We describe the generation of far-infrared radiation using an optically pumped molecular laser along with the measurement of their frequencies with heterodyne techniques. The experimental system and techniques are demonstrated using difluoromethane (CH2F2) as the laser medium whose results include three new laser emissions and eight measured laser frequencies.
Generering og efterfølgende måling af langtrækkende infrarød stråling har fundet talrige anvendelser i høj opløsning spektroskopi, radio astronomi, og Terahertz billeddannelse. For omkring 45 år, har frembringelsen af sammenhængende, langtrækkende infrarød stråling blevet opnået ved hjælp af optisk pumpet molekylær laser. Når langtrækkende infrarød laserstråling detekteres, er hyppigheden af disse laseremissioner målt ved anvendelse af en tre-laser heterodyn teknik. Med denne teknik, den ukendte frekvens fra den optisk pumpede molekylær laser er blandet med den forskel frekvens mellem to stabiliserede, infrarøde referencefrekvenser. Disse referencefrekvenser genereres af uafhængige kuldioxidlasere, hver stabiliseres ved anvendelse af fluorescens-signal fra en ekstern, lavtryk referencecellen. Den resulterende slag mellem kendte og ukendte laserfrekvenser overvåges af en metal-isolator-metal punktkontakt diodedetektor hvis udgang er observeret på en spectrum analysator. Rytmen frekvens mellem disse laser emissioner måles efterfølgende og kombineret med de kendte referencepunkter frekvenser at ekstrapolere det ukendte langtrækkende infrarød laser frekvens. Det resulterende én-sigma fraktioneret usikkerhed for laser frekvenser målt med denne teknik er ± 5 dele i 10 7. Præcist bestemme hyppigheden af langtrækkende infrarød laser emissioner er kritisk, da de ofte bruges som reference for andre målinger, som i høj -Opløsning spektroskopiske undersøgelser af frie radikaler ved hjælp af laser magnetisk resonans. Som led i denne undersøgelse, difluormethan, CH2F 2, blev brugt som langtrækkende infrarød laser medium. I alt blev otte langtrækkende infrarød laser frekvenser målt for første gang med frekvenser, der spænder fra 0,359 til 1,273 THz. Tre af disse laser emissioner blev opdaget i løbet af denne undersøgelse, og indberettes med deres optimale driftstryk, polarisering med hensyn til CO 2 </sub> pumpe laser og styrke.
Målingen af langtrækkende infrarød laser frekvenser blev uropført af Hocker og medarbejdere i 1967. De målte frekvenserne for de 311 og 337 um emissioner fra direkte udledning hydrogencyanid laser ved at blande dem med høje ordens harmoniske af en mikrobølgeovn signal i en silicium diode 1. For at måle højere frekvenser, blev en kæde af lasere og harmoniske blandeanordninger anvendt til at generere harmoniske laser 2. Til sidst to stabiliserede kuldioxid (CO2) lasere blev udvalgt til at syntetisere den nødvendige forskel frekvenser 3,4. Dag, kan måles langtrækkende infrarød laser frekvenser op til 4 THz med denne teknik kun at bruge den første harmoniske af forskellen frekvens genereres af to stabiliserede CO 2 referencenumre lasere. Kan også måles højere frekvens laseremissioner bruge den anden harmoniske, såsom de 9 THz laseremissioner fra methanol isotopologues CHD 2 OH og CH3 </sub> 18 OH. 5,6 årenes løb har nøjagtig måling af laser frekvenser påvirket en række videnskabelige forsøg 7,8 og tilladt vedtagelsen af en ny definition af måleren af Generalkonferencen for Mål og Vægt i Paris i 1983. 9 – 11
Heterodyne teknikker, såsom de beskrevet, har været utroligt gavnligt i målingen af langtrækkende infrarød laserfrekvenser genereret af optisk pumpede molekylære lasere. Siden opdagelsen af den optisk pumpede molekylær laser af Chang og broer 12, tusindvis af optisk pumpet langtrækkende infrarød laseremissioner er blevet genereret med en række laser medier. For eksempel, difluormethan (CH2 F 2) og dets isotopologues genererer over 250 laseremissioner når optisk pumpet af en CO 2-laser. Deres bølgelængder i området fra ca. 95,6 til 1714,1 pm 13. – </sop> 15 Næsten 75% af disse laser emissioner har haft deres frekvenser målt mens flere er blevet spektroskopisk tildelt 16-18.
Disse lasere, og deres måles nøjagtigt frekvenser, har spillet en afgørende rolle i udvikling af høj opløsning spektroskopi. De giver vigtige oplysninger om infrarøde spektrale studier af laser gasser. Ofte er disse laser frekvenser bruges til at verificere analysen af infrarød og langtrækkende infrarød spektre, fordi de giver forbindelser mellem de ophidsede vibrationelle statslige niveauer, der er ofte direkte utilgængelige fra absorptionsspektre 19. De tjener også som den primære strålingskilde til studier, der undersøger forbigående, kortlivede frie radikaler med laseren magnetisk resonans-teknik 20. Med denne ekstremt følsomme teknik, roterende og ro-vibrationelle Zeeman spektre i paramagnetiske atomer, molekyler og molekylære ioner kan være Recorded og analyseret sammen med evnen til at undersøge reaktionshastighederne anvendes til at skabe disse frie radikaler.
I dette arbejde, en optisk pumpet molekylær laser, vist i figur 1, er blevet anvendt til at frembringe langtrækkende infrarød laserstråling fra difluormethan. Dette system består af en kontinuerlig bølge (cw) CO 2 pumpelaseren og en langtrækkende infrarød laser hulrum. Et spejl internt i langtrækkende infrarød laser kavitet omdirigerer CO 2 laserstråling ned poleret kobberrør, undergår seksogtyve overvejelser før afslutning ved udgangen af hulrummet, spredning resterende pumpestråling. Derfor langtrækkende infrarød laser medium exciteres ved hjælp af en tværgående pumpning geometri. For at generere laservirkning, er flere variable justeres, nogle samtidigt, og alle efterfølgende optimeres, når laserstråling observeres.
I dette eksperiment er langtrækkende infrarød laserstråling overvåges af en metal-isolator-metal (MIM) punkt kontakt diode detektor. MIM diodedetektor er blevet brugt til laser frekvensmåling siden 1969. 21 – 23 laserfrekvensen målinger, MIM diodedetektoren er en harmonisk blander mellem to eller flere strålingskilder, der falder på dioden. MIM diodedetektor består af en skærpet wolframtråd kontakte en optisk poleret nikkel bunden 24. Den nikkelbaseret har en naturligt forekommende tyndt oxidlag, som er det isolerende lag.
Når en laser emission blev påvist, blev dens bølgelængde, polarisering, styrke og optimeret driftstryk optaget under dens frekvens blev målt ved anvendelse af tre-laser heterodyn teknik 25 – 27 ved at følge fremgangsmåden oprindeligt beskrevet i ref. 4. Figur 2 viser den optisk pumpet molekylær laser med to yderligere CW CO 2 referencenumre lasere har uafhængige frekvens staseringsrådgivere systemer, der udnytter Lammet dukkert i 4,3 um fluorescenssignal fra en ekstern, lavtryk cellereferencen 28. Dette håndskrift skitserer den proces, der anvendes til at søge efter langtrækkende infrarød laser emissioner samt metoden til estimering af deres bølgelængde og i præcist bestemme deres frekvens. Specifikt med hensyn til tre-laser heterodyn teknik samt de forskellige komponenter og driftsparametre for systemet kan findes i Supplemental tabel A sammen med referencer 4, 25-27, 29, og 30.
Der er flere kritiske trin i den protokol, der kræver nogle ekstra diskussion. Ved måling af langtrækkende infrarød laser bølgelængde, som beskrevet i trin 2.5.3, er det vigtigt at sikre den samme tilstand af langtrækkende infrarød laser emission bliver brugt. Flere former for et langtrækkende infrarød laser bølgelængde (dvs. TEM 00, TEM 01, etc.) kan genereres inden laserkaviteten og det er således vigtigt at identificere de relevante tilgrænsende hulrum modes bliver brugt t…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported in part by the Washington Space Grant Consortium under Award NNX10AK64H.
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. |