مكافئ. 1
      حيث | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | هو حجم تردد الفرق توليفها من قبل اثنين من CO 2 الليزر المرجعية و| ν ضربات | هو حجم التردد فوز. علامة ± في المعادلة. 1 يتم تحديد تجريبيا من الخطوة 3.4.5.
    2. الحصول على معدل تردد وحسابالشك.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

كما ذكر، وتواتر التقارير عن انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة في المتوسط ​​من اثني عشر على الأقل قياسات أجريت مع اثنين على الاقل من مجموعات مختلفة من CO خطوط الليزر 2 المرجعية. ويبين الجدول 2 البيانات المسجلة لانبعاث 235.5 ميكرون الليزر عند استخدام 9 P 04 CO 2 مضخة ليزر. لهذا الانبعاث ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وسجلت أربعة عشر القياسات الفردية للتردد فوز. تم تسجيل أول مجموعة من القياسات أثناء استخدام 9 R 10 و 9 P 38 CO 2 انبعاثات الليزر المرجعية. لخطوة 3.4.5، كما زادت وتيرة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة قليلا، لوحظ تردد فاز أيضا في الزيادة. وهذا يدل على أن تردد ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة أكبر من حجم التردد الفرق بين 9 R 10 و 9 P 38 CO 2 الليزر المرجعية، | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |. وبالتالي فإن علامة سو وتيرة ضربات في المعادلة 1 كانت إيجابية لهذه المجموعة من CO 2 الليزر المرجعية. على العكس من ذلك، تستخدم مجموعة ثانية من القياسات 9 R 16 و 9 P 34 CO انبعاثات الليزر 2 المرجعية. عندما تم تنفيذ الخطوة 3.4.5، لوحظ وجود انخفاض في وتيرة ضربات بينما زادت وتيرة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة قليلا. وهذا يدل على أن تردد ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة أقل من حجم التردد الفرق بين 9 R 16 و 9 P 34 CO 2 الليزر المرجعية. لذلك، لهذه المجموعة من CO 2 الليزر إشارة وعلامة على وتيرة ضربات في المعادلة 1 سلبي. كما هو موضح في الجدول رقم 2، ويحسب تردد الليزر تحت الحمراء البعيدة، ν FIR، سواء بالنسبة لحالات بقيت على حالها إلى داخل ± 0.12 ميغاهيرتز سيغما واحدة الانحراف المعياري.

يتم سرد متوسط ​​الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة تحديدها مع هذه التقنية التجريبية في 2. يتم الإبلاغ عن متوسط ​​الترددات الليزر مع الطول الموجي المقابل ومتجه مموج موجه، وتحسب باستخدام 1 سم -1 = 29 979.2458 ميغاهيرتز. تم قياس جميع الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة تحت ظروف التشغيل المثلى. طوال هذا التحقيق، وكانت عدة ترددات ذكرت سابقا المقاسة، وتبين أن أتفق مع القيم التي تم نشرها. حالة عدم اليقين كسور سيغما واحد، Δν، ترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة يقاس مع هذه التقنية هو ± 5 × 10-7. ويستمد هذا الغموض من استنساخ الترددات المعروفة مع هذا النظام، والتماثل وعرض منحنى الربح الموسعة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، ودقة القياسات 4،25،31.

وقد لوحظت انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة اكتشف خلال هذا التحقيق أن يكون لها قوة 'W &# 8217؛ الموافق مجموعة في السلطة ،001-0،01 ميغاواط. وعلى سبيل المقارنة، وقد لوحظ خط 118.8 ميكرون من الميثانول مع هذا النظام ليكون VVS مع قوة أعلى قليلا من 10 ميغاواط عند استخدام 9 P 36 CO 2 مضخة وجود قوة 18 W. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن الجدول 3 استقطاب كل جديد انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة تقاس نسبة إلى المعنيين CO 2 مضخة ليزر لها. في معظم الحالات، لوحظ والاستقطاب واحد فقط للسيطرة، إما موازية أو الاستقطاب عمودي على مضخة ليزر CO 2. في الحالات التي لم يلاحظ أي الاستقطاب السائد، وقد أدرجت كل من الاستقطابات.

باختصار، تم إنشاء ثمانية انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة التي كتبها difluoromethane باستخدام نظام الليزر الجزيئي ضخ بصريا وجود هندسة ضخ عرضية. وهذا يشمل اكتشاف ثلاثة انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة وجود موجات من 235.5، 335.9، 416.8 وميكرون. مرة الكشف، تم استخدام تقنية مغايرة ثلاثة الليزر لقياس تردد لاحظ كل الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تراوحت الترددات لهذه الانبعاثات الليزر 0،359-1،273 THz للوذكرت مع الشكوك كسور ± 5 أجزاء في 10 7.

الشكل 1
الشكل 1. رسم تخطيطي للنظام الليزر الجزيئي ضخ بصريا يتكون من غاز ثاني أكسيد الكربون مضخة ليزر وتجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة، والمتوسطة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة هو متحمس باستخدام الهندسة ضخ عرضية. طبع مع تعديلات طفيفة من المرجع. 15 بعد الحصول على اذن من الوثاب العلوم والأعمال وسائل الإعلام. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

= "دائما"> الرقم 2
الشكل 2. رسم تخطيطي من وتيرة مغايرة نظام قياس ثلاثة الليزر. ويشمل النظام مغايرة الليزر الجزيئي ضخ بصريا باستخدام هندسة ضخ عرضية واثنين من الليزر إضافية المرجعية ثاني أكسيد الكربون. لم تظهر هي الأنظمة الإلكترونية المستخدمة لرصد وتحقيق الاستقرار في الإشعاع الناجم عن كل الليزر. © [2015] IEEE. طبع، مع تعديلات طفيفة وإذن، من المرجع. 27. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. أسلاك التنجستن المستخدمة في MIM نقطة اتصال للكشف عن الصمام الثنائي كما ينظر اليها من خلال عدسة مكبرة، وطول السلك حوالي 2 مم. للعمل أفضل فصل الربيع، وينبغي أن تكون الزوايا في منعطف قرب 90 س وجميع تكمن في نفس الطائرة.

الرقم 4
الرقم 4. الموجي الناتجة عن انبعاث 274.8 ميكرون الليزر CH ضخ بصريا 2 F 2 باستخدام 9 P 04 CO 2 مضخة ليزر كما تراه على شاشة الذبذبات. والتضمين المضخة الإشعاع CO 2 من قبل المروحية الضوئية التي تعمل على ما يقرب من 45 هرتز. المقاومة للكشف الصمام الثنائي MIM ما يقرب من 100 وإشارة ما يقرب من 6 μV (الذروة إلى الذروة). تم تعيين عرض الذبذبات في 10 μV / شعبة.

الرقم 5
الشكل 5. اليسار وصور الوسطى تظهر الإخراج من كل الليزر إشارة CO 2، 9 R 16 و 9 P 34، على التوالي. إشارة التضمين منها على الذبذبات ما يقرب من 4 بالسيارات (الذروة إلى الذروة) لحوالي 100 ميغاواط من الكهرباء، مقاسا متر مراقبة السلطة. تبين الصورة الصحيحة للإشارة الجمع من كل من ليزر الإشارة إلى أن ما يقرب من 7 بالسيارات (الذروة إلى الذروة) تشير إلى الإشارات المرجعية هما الاختلاط بشكل صحيح على جهاز كشف الصمام الثنائي MIM. المقاومة للكشف الصمام الثنائي MIM ما يقرب من 100 Ω. تم تعيين عرض الذبذبات في كل صورة في 1 بالسيارات / شعبة. والتضمين الإشعاع CO 2 من قبل المروحية الضوئية التي تعمل في حوالي 70 هرتز.

الشكل (6)
الرقم 6. إشارة مضان المشبعة في الضغط المنخفض (6 باسكال) CO 2 أثناء استخدام 9 R 24 CO 2انبعاث الليزر يتم الحصول على هذا الرسم البياني عن طريق تحوير انبعاث الليزر إشارة CO 2 عبر المروحية الخارجية في 52 هرتز بينما رفعت الجهد المطبق على PZT الليزر إشارة CO 2 من 0 إلى ما يقرب من 570 V في حوالي 13 دقيقة. يتم تعيين مكبر للصوت قفل في ل300 مللي ثانية الوقت ثابت والحساسية 200 بالسيارات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. إشارة مضان المشبعة في الضغط المنخفض (6 باسكال) CO 2 أثناء استخدام 9 R 24 CO انبعاثات 2 الليزر كما ينظر اليها على الذبذبات. وتشير الصورة اليسرى العرض الذبذبات عندما PZT الجهد هو بعيدا عن مركز لل تراجع الضأن، ما يقرب من 80 V في الهو الصورة. الوسط واليمين الصور تدل على الشاشة الذبذبات عندما PZT الجهد هو إما مباشرة إلى اليسار أو اليمين من وسط تراجع لامب، ما يقرب من 278 و 295 V على التوالي في هذه الصور. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .

الرقم 8
الرقم 8. إشارة نبض بين الانبعاثات 235.5 ميكرون الليزر CH ضخ بصريا 2 F 2 باستخدام 9 P 04 CO 2 مضخة ليزر و9 R 16 و 9 P 34 CO 2 الليزر المرجعية. A مدى ما يقرب من 25 ميغاهيرتز هو عادة مستعمل. ويلاحظ أن غالبية إشارات ضربات داخل ± 5 غيغاهرتز. ومع ذلك، هناك مناطق معينة تردد داخل هذه معلمات البحث التي تحتوي على signal- منخفضةإلى الضجيج. لذلك، وذلك باستخدام منطقة البحث أكبر قليلا كان في بعض الأحيان مفيدة.

الرقم 9
الرقم 9. جزء من مرنان للتداخل الليزر نموذجي (أو تجويف المسح الضوئي)، ويتألف من مجموعة من القمم المنفصلة التي تتوافق مع وسائط مرنان، ويفصل المناطق التي لم يحدث الليزر. ويبين هذا المسح انبعاث 511.445 ميكرون الليزر الناتجة عن ضخ بصريا CH 2 F 2 باستخدام 9 R 28 CO 2 مضخة. انخفاض في موقف ميكرومتر يتوافق مع انخفاض في (الفصل مرآة إلى مرآة) طول تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة. الصمام الثنائي MIM الكشف عن أقصى إشارة 20 μV الذروة إلى الذروة التي تولدها هذه الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تم تسجيل الإخراج من كشف باستخدام مكبر للصوت قفل في، تعيين على 300 مللي ثانية الوقت ثابت و20 μV الحساسيهذ، ربطه بجهاز كمبيوتر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1
الجدول 1: مجموعات من CO 2 الليزر المرجعية التي تقع بالقرب من التردد المحسوب لانبعاث 235.5 ميكرون الليزر من CH ضخ بصريا 2 F 2 تردد الفرق عندما متحمس باستخدام 9 P الانبعاثات 04 CO 2 الليزر.

الجدول 2
الجدول 2: قياس الترددات ضربات لانبعاث 235.5 ميكرون الليزر من CH ضخ بصريا 2 F 2 عندما متحمس باستخدام 9 P الانبعاثات 04 CO 2 الليزر. مجموعتين من CO 2 الليزر المرجعية هي استخدامد لتوليد تردد الفرق المعروفة (| ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |).

الجدول 3
الجدول 3: ترددات جديدة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة من CH ضخ بصريا 2 F 2.

الجدول 4
الجدول التكميلي A: التفاصيل الفنية للنظام التجريبي بما في ذلك بعض المكونات التجارية ذات الصلة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

هناك العديد من الخطوات الحاسمة في البروتوكول الذي يتطلب بعض المناقشات إضافية. عند قياس الطول الموجي ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، على النحو المبين في الخطوة 2.5.3، فمن المهم ضمان نفس النمط من انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة يتم استخدامه. (أي TEM 00، TEM 01، الخ) يمكن أن تتولد وسائط متعددة من طول موجة الليزر تحت الحمراء البعيدة داخل تجويف الليزر وبالتالي فمن المهم التعرف على وسائط تجويف المجاور المناسبة التي تستخدم لقياس الطول الموجي 13،29، 41. للمساعدة في القضاء على وسائط أجل العليا، مدرجة قزحية العين داخل كل تجويف الليزر. عند قياس بدقة تردد الليزر تحت الحمراء البعيدة، لا بد من أشعة الليزر، وخاصة ليزر إشارة CO 2، تعمل في الأساسية (TEM 00) واسطة. وتستخدم قزحية العين أيضا لضمان نمط تتبع من قبل ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة على تحليل الطيف غير متماثل. في الحالات التي مضاعفات بعيدةيتم إنشاؤها موجات الليزر -infrared التي كتبها معين CO 2 خط مضخة، كما هو الحال بالنسبة لل9 P 04، ومجموعة من استيعاب المرشحات، ومعايرة مع الطول الموجي، وتستخدم للمساعدة في تمييز موجات الليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة. أنها يمكن أن تستخدم أيضا لتخفيف أي متناثرة CO 2 أشعة الليزر التي تخرج من تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة.

يصف القسم 2.4 توليد أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة. على مدى العديد من التحقيقات، وجدنا أن موجات متعددة متميزة يمكن أن تتولد من نفس CO 2 مجموعة مضخة ليزر في مختلف قليلا تعويض الترددات. على سبيل المثال، 9 P 04 CO 2 مضخة ليزر قادر على توليد 289.5 و 724.9 ميكرون موجات من CH 2 F 2 على التردد مضخة واحدة في حين تم توليد موجات المتبقية قياسها خلال هذا التحقيق باستخدام تردد مختلف قليلا عن 9 P 04 CO 2 مضخة ليزر. هذا هو accomplished عن طريق تغيير الجهد المطبق على PZT أن الإيقاعات وتيرة ضخ ليزر CO 2 من خلال توسيع منحنى مكاسبه (حوالي ± 45 ميغاهيرتز من الترددات مركزها في هذه التجربة). وإن لم يكن وجه التحديد في القسم 2.4، ونحن نعتقد أن هذا هو ميزة جديرة بالملاحظة في البحث عن أشعة الليزر تحت الحمراء البعيدة.

في الحالات التي يتم إنشاؤها متعددة انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة بنفس CO 2 خط ليزر مضخة في نفس التردد تعويض، وللتداخل مرنان الليزر (أو مسح تجويف) لا يمكن أن يؤديها للمساعدة في التعرف على مختلف انبعاثات يزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة التي يتم توليدها ويوضح الشكل 9 جزء من نموذجي مرنان الليزر للتداخل مع انتاج الطاقة تآمر بوصفها وظيفة من خفض الأشعة تحت الحمراء البعيدة ليزر طول تجويف 42-45.

كما هو مبين في القسم 3.4، مجموعتين متميزتين من CO 2تستخدم أشعة الليزر مرجعية لقياس تردد الليزر تحت الحمراء البعيدة. هذا يساعد في القضاء على حالة عدم اليقين بشأن ما إذا كانت وتيرة ضربات فوق أو تحت تردد الفرق ولدت بين الليزر إشارة CO 2. جنبا إلى جنب مع توفير وسيلة للتحقق بشكل مستقل وتيرة ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، فقد كان مفيدا بشكل خاص عند العمل مع ضعف إشارات فاز فيها مراقبة تحول طفيف في وتيرة ضربات مثل الأشعة تحت الحمراء البعيدة الزيادات تردد الليزر يمكن أن يكون تحديا.

كاشف الصمام الثنائي MIM هو عنصر أساسي لهذا النظام التجريبي نظرا لسرعته العالية، والحساسية، وتغطية واسعة الطيف 23،24. ومع ذلك، هناك بعض القيود على كاشف الصمام الثنائي MIM التي تشمل عدم الاستقرار الميكانيكي، القابلية للاضطرابات الكهرومغناطيسية، وضعف التكاثر، وحدود لأقصى قدر من السلطة أنها قادرة على كشف مع الحفاظ على حساسيتها. بينما قياس الأشعة تحت الحمراء البعيدة الاب الليزرequencies، تم العثور على حساسية كاشف الصمام الثنائي MIM أن ينخفض ​​بسرعة مع مرور الوقت إذا كانت السلطة من كل الليزر إشارة CO 2 تجاوزت 150 ميغاواط.

ما وراء كشف الصمام الثنائي MIM، والقيد الرئيسي لهذه التقنية الحالية هو استقرار ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة 4،31،46. وجود قيود في التكوين الحالي للنظام التجريبي هو عدم القدرة على قياس وتيرة إزاحة مضخة ليزر CO 2. كما ذكرنا، يتم تعريف التردد تعويض بالفرق بين الترددات المستخدمة من قبل ضخ ليزر CO 2 لتوليد انبعاث الليزر تحت الحمراء البعيدة ومركز تردد ضخ الليزر CO 2. وبالتالي فإنه يمثل الفرق بين تردد امتصاص المتوسط ​​ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة والتردد المركزي للمضخة ليزر CO 2. عادة، يتم قياس تردد تعويض بسهولة باستخدام أي إشعاع ليزر CO 2 التي تنتشر عن غير قصد سو تجويف الليزر تحت الحمراء البعيدة. في التكوين الحالي لدينا إلا أن القليل جدا من أشعة الليزر CO 2 متاح لمثل هذا القياس. ويمكن إدراج طرق أخرى لقياس التردد تعويض إلى التكرار المستقبلية للمشروع. وهذا يشمل استخدام شق شعاع إضافية والمرايا لزوجين جزء من الإشعاع مضخة للكشف عن الصمام الثنائي MIM. قياس تردد تعويض مفيد عند تعيين التحولات الطيفية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة 25،34 انبعاث الليزر.

كما تم قياس الترددات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة التي كتبها heterodyning اثنين ضخ بصريا ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة ومصدر الميكروويف على جهاز كشف الصمام الثنائي MIM حيث يعرف وتيرة واحدة من اثنين من ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، ويستخدم كما تردد إشارة 47. استخدام ترددات الأشعة تحت الحمراء البعيدة بدقة أكبر من الممكن استخدام أساليب أخرى، مثل مع THz للتوليف التردد مشط مماثلة لتلك التي discussed في المراجع. 48-54. قياس الترددات الليزر توسع دور الليزر الجزيئي ضخ بصريا في تطبيقات THz للمن THz للتصوير 55، دورها كمصدر للإشعاع THz للعالية الدقة التحليل الطيفي 13،20، والمساعدة في تحليل الأطياف المعقدة المرتبطة الليزرة لها 19،34،37 المتوسطة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Vacuum pump Leybold Trivac D4A HE-175 oil; Quantity = 3
Vacuum pump Leybold Trivac D8B or D16B Fomblin Fluid; Quantity = 1 of each
Vacuum pump Leybold Trivac D25B HE-175 oil; Quantity = 1
Optical chopper with controller Stanford Research Systems SR540
Lock-in amplifier Stanford Research Systems SR830
Spectrum analyzer Agilent E4407B ESA-E Series, 9 kHz to 26.5 GHz Spectrum Analyzer
Amplifier  Miteq AFS-44 Provides amplification of signals between 2 and 18 GHz. The amplifier is powered by a Hewlett Packard triple output DC power supply, model E3630A.
Amplifier  Avantek AWL-1200B Provides amplification of signals less than 1.2 GHz.
Power supply Hewlett Packard E3630A Low voltage DC power supply for amplifier.
Power supply Glassman KL Series High voltage power supply for the CO2 lasers; Quantity = 2; negative polarity
Power supply Fluke 412B High voltage power supply used with the NIST Asymmetric HV Amp
Detector Judson Infrared Inc J10D For fluorescence cell; Quantity = 2
CO2 laser spectrum analyzer Optical Engineering  16-A Currently sold by Macken Instruments Inc.
Thermal imaging plates with UV light Optical Engineering  Primarily used for aligning the CO2 reference lasers. Currently sold by Macken Instruments Inc.
Resistors Ohmite  L225J100K 100 kW, 225 W. Between 4 to 6 resistors are used in each ballast system. Each CO2 laser has its own ballast system. Fans are used to cool the resistors.
HV relay, SPDT CII Technologies H-17 Quantity = 3; one for each CO2 laser
Amplifier  Princeton Applied Research PAR 113 Used with fluorescence cell; Quantity = 2
Oscilloscope Tektronix 2235A Similar models are also used; Quantity = 2
Oscilloscope/Differential amplifier Tektronix 7903 oscilloscope with 7A22 differential amplifier
Power meter with sensor Coherent 200 For use below 10 W.  This is the power meter shown in Figure 2.
Power meter with sensor Scientech, Inc Vector S310 For use below 30 W
Multimeter Fluke 73III Similar models are also used; Quantity = 3
Data acquisition National Instruments NI cDAQ 9174 chassis with NI 9223 input module Uses LabVIEW software
Simichrome polish Happich GmbH Polish for the Nickel base used in the MIM diode detector. Although the Nickel base can be used immediately after polishing, a 12 hour lead time is typically recommended.
Pressure gauge Wallace and Tiernan 61C-1D-0050 Series 300; for CO2 laser; Quantity = 3
Pressure gauge with controller Granville Phillips Series 375 For far-infrared laser
Zirconium Oxide felt Zircar Zirconia ZYF felt Used as a beam stop
Zirconium Oxide board Zircar Zirconia ZYZ-3 board Used as a beam stop; Quantity = 4
Teflon sheet Scientific Commodities, Inc BB96312-1248 1/32 inch thick; used for the far-infrared laser output window
Polypropylene C-Line sheet protectors 61003 used for the far-infrared laser output window
Vacuum grease Apiezon
Power supply Kepco NTC 2000 PZT power supply
PZT tube Morgan Advanced Materials 1 inch length, 1 inch outer diameter, 0.062 inch thickness, reverse polarity (positive voltage on outside); Quantity = 3
ZnSe (AR coated) II-VI Inc CO2 laser window (Quantity = 3), lens, and beam splitter (Quantity 3)
NaCl window Edmond Optics Quantity = 1
CaF window Edmond Optics Quantity = 2
Laser mirrors and gratings Hyperfine, Inc Gold-coated; includes positioning mirrors
Glass laser tubes and reference cells Allen Scientific Glass
MIM diode detector Custom Microwave, Inc
Other Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة، العدد 106، ضخ بصريا الليزر الجزيئي، تقنية مغايرة ثلاثة الليزر والتردد ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة، difluoromethane
تميز الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة وقياس تردداتها
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jackson, M., Zink, L. R.… More

Jackson, M., Zink, L. R. Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies. J. Vis. Exp. (106), e53399, doi:10.3791/53399 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter