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Engineering

원적외선 레이저 방출 및 그들의 주파수의 측정을 특성화

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

발생 및 원적외선의 후속 측정은 고해상도 분광법, 전파 천문 및 테라 헤르츠 촬상 수많은 응용을 발견했다. 약 45 년 동안, 코 히어 런트, 원적외선 방사의 생성은 광 펌핑 레이저를 이용하여 분자 달성되었다. 원적외선 레이저 방사선이 검출되면,이 레이저 방출 주파수는 세 레이저 헤테로 다인 기법을 사용하여 측정된다. 이 기술에 의해, 광학적으로 펌핑 된 분자 레이저로부터 알 두 주파수 안정화 적외선 기준 주파수 간의 차이 주파수와 혼합된다. 이 기준 주파수는 독립적 이산화탄소 레이저에 의해 생성 된 각각 외부 저압 기준 셀로부터의 형광 신호를 이용하여 안정화. 알려 지거나 알려지지 않은 레이저 주파수 사이 결과 비트는 그 출력 스펙에 관찰되는 금속 - 절연체 - 금속 점 접촉 다이오드 검출기에 의해 모니터링된다TRUM 분석기. 이러한 레이저 배출량 간의 비트 주파수는이어서 측정 알려지지 원적외선 레이저 주파수를 추정하기 위해 공지 된 기준 주파수와 결합된다. 이 방법으로 측정 레이저 주파수 수득 한 시그마 분수 불확실성 정확하게 원적외선 레이저 방출의 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 107에서 ± 5 중량 부이다들은 종종 다른 측정 기준으로서 사용되는 바와 같이 높은 같이 중요 레이저 자기 공명을 이용하여 자유 라디칼 -resolution 분광 조사. 이 조사, 디 플루오로 메탄, CH 2 F 2의 일부로서, 원적외선 레이저 매체로서 사용 하였다. 모두에서, 여덟 원적외선 레이저 주파수는 0.359에서 1.273 테라 헤르츠 주파수 범위와 처음으로 측정 하였다. 이러한 레이저 방출의 세이 조사 중에 발견되었고 CO 2에 대하여 최적의 작동 압력, 분극보고

Introduction

원적외선 레이저 주파수의 측정은 제 Hocker 수행하고 1967 년 동료들은 마이크로파 신호의 고차 고조파들을 혼합하여 직접 방전 시안화 수소 레이저로부터의 311 및 337 μm의 배출을위한 주파수를 측정했다 실리콘 다이오드 (1). 더 높은 주파수를 측정하기 위해, 레이저 및 고조파 혼합 장치의 체인은 레이저 2 고조파를 생성하기 위해 사용되었다. 결국 두 레이저는 필요한 차이가 어떤 주파수 합성 3,4-을 위해 선택되었다 (CO 2) 이산화탄소를 안정화. 오늘날, 4 테라 헤르츠까지 원적외선 레이저 주파수가 두 생성 차 주파수의 1 차 고주파를 이용하여이 기술로 측정 할 수는 CO 2 기준 레이저 안정화. 고주파 레이저 방출은 또한 메탄올 isotopologues CHD의 2 내지 9 테라 헤르츠 방출 레이저, 제 2 고조파를 사용하여 측정 할 수 OH 및 CH 3 18 OH. 수년에 걸쳐 5,6, 레이저 주파수의 정확한 측정은 과학 실험 7,8의 숫자를 영향과 파리에서 도량형 총회에 의해 미터의 새로운 정의의 채택을 허용했다 1983 년 9-11

이러한 기술 된 바와 같은 헤테로 다인 기법은 광학적으로 펌핑 레이저에 의해 생성 된 분자 원적외선 레이저의 주파수 측정에있어서 대단히 유익한왔다. 장과 브리지 (12)에 의한 광 펌핑 레이저 분자의 발견 이래, 광학적 수천 원적외선 레이저 방출 레이저 다양한 매체와 함께 생성 된 펌핑. 광학적 CO 2 레이저에 의해 펌핑 될 때, 예를 들면, 디 플루오로 메탄 (CH 2 F 2)와 그 위에 isotopologues 250 레이저 방출을 생성한다. . 그 파장은 약에서 95.6 1714.1 μm의 13의 범위 - 18 -> 15까지 이러한 레이저 배출량의 약 75 %는 여러 가지가 광학적으로 16 할당 된 동안 자신의 주파수를 측정 있었다.

이러한 레이저, 그들의 정확하게 측정 주파수는 고해상도 분광법의 발전에 중요한 역할을 해왔다. 이들은 레이저 가스의 적외선 스펙트럼 연구에 중요한 정보를 제공한다. 종종 이러한 레이저 주파수들은 종종 흡수 스펙트럼 (19)로부터 직접 액세스 할 수없는 상태로 여기 된 진동 레벨 사이의 연결을 제공하기 때문에, 적외선 및 원적외선 스펙트럼 분석을 확인하기 위해 사용된다. 또한 레이저 자기 공명 기술 (20) 과도 단명 자유 라디칼을 조사하는 연구 차 방사선 소스로서 작용한다. 이 매우 민감한 기술, 상자성 원자, 분자의 회전 및 RO-진동 제만 스펙트럼, 분자 이온 될 수 있습니다 R로ecorded 이러한 자유 라디칼을 생성하는 데 사용되는 반응 속도를 조사 할 수있는 능력과 함께 분석 하였다.

도 1에 도시 된 작업이, 광학적 펌핑 레이저 분자에, 디 플루오로 메탄으로부터 원적외선 레이저 방사선을 생성하는데 사용되어왔다. 이 시스템은 연속파 (CW) CO 2 펌프 레이저와 원적외선 레이저 공동 이루어져있다. 원적외선 레이저 공동 내부 미러는, 공동의 단부에 종결 나머지 펌프 방사선 산란 전에 스물여섯 반사를 겪고, 연마 동관 다운 CO 2 레이저 방사선을 리디렉션. 따라서 원적외선 레이저 매질은 횡 펌핑 기하학을 이용하여 여기된다. 레이저 동작을 생성하기 위해 여러 개의 변수 일부 동시에 조정하고, 레이저 방사선이 관찰되면 모든 후속 최적화된다.

이 실험에서는, 원적외선 레이저 방사는 금속 INSU 의해 모니터링LATOR 금속 (MIM) 점 접촉 다이오드 검출기. MIM 다이오드 검출기는 1969 년 21 이후 레이저 주파수 측정을 위해 사용되었다 - 레이저 주파수 측정 23, MIM 다이오드 검출기는 다이오드에 두 개 이상의 방사선원 입사 간의 고조파 믹서이다. MIM 다이오드 검출기는 광학적으로 연마 된 니켈베이스 (24)를 접촉하는 날카롭게 텅스텐 와이어로 구성되어 있습니다. 니켈베이스는 절연 층 인 천연 얇은 산화물 층을 갖는다.

본래 참고 문헌에 기재된 방법에 따라 27 - 레이저 방출이 검출되면 해당 주파수 세 레이저 헤테로 다인 기법 (25)를 사용하여 측정하면서, 그 파장, 편광, 세기, 및 최적화 된 작동 압력이 기록되었다. 4. 그림 2는 두 개의 추가 CW CO 2 참조 레이저는 독립적 인 주파수 역을 갖는 광 펌핑 분자 레이저를 보여줍니다외부, 저압 기준 셀 (28)에서 4.3 μm의 형광 신호의 어린 양 딥을 활용 bilization 시스템. 이 원고는 원적외선 레이저 방출뿐만 아니라 파장을 정확하게 추정하기위한 빈도를 결정하는 방법을 검색하는 데 사용되는 프로세스를 설명. 세 레이저 헤테로 다인 기법에 관한 세부 사항뿐만 아니라, 다양한 컴포넌트와 시스템의 작동 매개 변수는 참조 4, 25-27, 29, 및 30와 함께 기업의 표에서 찾아 볼 수있다.

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Protocol

실험 1. 계획

  1. 이 실험에서 F 2 CH 2 관심 레이저 매질을 사용하여 수행 이전 작업을 평가 문헌의 조사를 실시. 이러한 자신의 파장과 주파수로 라인에 관한 모든 정보와 함께 모든 알려진 레이저 배출량을 확인합니다. 37 - 알려진 레이저 배출량의 여러 조사 13,31 사용할 수 있습니다.
  2. 종래 푸리에에 초점을 맞춘 레이저 매질로서 사용 분자의 모든 분광 조사 34과 연구 38, 39 광 음향 변환 컴파일.

2. 생성 원적외선 레이저 방출

  1. 안전 개요.
    1. CO 2 원적외선 레이저 시스템을 사용하는 경우에 적절한 눈 보호를 포함하는 랩의 표준 작업 절차를 개발한다.
  2. 정렬 및 교정.
    1. 각각의 CO 2 패 보정ASER는 제조사의 프로토콜에 따라 CO 2 레이저 위해 설계된 격자 기반 스펙트럼 분석기를 사용.
    2. 엔드 미러 및 그 방사선이 MIM 다이오드 검출기 상에 집중되도록 He-Ne 레이저를 사용 원적외선 레이저 공동에 결합 미러를 정렬.
    3. 공동 축에 대하여 약 72 (O)의 각도 염화나트륨 창을 통해 원적외선 레이저 공동 내로 CO 2 펌프 레이저로부터의 방사선을 지향.
    4. 빔 스플리터 및 추가적인 미러를 이용한 MIM 다이오드 검출기 상으로 각 저압 형광 기준 셀 또는 공동 선형 하나에 두 기준 CO 2 레이저로부터 방사선을 지향.
  3. 원적외선 레이저 방사선의 검출.
    1. 표준 금속 광택제를 사용하여 모든 며칠 니켈 기반을 폴란드어.
    2. 구리 포스트에 25 μm의 텅스텐 와이어를 압착 및 configur에 와이어를 구부리ATION 그림 3.
    3. 이 방사선의 10~20 파장 측정되는 사이가되도록 와이어의 길이를 조절한다.
    4. 전기 화학적 용액에 전압 (VAC 5 대략 3.5)을 가하여, 포화 수산화 나트륨 (NaOH로) 용액에 와이어의 끝을 에칭.
    5. 다시 에칭 저전압 (이하 1 VAC)와 팁을. 이 와이어의 선단부를 거칠게 및 다이오드의 성능을 향상시킨다.
    6. 증류수로 와이어를 씻어.
    7. 와이어가 건조되면 MIM 다이오드의 하우징에 구리 포스트를 삽입합니다.
    8. 미세 나사 및 레벨 시스템을 사용하여 니켈베이스와 접촉 전선을 놓습니다. 검출 원적외선 레이저 방사선을 측정 할 때 100 내지 500 Ω의 다이오드에인가 저항을 수득 연락처 전형적으로 사용된다.
  4. 원적외선 레이저 방사의 생성.
    1. 특정 레이저 EM에 CO 2 펌프 레이저를 설정ission, 예., 9 P (36).
    2. 빔 정지에 최대 강도를 달성하기 위해 앞뒤로 CO 2 펌프 레이저의 마이크로 미터 다이얼을 돌립니다.
    3. 빔 정지에 최대 강도를 달성하기 위해 CO 2 펌프 레이저의 격자의 기울기를 조정합니다.
    4. CO 2 펌프 레이저의 출력 전원이 빔 정지에 최적화 나타날 때까지 반복 2.4.2와 2.4.3 단계를 반복합니다.
    5. CO 2 펌프 레이저의 경로에서 빔 스톱을 제거합니다.
    6. 전원을 켜고 CO 2 펌프 레이저의 빔 경로에 광학 헬기를 맞 춥니 다.
    7. 원적외선 레이저 공동 내로 원적외선 레이저 매질을 도입 CH 2 F 2 실린더 밸브를 연다.
    8. 펜실바니아 달성 약 10의 압력까지 입구 라인에 계량 밸브를 조정한다.
      주 : 체계적 원적외선 레이저 C를 스캔하는 방식으로 사용되기 때문에, 대략적인 압력 만이 필요avity.
    9. 출력 결합기의 위치를​​ 설정하도록 그 최 팁 레이저 캐비티의 외부에 보정 배율로 나타낸 바와 같이, 레이저 캐비티의 중앙으로부터 약 1cm이다.
      주 : 체계적 원적외선 레이저 공동을 스캐닝하는 방법으로 사용되기 때문에 단지 대략적인 위치가 필요하다.
    10. 앞뒤로 교정 마이크로 미터 다이얼을 돌려 약 0.25 mm 단위로 이동 원적외선 레이저 미러의 위치를​​ 조정합니다. 동시에 튜닝 CO 2 펌프 레이저의 압전 트랜스 듀서 (PZT)에인가되는 전압을 변화시킴으로써 그것의 이득 곡선을 통해 CO 2 펌프 레이저의 주파수.
    11. 신호가 오실로스코프 디스플레이 상에 관찰되지 않는 경우, 상기 출력 커플러 단계 2.4.10는 팁이 레이저의 외부에 보정 배율로 나타낸 바와 같이, 레이저 캐비티의 중앙으로부터 약 1.5 cm이고 그 다음 위치로 이동 반복 공동.
    12. 신호가 오실로스코프 디스플레이 상에 관찰되지 않는 경우, 상기 출력 커플러 단계 2.4.10는 팁이 레이저의 외부에 보정 배율로 나타낸 바와 같이, 레이저 공동의 중간에서 약 2cm이고 그 다음 위치로 이동 반복 공동.
    13. 신호가 오실로스코프 디스플레이에 관찰되지 않은 경우 유입 라인에 계량 밸브 조절로, 반복은 약 19 Pa의 원적외선 레이저 압력 2.4.12를 통해 2.4.9 단계를 반복합니다.
    14. 신호가 오실로스코프 디스플레이에 관찰되지 않은 경우 유입 라인에 계량 밸브 조절로, 반복은 약 27 Pa의 원적외선 레이저 압력 2.4.12를 통해 2.4.9 단계를 반복합니다.
    15. 신호가 오실로스코프 디스플레이 상에 관찰되지 않는 경우, CO 2 펌프 레이저의 경로에 빔 스톱을 넣고 약 0 파이다 원적외선 레이저 압력까지 CH 2 F 2 실린더의 밸브를 닫는다.
    16. CO 2 펌프를 설정다음에 레이저 발광 레이저, 예를 들면, P (34) (9), 및 2.4.4 단계를 2.4.2를 사용하여 출력 전력을 최적화한다.
    17. CO 2 펌프 레이저에 의해 생성 된 모든 배기 가스가 사용되는 때까지 반복 2.4.16를 ​​통해 2.4.5 단계를 반복합니다. 원적외선 레이저 라인을 검색 할 때, 주파수 단계 1.2에서 식별 된 흡수 영역과 중복 CO 2 펌프 레이저 배출에 초점을 둡니다.
  5. 원적외선 레이저 방출을 특성화.
    1. 원적외선 레이저 방사의 출력이 최대가 될 때까지 동시에 원적외선 레이저 매질의 압력, CO 2 펌프 레이저의 PZT에인가되는 전압, 출력 결합기의 위치를 조정 (최대 피크 - 대 결정 그림 4와 유사한 오실로스코프 디스플레이에 관찰 MIM 다이오드 검출기로부터 피크 신호).
    2. 원적외선 레이저 방사가 관찰 될 때까지 마이크로 미터 다이얼을 시계 방향으로 돌려오실로스코프 디스플레이. 마이크로 미터 다이얼의 위치를​​ 기록합니다.
    3. 같은 원적외선 레이저 발광에 대응하는 추가 20 모드에 대해 마이크로 미터 다이얼을 시계 방향으로 돌립니다. 마이크로 미터 다이얼의 위치를​​ 기록합니다.
    4. 단계 2.5.2과 2.5.3에서 마이크로 미터 다이얼의 위치를​​ 뺍니다. 원적외선 레이저 발광 파장을 얻기 위해 (10)에 의해 이러한 차이를 나눈다.
    5. 2.5.4 단계 다섯 총 회 반복 2.5.2 및 원적외선 레이저 방사의 파장을 평균화. 적어도 인접하는 20 종 모드를 순회하여 측정 된 평균 레이저 파장은 ± 0.5 ㎛의 하나 시그마 불확실성을 갖는다.
    6. 골드 와이어 그리드 편광판 (394 선 / cm) 또는 브루스터 편광판을 사용하여, CO 2 펌프 방사선에 대하여 원적외선 레이저 방사선의 편광을 측정.

3. 원적외선 레이저 주파수를 결정

  1. 확인CO 2 기준 레이져 배출을 보내고.
    1. 그 측정 된 파장에 기초하여 원적외선 레이저 방출의 빈도를 계산한다.
    2. 주파수 차이 원적외선 레이저 방사 (40)에 대한 계산 된 주파수의 수 GHz 내에 이산화탄소 기준 레이저 라인의 세트를 식별합니다. 이러한 측정을 위해 사용되는 전형적인 목록은 표 1에 나타낸다.
  2. 헤테로 다인 비트 신호를 검색.
    1. CO 2 기준 레이저 라인의 제 1 세트를 식별하고 각 레이저 발광에 각각 CO 2 기준 레이져 세트.
    2. 단계 2.4.4 내지 2.4.2과 모니터 전원 측정기를 이용하여 각각의 CO 2 기준 레이저 출력 전력을 최적화한다.
      1. 모니터에 표시된 전력 측정기로 측정 한 각 참조 CO 2 레이저로부터 전력이 약 100 mW의되도록, 내부 또는 각 기준 레이져 외부하거나, 조리개를 조정그림 2.
    3. CO 2 기준 레이저로부터 복사선을 차단 해제하는 동안 빔 스톱을 사용하여 CO 2 펌프 레이저로부터의 방사선을 차단.
    4. 전원을 켜고 CO 2 참조 레이저의 공동 선형 빔 경로에 광학 헬기를 맞 춥니 다.
    5. 오실로스코프의 출력을 관찰하면, 유사한는도 5를 동안 최대 피크 대 피크 전압 여러 미러, 빔 스플리터를 이용한 MIM 다이오드 검출기에 각각 CO 2 기준 레이저 발광 및 2.54 cm 초점 거리의 ZnSe 평 볼록 렌즈를 최적화 .
    6. CO 2 펌프 레이저로부터의 방사선을 차단 해제하는 동안 빔 스톱을 사용하여 CO 2 기준 레이저로부터 방사선을 차단할.
    7. 재 최적화 원적외선 레이저 방사는 오실로스코프에서 관찰로 최대 피크 - 투 - 피크 전압을 가질 수 있도록, 필요에 따라 CO 2 펌프 레이저와 원적외선 레이저.
    8. 분리 T그는 오실로스코프에서 다이오드 검출기의 출력을 MIM과 그 출력 스펙트럼 분석기에서 관찰되는 앰프에 연결합니다.
    9. CO 2 기준 레이저로부터 복사선을 차단 해제.
    10. CO 2 펌프 및 참조 레이저를 변조 광 헬기를 제거합니다.
    11. 40 MHz의 범위에 스펙트럼 분석기를 설정하고 수동 스펙트럼 애널라이저의 조정 손잡이를 사용하여이 주파수 범위를 스캔하여 1.5 GHz의 단위로 비트 신호를 검색.
    12. 어떤 비트 신호가 관찰되지 않는 경우, 증폭기로부터 MIM 다이오드의 출력을 분리하고 오실로스코프에 연결.
    13. CO 2 기준 레이저로부터 복사선을 차단하고 CO 2 펌프 레이저의 광 경로로 다시 삽입 초퍼.
    14. 스펙트럼 분석기는 0에서 12 GHz의 사이의 비트 신호를 검색하는 데 사용 될 때까지 반복하여 필요한 3.2.13를 통해 3.2.2 단계를 반복합니다.
    15. 어떤 비트 신호가 관찰되지 않으면, REPE비트 신호가 관찰 또는 CO 2 기준 레이저 라인의 모든 가능한 세트 할 때까지 계속 CO 2 기준 레이저 라인의 또 다른 세트로 3.2.14 내지 3.2.2 단계에서 소모된다.
  3. CO 2 기준 주파수를 안정화.
    1. 각각의 형광 기준 셀로부터의 신호가도 6에 도시 된 램 딥의 중심에 있고, 그래서 제 CO 2 기준 레이져의 PZT에 V 0 내지 900의 전압을인가도 7과 같이 오실로스코프 상에 볼.
    2. 이 어린 양 딥의 중심에 잠긴 상태로 있도록 사용자 정의 내장 종속 / 서보 앰프를 사용하여 첫 번째 CO 2 참조 레이저의 PZT에 적용되는 피드백 전압을 활성화합니다.
    3. 반복 3.3.1 두 번째 CO 2 참조 레이저 3.3.2 단계를 반복합니다.
    4. 시각적 EN에,도 7에서와 같이, 오실로스코프 프리 앰프의 출력을 모니터링반드시 참조 레이저는 잠긴 상태.
  4. 비트 주파수의 측정.
    1. 스펙트럼 분석기 디스플레이 비트 신호를 중심에 디스플레이의 크기를 최대화하는 진폭을 조정한다.
    2. 사용한 (모두 추적 1 클리어 쓰기 기능을 선택함으로써,도 8에서와 같이 비트 신호의 두 개의 동시 흔적을 볼 스펙트럼 분석기를 설정하고, 다른 하나는 최대 신호를 기록 할 동안 순간 신호를 표시한다 2. 하나의 트레이스를 추적 두 번째 추적에 대한 스펙트럼 분석기의 최대 홀드 기능).
    3. 주어진 캐비티 모드 앞뒤로 이득 곡선 걸쳐 원적외선 레이저 공동에 마이크로 미터 다이얼을 돌린다.
    4. 대칭 패턴이 획득되면 두 번째 (최대 홀드) 추적을 동결 스펙트럼 분석기에보기 기능을 사용합니다.
    5. 약간 원적외선 레이저 캐비티의 길이를 감소시키는 마이크로 미터 다이얼을 시계 방향으로 회전한다. 동시에 잠수정을 관찰인해 원적외선 레이저의 주파수에서이 약간 증가에 스펙트럼 분석기에 맥놀이 주파수에 작은 변화를 equent.
    6. 스펙트럼 분석기의 델타 기능이있는 마커 기능을 사용하여 대칭 패턴 (최대 홀드 추적)의 절반 최대 지점에서 전체 폭에 마커를 놓습니다.
    7. 스펙트럼 분석기에 스팬 쌍 기능을 사용하여 비트 신호의 중심 주파수를 측정한다.
    8. 반복 3.4.7을 통해 3.4.1 단계를 반복합니다.
    9. 그 중심 주파수에서 각각의 레이저의 잠금을 해제하고 각각의 CO 2 참조 레이저를 다시 최적화하는 각각의 CO 2 참조 레이저 / 서보 앰프의 안전 장치를 풉니 다.
    10. 3.3.4 3.3.1 단계를 사용하여 기준 레이저를 다시 잠글.
    11. 반복 6 측정의 총 3.4.10를 통해 3.4.1 단계를 반복합니다. 완료되면, 그 중심 주파수에서 각각의 CO 2 참조 레이저 잠금을 해제합니다.
    12. 이 비트를 사용 FRE 원적외선 레이저 발광의 수정 빈도를 계산할quencies는 CO 2 기준 레이저 라인의 제 2 세트에 대한 정확한 예측을 얻었다.
    13. 주파수 차이 원적외선 레이저 발광에 대한 계산 주파수 수 GHz 내 CO 2 기준 레이저 라인들의 다른 세트를 식별한다.
    14. MIM 다이오드 검출기에 CO 2 기준 레이저 라인의 다음 세트를 최적화하고 필요 3.2.15 단계 3.2.2을 사용하여 비트 신호를 얻었다.
    15. 3.3.4 3.3.1 단계를 사용하여 CO 2 기준 레이저 라인의 새로운 세트를 잠글.
    16. 반복 6 측정의 총 3.4.10를 통해 3.4.1 단계를 반복합니다. 완료되면, 그 중심 주파수에서 각각의 CO 2 참조 레이저 잠금을 해제합니다.
    17. 삽입 빔은 이산화탄소 펌프 및 참조 레이저의 경로로 중지합니다.
  5. 원적외선 레이저 주파수의 계산.
    1. 수 측정하여, 전나무 ν, 알 수없는 원적외선 레이저 주파수를 계산관계를 통해 주파수에서
      FIR = | ν 이산화탄소 (I) -ν 이산화탄소 (II) | ± | ν 비트 | 식. 1
      여기서 | ν 이산화탄소 (I) -ν 이산화탄소 (II) | ν 비트 | | CO 2 개의 기준 레이저 및 합성 차분 주파수의 크기는 비트 주파수의 크기이다. 식에 ± 기호. 1 단계 3.4.5에서 실험적으로 결정된다.
    2. 평균 주파수를 구하여 계산불확실성.

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Representative Results

언급 한 바와 같이, 원적외선 레이저 발광보고 빈도는 CO 2 기준 레이저 라인의 적어도 두 개의 상이한 세트로 수행 적어도 열두 측정의 평균이다. 표 2는 사용시 235.5 ㎛의 레이저 발광을 위해 기록 된 데이터를 설명 9 P 04 CO 2 펌프 레이저. 이 원적외선 레이저 발광을 위해, 비트 주파수의 열네 개별 측정을 기록 하였다. R 9 10 38 9 P CO 2 기준 레이져 배출을 사용하면서 측정의 제 1 세트의 기록 하였다. 원적외선 레이저 주파수가 약간 증가되었을 때 단계 3.4.5 들어, 비트 주파수는 증가하는 것으로 관찰되었다. 이것은 원적외선 레이저 주파수 간의 차이 주파수의 크기보다 큰 나타내는 R 9 10 38 9 P CO 2 기준 레이저 | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |. 따라서 기호 오수학 식 1의 비트 주파수 f를 CO 2 참조 레이저의이 세트에 대한 긍정적이었다. 반대로, 측정 값의 제 2 세트는 R 9 16 34 9 P CO 2 기준 레이져 배출을 사용했다. 단계 3.4.5 수행시 원적외선 레이저 주파수가 약간 증가하면서, 비트 주파수의 감소가 관찰되었다. 이것은 원적외선 레이저 주파수가 R 9 16 34 9 P CO 2 레이저 기준 차이 주파수의 크기보다 작은 나타낸다. 따라서, CO 2 참조 레이저의 세트 식 1의 비트 주파수의 부호는 음수이다. ν FIR 표 2 계산 원적외선 레이저 주파수에 도시 된 바와 같이, 두 경우 모두에 대해 ± 0.12 MHz의 하나의 시그마의 표준 편차 내로 동일한 남았다.

이 실험 기술로 결정 평균 원적외선 레이저 주파수가 나열되어 2 펌프 라인의 순서로 배열된다. 평균 레이저 주파수는 1cm -1 = (29) 979.2458 MHz의를 사용하여 계산 해당 파장 및 파수로보고됩니다. 모든 원적외선 레이저 주파수는 최적의 동작 조건 하에서 측정 하였다. 본 연구를 통해, 이전에보고 된 여러 주파수 측정하고, 번역 된 값과 일치 것으로 밝혀졌다. 7 - 하나 시그마 분수 불확실성, Δν는,이 기술로 측정의 원적외선 레이저 주파수가 ± 5 × 10이다. 이러한 불확실성이 시스템, 원적외선 레이저의 확대 이득 곡선의 대칭성과 폭, 및 측정 4,25,31의 정밀도로 공지 된 주파수의 재현성에서 파생된다.

이 조사 중에 발견 원적외선 방출 레이저 및 W '의 강도가 관찰# 8217; 0.001에서 0.01 mW의 전력의 범위에 해당. 비교를 위해, 메탄올 118.8 ㎛의 라인이 별도로 18 (W)의 파워를 갖는 9 P 36 CO 2 펌프를 사용할 때는 약간 경우 10mW 이상 전력 VVS을가이 시스템으로 관찰하고, 표 3은 각각의 새의 편광을 포함 원적외선 레이저 발광은 각각의 CO 2 펌프 레이저에 대해 측정 하였다. 대부분의 경우, 단지 하나의 편광 펌프 CO 2 레이저로, 지배하는 편광에 평행 또는 수직 중 하나를 관찰 하였다. 더 지배적 인 편광가 관찰되지 않았다 상황은 모두 편광이 나열되어있다.

요컨대, 여덟 원적외선 레이저 방출은 가로 펌핑 구조를 갖는 광 펌핑 레이저 분자 시스템 디 플루오로 메탄을 사용하여 생성 하였다. 이 235.5, 335.9 및 416.8 μm의 파장을 가진 세 원적외선 레이저 방출의 발견을 포함한다. 가 감지되면,세 레이저 헤테로 다인 기법은 각각 원적외선 레이저 발광을 관측에 대한 주파수를 측정 하였다. 이 레이저 방출에 대한 주파수는 0.359에서 1.273 테라 헤르츠였다 10 7 ± 5 부품의 분수 불확실성보고됩니다.

그림 1
도 1 이산화탄소 펌프 레이저와 원적외선 레이저 공동으로 이루어지는 광학적 펌핑 분자 레이저 시스템의 개략도. 원적외선 레이저 매질은 횡 펌핑 기하학을 이용하여 여기된다. 참고 문헌에서 약간의 수정 재판. 스프링 과학 비즈니스 미디어의 종류 권한을 가진 (15). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


세 레이저 헤테로 다인 주파수 측정 시스템의도 2 개략도. 헤테로 다인 시스템은 횡 펌핑 형상과 두 개의 추가 이산화탄소 기준 레이저를 이용하여 광학적으로 펌핑 레이저 분자를 포함한다. 도시되지는 각 레이저에 의해 생성 된 방사선을 모니터링하는데 사용 안정화 전자 시스템이다. © [2015] IEEE. 참고 문헌에서 약간의 수정 및 허가와 재판. 27. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
도 3 확대 렌즈를 통해 볼 때 MIM 점 접촉 다이오드 검출기에서 사용 된 텅스텐 와이어.와이어의 길이는 약 2 mm이다. 최선의 스프링 작용에 대해, 벤드의 각도는 90 O 가까워 야하고 모두 동일 평면 상에 놓여.

그림 4
도 4 오실로스코프 디스플레이 상에 볼 (9) P 04 CO 2 펌프 레이저를 사용하여 광학적으로 펌핑 CH 2 274.8 μm의 레이저 발광 F (2)에 의해 생성 된 파형. CO 2 펌프 방사선이 대략 45에서 동작하는 광 초퍼에 의해 변조되고 Hz에서. MIM 다이오드 검출기의 저항은 약 100이고, 신호는 대략 6 μV (피크 대 피크)이다. 오실로스코프 디스플레이는 10 μV / 부문에 설정되어 있습니다.

그림 5
그림 5. 왼쪽로 측정 한 중간 사진, 오실로스코프 각각. 각각의 변조 된 신호는 약 MV 파워 (피크 대 피크) 약 100 mW의 4 각 CO 2 기준 레이저의 출력, 9 R 16 9 P (34)을 보여 모니터 전원 미터. 오른쪽 사진은 모두 기준 레이저로부터 결합 된 신호는 두 개의 기준 신호가 제대로 MIM 다이오드 검출기에 믹싱 나타내는 약 7 MV를 (피크 대 피크)로 나타낸다. MIM 다이오드 검출기의 저항은 약 100 Ω이다. 각 사진의 오실로스코프 디스플레이는 1 MV / 부문에 설정되어 있습니다. CO 2 방사선은 약 70 Hz에서 동작하는 광 초퍼에 의해 변조된다.

그림 6
그림 6. 저압의 포화 형광 신호 (6 PA) CO 2 (9) R (24) CO 2를 사용하는 동안레이저 방출.이 그래프는 CO 2 기준 레이져의 PZT에인가 전압이 약 13 분에서 약 570 V 0에서 램핑 동안 52 Hz에서 외부 초퍼 통해 CO 2 기준 레이저 방사를 변조함으로써 얻어진다. 잠금에 앰프는 300 밀리 초 시간 상수로 설정하고 200 MV 감도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7
도 7 저압 포화 형광 신호 (6 PA) CO 2 오실로스코프 보아 9 R 24 CO 2 레이저 발광을 사용한다. PZT 전압의 중심으로부터 떨어져있을 때 왼쪽 사진은 오실로스코프 디스플레이를 나타낸다 어린 양 딥, 일에 약 80 V사진입니다. PZT 전압이 약, 중 바로 어린 양 딥의 중심의 왼쪽 또는 오른쪽으로 278이 사진에 각각 295 V 일 때 중간과 오른쪽 사진은 오실로스코프 디스플레이를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 8
도 8 (9) P 04 CO 2 펌프 레이저와 9 R 16 9 P 34 CO 2 기준 레이저를 사용하여 광학적으로 펌핑 CH 2 235.5 μm의 레이저 발광 F (2) 사이의 비트 신호. 약 25 MHz의 범위는 전형적 익숙한. 비트 신호의 대다수는 ± 5 기가 헤르쯔에서 관찰된다. 그러나, 낮은 신호 -이 이러한 검색 파라미터 내에서 특정의 주파수 영역이 존재잡음. 따라서, 약간 더 큰 검색 영역을 사용하는 것이 때로는 도움이되어왔다.

그림 9
공진기의 모드들에 대응하는 분리 된 피크의 집합으로 이루어진 전형적인 레이저 공진기 간섭 (또는 공동 스캔)의도 9 부는 더 레이 징이 발생하지 않는 영역에 의해 분리된다.이 검사는 광학적으로 펌핑 CH 생성 511.445 μm의 레이저 방사를 나타낸다 2 F 2 9 R 28 CO 2 펌프를 사용. 마이크로 미터의 총수의 감소는 원적외선 레이저 공동의 길이 (미러 간 분리 미러)의 감소에 대응한다. MIM 다이오드이 원적외선 레이저 방출에 의해 생성 된 20 μV 피크 대 피크의 최대 신호를 검출. 검출기의 출력은 일정한 300 밀리 초 시간을 설정, 잠금에 앰프를 사용하여 기록 20 μV했다 sensitivitY는, 컴퓨터에 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1
표 1 : 주파수 차이 광학적 펌핑 CH 2 F 2 내지 235.5 ㎛의 레이저 발광에 대한 계산 주파수 부근에 CO 2 레이저 기준 세트 (9) P 04 CO 2 레이저 발광을 이용한 경우 여기.

표 2
표 2 : 광학적으로 펌핑 CH 2 F 2 내지 235.5 ㎛의 레이저 발광 측정 비트 주파수 9 P 04 CO 2 레이저 발광을 이용하여 여기 된 때. CO 2 기준 레이저 두 세트의 사용 아르D는 공지 차이 주파수를 생성한다 (| ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |).

표 3
표 3 : 광 펌핑 CH 2 F 2 신규 원적외선 레이저 주파수.

표 4
보충 표 A : 몇 가지 관련 상업 구성 요소를 포함하여 실험 시스템의 기술적 인 세부 사항.

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Discussion

몇 가지 추가 논의를 필요로하는 프로토콜 내에서 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 원적외선 레이저 파장을 측정 할 때 단계 2.5.3에서 설명 된 바와 같이, 이는 사용되는 원적외선 레이저 발광의 동일한 모드를 보장하는 것이 중요하다. , 원적외선 레이저 파장의 여러 가지 모드 (즉, TEM 00 등 TEM 01) 레이저 공동 내에 생성 될 수 있고, 따라서, 해당 인접 캐비티 모드 파장 13,29을 측정하는 데 사용되는 것을 확인하는 것이 중요 (41). 고차 모드를 제거하는데 도움을주기 위해 창포 각 레이저 캐비티 내에 포함된다. 정확하게 원적외선 레이저 주파수를 측정 할 때, (TEM 00) 모드 레이저, 특히 CO 2 기준 레이저, 그들의 기본적인 동작에 필수적이다. 창포 또한 대칭 스펙트럼 분석기에 원적외선 레이저에 의해 추적 된 패턴을 확인하기 위해 사용된다. 상황에 대한 여러 곳까지- 적외선 레이저 파장은 04 9 P, 파장 흡수 보정 필터 세트의 경우와 같이, 원적외선 레이저 파장을 구별을 돕기 위해 사용되며, 특히 CO 2 펌프 라인에 의해 생성된다. 그들은 또한 원적외선 레이저 공동에서 배출 임의 흩어져 CO 2 레이저 방사선을 감쇄하기 위해 사용될 수있다.

섹션 2.4은 원적외선 레이저 방사의 생성을 설명한다. 다수의 조사 동안 우리는 여러 별개의 파장이 약간 다른, 같은 CO 2 펌프 레이저 세트에 의해 생성 된 주파수를 상쇄 될 수 있음을 발견했다. 이 조사 동안 측정 나머지 파장 (9) P 04으로부터 약간 다른 주파수를 사용하여 생성 된 예를 들어, 9 P 04 CO 2 펌프 레이저는 하나의 펌프 주파수 F 2 CH 2 289.5 및 724.9 ㎛의 파장을 생성 할 수있다 CO 2 펌프 레이저. 이 accompl입니다그 넓어진 이득 곡선 (이 실험에서는 중심 주파수로부터 약 ± 45 MHz의)를 통해 CO 2 펌프 레이저의 주파수를 튜닝 PZT에인가되는 전압을 변화시킴으로써되고 이로. 특히 2.4 절에서 언급되지는 않았지만, 우리는이 원적외선 레이저 방사에 대한 검색에서 주목할만한 기능입니다 생각합니다.

여러 원적외선 레이저 방출이 동일한 오프셋 주파수에서 동일한 CO 2 펌프 레이저 라인에 의해 생성되는 상황에서는, 레이저 공진기 간섭 (또는 캐비티 주사)가 생성되는 다른 원적외선 레이저 방출 식별을 지원하기 위해 수행 될 수있다 . (45) -도 9는 원적외선 레이저 공진기 길이 (42)가 감소하는 함수로서 플롯 출력, 전형적인 레이저 공진기 간섭 무늬의 부분을 도시한다.

3.4 절, CO 2의 두 가지 세트에 설명 된대로기준 레이저 원적외선 레이저 주파수를 측정하기 위해 사용된다. 이 비트 주파수는 위 또는 CO 2 참조 레이저 사이에 발생하는 차이 주파수 이하인지에 대한 불확실성을 제거하는 데 도움이됩니다. 어려울 수 원적외선 레이저 주파수가 증가함에 따라 비트 주파수에 약간의 변화를 관찰하는 미약 맥놀이 신호들로 작업 할 때 독립적 원적외선 레이저 주파수를 확인하는 방법을 제공하는 것과 함께, 특히 유용하고있다.

MIM 다이오드 검출기 인해 높은 속도, 감도 및 넓은 스펙트럼 범위 (23, 24)이 실험 시스템에 필수적인 성분이다. 그러나, 기계적인 불안정성 감수성 전자기 교란, 재현성이 나쁘고, 및 그것의 감도를 유지하면서, 검출 할 수있는 최대 전력에 대한 제한을 포함하는 MIM 다이오드 검출기에 일부 제한이있다. 원적외선 레이저 FR을 측정하면서equencies, MIM 다이오드 검출기의 감도는 각각의 CO 2 기준 레이져에서 150 mW의 전력을 초과하는 경우에는 시간이 지남에 따라 급격히 감소하는 것으로 확인되었다.

MIM 다이오드 검출기 외에도, 본 기술의 주요 제한은 원적외선 레이저 4,31,46의 안정성이다. 실험 시스템의 현재 구성에 제한은 CO 2 펌프 레이저의 주파수 오프셋을 측정 할 수 없다는 것이다. 언급 한 바와 같이, 주파수 오프셋이 원적외선 레이저 발광 및 CO 2 펌프 레이저의 중심 주파수를 생성하는 CO 2 펌프 레이저가 사용 주파수의 차이로 정의된다. 그러므로 그것은 원적외선 레이저 매질의 흡수 주파수와 CO 2 펌프 레이저의 중심 주파수 사이의 차이를 나타낸다. 통상적으로, 주파수 오프셋 용이 부주의 O 밖으로 비산 어떠한 CO 2 레이저 방사선을 사용하여 측정된다원적외선 레이저 공동 F. 현재 구성에서 그러나, 거의 이산화탄소 레이저 방사는 측정 할 수 있습니다. 주파수 오프셋을 측정하는 다른 방법은 프로젝트의 이후 반복에 혼입 될 수있다. 이것은 결합하도록 MIM 다이오드 검출기 펌프 방사선의 일부분을 추가적인 빔 분할기와 미러를 사용하는 단계를 포함. 원적외선 레이저 발광 분광 25,34로 천이를 할당 할 때의 주파수 오프셋 측정은 유리하다.

원적외선 레이저 주파수는 두 개의 광학적으로 펌핑 원적외선 레이저 및 두 원적외선 레이저들 중 하나의 주파수는 공지되어 있고, 기준 주파수 (47)로서 사용된다 MIM 다이오드 검출기에 마이크로파 소스를 헤테로 다인 측정되었다. 더 정확하게 원적외선 주파수의 사용은 그 discu 유사한 테라 헤르츠 주파수 합성 빗과 같은 다른 기술을 사용하여 가능하다참고 문헌에 ssed. 48-54. 테라 헤르츠 촬상 55 테라 헤르츠 애플리케이션 광학적 펌핑 분자 레이저의 역할은 레이저 주파수 확장 측정하고, 그 레이 징과 관련된 복잡한 스펙트럼 분석을 돕는데 고해상도 분광기 13, 20에 대한 테라 헤르츠 방사선의 소스로서의 역할 매체 19,34,37.

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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.

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References

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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).

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