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Engineering

Caratterizzare lontano infrarosso Emissioni laser e la misurazione delle loro frequenze

Published: December 18, 2015 doi: 10.3791/53399

Abstract

La generazione e successiva misura della radiazione all'infrarosso lontano ha trovato numerose applicazioni in spettroscopia ad alta risoluzione, radio astronomia, e di imaging Terahertz. Per circa 45 anni, la generazione di coerenza, radiazioni all'infrarosso lontano è stato realizzato utilizzando il laser molecolare pompaggio ottico. Una volta rilevata la radiazione laser all'infrarosso lontano, le frequenze di queste emissioni laser sono misurate usando una tecnica eterodina tre laser. Con questa tecnica, la frequenza sconosciuta del laser molecolare pompaggio ottico è mescolato con la differenza di frequenza tra due frequenze di riferimento, stabilizzati infrarossi. Queste frequenze di riferimento vengono generati da laser di biossido di carbonio indipendenti, ciascuna stabilizzato utilizzando il segnale di fluorescenza da una cella di riferimento bassa pressione esterna. Il battito risultante tra le note e sconosciute frequenze laser è monitorato da un punto di contatto diodo rivelatore metallo-isolante-metallo la cui uscita è osservato su una specificaanalizzatore trum. La frequenza di battimento tra queste emissioni laser viene successivamente misurata e combinato con le frequenze di riferimento noti per estrapolare la frequenza del laser lontano infrarosso sconosciuta. La risultante di un sigma incertezza frazionata per frequenze laser misurata con questa tecnica è di ± 5 parti in 10 7. Determinare accuratamente la frequenza delle emissioni laser lontano infrarosso è critico in quanto sono spesso utilizzati come riferimento per altre misure, come in alto indagini spettroscopiche -Risoluzione dei radicali liberi con laser a risonanza magnetica. Nell'ambito di questa indagine, difluorometano, CH 2 F 2, è stato utilizzato come mezzo di laser lontano infrarosso. In tutto, otto frequenze laser lontano infrarosso sono stati misurati per la prima volta con frequenze che vanno da 0.359 al 1.273 THz. Tre di queste emissioni laser sono stati scoperti durante questa indagine e presentate con la loro pressione di esercizio ottimale, polarizzazione rispetto al CO 2

Introduction

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La misurazione delle frequenze laser lontano infrarosso fu eseguita da Hocker e collaboratori nel 1967. Hanno misurato le frequenze per i 311 e 337 micron emissioni dal-scarico diretto laser acido cianidrico mescolandoli con armoniche di ordine elevato di un segnale a microonde in un diodo al silicio 1. Per misurare frequenze superiori, una catena di laser e dispositivi di miscelazione armonici sono stati utilizzati per generare le armoniche laser 2. Alla fine due stabilizzato anidride carbonica (CO 2) laser sono stati scelti per sintetizzare la differenza necessaria frequenze 3,4. Oggi, frequenze laser all'infrarosso lontano fino a 4 THz può essere misurata con questa tecnica utilizzando solo la prima armonica della frequenza differenza generato da due stabilizzate CO 2 laser di riferimento. Elevate emissioni laser frequenza possono anche essere misurati usando la seconda armonica, come le emissioni laser 9 THz dal isotopologhi metanolo CHD 2 OH e CH 3 18 OH. 5,6 Nel corso degli anni, la misurazione accurata delle frequenze laser ha inciso una serie di esperimenti scientifici 7,8 e permesso l'adozione di una nuova definizione del metro dalla Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure a Parigi nel 1983. 9 - 11

Eterodina tecniche, come quelle descritte, sono state estremamente utile nella misurazione delle frequenze laser lontano infrarosso generati dai laser pompati otticamente molecolari. Dalla scoperta del laser molecolare pompaggio ottico da Chang e ponti 12, migliaia di pompaggio ottico emissioni laser lontano infrarosso sono stati generati con una varietà di mezzi laser. Ad esempio, difluorometano (CH 2 F 2) e suoi isotopologhi generano oltre 250 emissioni laser quando pompaggio ottico da un laser CO 2. Loro lunghezze d'onda vanno da circa 95,6-1714,1 micron 13. - 15 Quasi il 75% di queste emissioni laser hanno avuto le loro frequenze misurate, mentre molti sono stati assegnati spettroscopicamente 16-18.

Questi laser, e le loro frequenze, esattamente misurata, hanno svolto un ruolo cruciale nel progresso della spettroscopia ad alta risoluzione. Essi forniscono informazioni importanti per gli studi spettrali infrarossi dei gas laser. Spesso queste frequenze laser sono utilizzati per verificare l'analisi degli spettri infrarossi e lontano infrarosso perché forniscono connessioni tra i livelli eccitati stato vibrazionale che spesso sono direttamente accessibili da spettri di assorbimento 19. Essi servono anche come fonte di radiazione primaria per gli studi che indagano transitori, i radicali liberi di breve durata con la tecnica laser a risonanza magnetica 20. Con questa tecnica estremamente sensibile, rotazione e ro-vibrazionale spettri Zeeman negli atomi paramagnetici, molecole e ioni molecolari può essere recorded e analizzato con la capacità di indagare le velocità di reazione utilizzate per creare questi radicali liberi.

In questo lavoro, un laser molecolare pompaggio ottico, mostrato in figura 1, è stato utilizzato per generare radiazione laser all'infrarosso lontano da difluorometano. Questo sistema è composto da un onda continua (cw) CO 2 laser di pompa ed una cavità laser lontano infrarosso. Uno specchio interna alla cavità laser lontano infrarosso reindirizza la radiazione laser CO 2 nel tubo di rame lucido, subendo ventisei riflessioni prima di terminare alla fine della cavità, spargendo qualsiasi radiazione di pompa residua. Pertanto, il mezzo di laser lontano infrarosso è eccitato con una geometria di pompaggio trasversale. Per generare azione del laser, diverse variabili vengono regolati, alcuni simultaneamente, e tutte sono poi ottimizzati volta radiazione laser è osservata.

In questo esperimento, la radiazione laser all'infrarosso lontano è monitorata da un metallo-insutore-metallo (MIM) punto di contatto diodo rivelatore. Il rivelatore diodo MIM è stato usato per misure di frequenza laser dal 1969. 21 - 23 In misure di frequenza laser, il rivelatore diodo MIM è un mixer armonico tra due o più sorgenti di radiazione incidente sul diodo. Il rivelatore diodo MIM è costituito da un filo di tungsteno affilato contatto con un base di nickel otticamente lucidato 24. La base nichel ha un naturale strato di ossido sottile che è lo strato isolante.

Una volta che una emissione laser è stato rilevato, la sua lunghezza d'onda, polarizzazione, forza e pressione di esercizio ottimizzati sono stati registrati mentre la sua frequenza è stata misurata utilizzando tre laser eterodina tecnica 25 - 27 secondo il metodo descritto originariamente in Ref. 4. La Figura 2 mostra il laser molecolare pompaggio ottico con due ulteriori cw CO 2 laser di riferimento avente sta frequenza indipendentisistemi bilization che utilizzano il tuffo Agnello nel segnale di fluorescenza 4.3 micron da una cella di riferimento, a bassa pressione esterna 28. Questo manoscritto descrive il processo utilizzato per la ricerca di emissioni laser all'infrarosso lontano e metodo per la stima loro lunghezza d'onda e nel determinare con precisione la loro frequenza. Specifiche relative alla tecnica eterodina tre laser così come i vari componenti ei parametri operativi del sistema possono essere trovati in riferimento Tabella A con riferimenti 4, 25-27, 29 e 30.

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Protocol

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1. Pianificazione di Esperimenti

  1. Condurre uno studio della letteratura per valutare il lavoro preliminare eseguito utilizzando il mezzo di laser di interessi, che per questo esperimento è CH 2 F 2. Identificare tutte le emissioni laser noti insieme a tutte le informazioni sulle linee, come la loro lunghezza d'onda e la frequenza. Diverse indagini di emissioni laser noti sono disponibili 13,31 - 37.
  2. Compilare tutte le indagini spettroscopiche della molecola utilizzata come mezzo di laser con una particolare attenzione alla prima trasformata di Fourier 34 e optoacustica studi 38,39.

2. Le emissioni Generazione lontano infrarosso Laser

  1. Panoramica di sicurezza.
    1. Sviluppare una procedura operativa standard per il laboratorio che include la protezione per gli occhi quando si lavora con la CO 2 e sistemi laser lontano infrarosso.
  2. Allineamento e calibrazione.
    1. Calibrare ogni CO 2 laser utilizzando un analizzatore di spettro reticolo-based progettato per il laser CO 2 secondo il protocollo del produttore.
    2. Allineate gli specchi finali e lo specchio di accoppiamento nella cavità laser lontano infrarosso utilizzando un laser He-Ne di modo che la loro radiazione è focalizzata sul diodo rivelatore MIM.
    3. Dirigere la radiazione dal laser CO 2 pompa nella cavità laser lontano infrarosso attraverso una finestra di cloruro di sodio con un angolo di circa 72 o rispetto all'asse della cavità.
    4. Dirigere la radiazione dai due laser CO 2 con riferimento a ciascuna cella di riferimento loro rispettivi fluorescenza a bassa pressione o co-linearmente sul rivelatore diodo MIM con separatori di fasci e specchi supplementari.
  3. Rilevazione della radiazione laser all'infrarosso lontano.
    1. Lucidare la base di nickel ogni diversi giorni con un lucido metallico standard.
    2. Crimp un filo di tungsteno di 25 micron in un post di rame e piegare il filo nel configurzione mostrata in figura 3.
    3. Regolare la lunghezza del filo in modo che sia tra 10 e 20 lunghezze d'onda della radiazione da misurare.
    4. Elettrochimicamente etch la punta del filo in una soluzione di idrossido di sodio satura (NaOH) applicando una tensione (circa 3,5 a 5 VAC) alla soluzione.
    5. Re-incidere la punta con una bassa tensione (meno di 1 VAC). Questo irruvidisce la punta del filo e migliora le prestazioni del diodo.
    6. Lavare il filo con acqua distillata.
    7. Inserire il perno di rame nella scatola del diodo MIM una volta che il filo è asciutta.
    8. Posizionare il filo a contatto con la base di nickel con un sistema a vite e il livello soddisfacente. Contatti ottenendo una resistenza attraverso il diodo tra 100 e 500 Ω sono utilizzati tipicamente quando rilevare e misurare la radiazione laser all'infrarosso lontano.
  4. Generazione di radiazione laser all'infrarosso lontano.
    1. Impostare il laser di pompa CO 2 su una specifica em laserissione, ad es., 9 P 36.
    2. Ruotare il quadrante del micrometro sul laser di pompa CO 2 avanti e indietro per ottenere la massima intensità sulla battuta fascio.
    3. Regolare l'inclinazione del reticolo del laser di pompa CO 2 per ottenere la massima intensità sulla battuta fascio.
    4. Ripetere i punti 2.4.2 e 2.4.3 fino a quando la potenza di uscita per il laser di pompa CO 2 appare ottimizzato sulla battuta fascio.
    5. Rimuovere la fermata fascio dal percorso del laser pompa CO 2.
    6. Accendere e allineare l'elicottero ottica nel percorso del raggio del laser pompa CO 2.
    7. Aprire la valvola della bombola F 2 CH 2 per introdurre il mezzo laser all'infrarosso lontano nella cavità laser lontano infrarosso.
    8. Regolare la valvola di dosaggio sulla linea di ingresso fino ad una pressione di circa 10 Pa è raggiunto.
      Nota: Solo la pressione approssimativa è necessaria poiché viene usato come un modo di scansione laser sistematicamente lontano infrarosso cavity.
    9. Impostare la posizione dell'accoppiatore di uscita in modo che la sua punta più esterna è di circa 1 cm dal centro della cavità laser come indicato da una scala graduata sulla parte esterna della cavità laser.
      Nota: Solo la posizione approssimativa è necessaria in quanto viene utilizzato come un modo di scansione sistematicamente cavità laser lontano infrarosso.
    10. Regolare la posizione del mobile specchio laser lontano infrarosso in circa 0,25 mm con incrementi ruotando la ghiera micrometrica calibrato avanti e indietro. Contemporaneamente sintonizzare la frequenza del laser CO 2 pompa attraverso la sua curva di guadagno cambiando la tensione applicata ai capi del trasduttore piezoelettrico laser di pompa CO 2 (PZT).
    11. Se nessun segnale viene osservata sul display dell'oscilloscopio, ripetere passo 2.4.10 con l'accoppiatore uscita spostata nella posizione successiva in cui la punta è circa 1,5 cm dal centro della cavità laser come indicato da una scala graduata sulla parte esterna del laser cavità.
    12. Se nessun segnale viene osservata sul display dell'oscilloscopio, ripetere passo 2.4.10 con l'accoppiatore uscita spostata nella posizione successiva in cui la punta è di circa 2 cm dal centro della cavità laser come indicato da una scala graduata sulla parte esterna del laser cavità.
    13. Se nessun segnale si osserva sul display dell'oscilloscopio, ripetere i punti 2.4.9 attraverso 2.4.12 con una pressione laser lontano infrarosso di circa 19 Pa come regolata con la valvola di dosaggio sulla linea di aspirazione.
    14. Se nessun segnale si osserva sul display dell'oscilloscopio, ripetere i punti 2.4.9 attraverso 2.4.12 con una pressione laser lontano infrarosso di circa 27 Pa come regolata con la valvola di dosaggio sulla linea di aspirazione.
    15. Se nessun segnale viene osservata sul display dell'oscilloscopio, inserire la fermata fascio nel percorso del laser di pompa CO 2 e chiudere la valvola sul CH 2 F 2 cilindro finché la pressione laser lontano infrarosso è di circa 0 Pa.
    16. Impostare la pompa di CO 2laser per il prossimo emissione laser, ad esempio, 9 P 34, e ottimizzare la potenza di uscita utilizzando i passi 2.4.2 attraverso 2.4.4.
    17. Ripetere i passaggi 2.4.5 attraverso 2.4.16 fino a quando vengono utilizzate tutte le emissioni generate dal laser pompa CO 2. Durante la ricerca di linee laser lontano infrarosso, mettere un focus sulle emissioni di CO 2 laser di pompa le cui frequenze si sovrappongono con qualsiasi regioni di assorbimento identificati nella fase 1.2.
  5. Caratterizzare emissioni laser lontano infrarosso.
    1. Contemporaneamente regolare la pressione del mezzo laser lontano infrarosso, la tensione applicata al PZT del laser di pompa CO 2, e la posizione del accoppiatore uscita finché è massimizzato potenza della emissione laser lontano infrarosso (determinato da un picco-to massima segnale di picco del diodo rivelatore MIM come osservato sul display dell'oscilloscopio, simile alla figura 4).
    2. Girare la manopola del micrometro in senso orario fino alla emissione laser lontano infrarosso si osservail display dell'oscilloscopio. Registrare la posizione del comparatore.
    3. Girare la manopola micrometrica in senso orario per altri 20 modi corrispondenti allo stesso emissione laser lontano infrarosso. Registrare la posizione del comparatore.
    4. Sottrarre la posizione del quadrante del micrometro in passi 2.5.2 e 2.5.3. Dividere questa differenza per 10 per ottenere la lunghezza d'onda dell'emissione laser lontano infrarosso.
    5. Ripetere passaggi 2.5.2 2.5.4 attraverso un totale di cinque volte e la lunghezza d'onda media dell'emissione laser lontano infrarosso. Lunghezze d'onda laser medi misurati attraversando almeno 20 modi longitudinali adiacenti hanno una incertezza uno-sigma di ± 0,5 micron.
    6. Misurare la polarizzazione della radiazione laser all'infrarosso lontano, rispetto alla radiazione di pompa CO 2, utilizzando un polarizzatore oro a griglia metallica (394 linee / cm) o un polarizzatore Brewster.

3. Determinazione lontano infrarosso Frequenze Laser

  1. Identificareing le emissioni di CO 2 laser di riferimento.
    1. Calcolare la frequenza dell'emissione laser lontano infrarosso basato su sua lunghezza d'onda misurata.
    2. Identificare serie di CO 2 linee laser di riferimento la cui differenza di frequenza è in qualche gigahertz della frequenza calcolato per l'emissione laser lontano infrarosso 40. Un elenco tipico utilizzato per tali misurazioni è riportata nella Tabella 1.
  2. Ricerca del segnale di battimento eterodina.
    1. Identificare la prima serie di linee laser CO 2 di riferimento e impostare ciascun CO 2 laser di riferimento sui rispettivi emissione laser.
    2. Ottimizzare la potenza di uscita per ogni laser CO 2 di riferimento utilizzando passaggi 2.4.2 tramite 2.4.4 e il misuratore di potenza del monitor.
      1. Regolare un'iride, interno o esterno di ciascun laser di riferimento, in modo che la potenza di ciascun CO 2 laser di riferimento è di circa 100 mW misurata dal misuratore di potenza del monitor mostrato inFigura 2.
    3. Bloccare la radiazione dal laser pompa CO 2 utilizzando una fermata fascio mentre sbloccare la radiazione dal CO 2 laser di riferimento.
    4. Accendere e allineare l'elicottero ottica nel percorso ottico co-lineare dei laser CO 2 di riferimento.
    5. Ottimizza per massima tensione picco-picco di ciascun CO 2 emissione laser riferimento diodo rivelatore MIM usando diversi specchi, divisori di fascio, ed una lente piano-convessa lunghezza ZnSe focale 2.54 cm osservando l'uscita sull'oscilloscopio, simile alla figura 5 .
    6. Bloccare la radiazione dal CO 2 laser di riferimento utilizzando una fermata fascio mentre sbloccare la radiazione dal laser pompa CO 2.
    7. Re-ottimizzare il laser di pompa CO 2 e il laser lontano infrarosso, se necessario, in modo che l'emissione laser lontano infrarosso ha una massima tensione di picco-picco come osservato sull'oscilloscopio.
    8. Scollegare tha MIM uscita del diodo rivelatore dall'oscilloscopio e collegarlo a un amplificatore la cui uscita è osservato su un analizzatore di spettro.
    9. Sbloccare la radiazione dal CO 2 laser di riferimento.
    10. Rimuovere gli elicotteri ottici che modulano la pompa e di riferimento laser CO 2.
    11. Impostare l'analizzatore di spettro su un arco di 40 MHz e cercare il segnale di battimento con incrementi di 1,5 GHz attraverso la scansione manualmente questa gamma di frequenza con la manopola di regolazione del analizzatore di spettro.
    12. Se nessun segnale di battimento si osserva, scollegare l'uscita del diodo MIM dall'amplificatore e collegarlo all'oscilloscopio.
    13. Bloccare la radiazione dal CO 2 laser di riferimento e reinserire l'elicottero ottica nel percorso del laser pompa CO 2.
    14. Ripetere i passaggi attraverso 3.2.2 3.2.13 necessaria fino a quando l'analizzatore di spettro è stato usato per ricercare il segnale di battimento tra 0 e 12 GHz.
    15. Se nessun segnale di battimento si osserva, repea passi 3.2.2 attraverso 3.2.14, con un altro gruppo di CO 2 linee laser di riferimento fino a quando il segnale di battimento si osserva o tutti i possibili insiemi di linee laser CO2 di riferimento sono esauriti.
  3. Stabilizzare le frequenze di riferimento di CO 2.
    1. Applicare una tensione compresa tra 0 e 900 V al PZT primo CO 2 del laser di riferimento in modo che il segnale dalla rispettiva cella di riferimento fluorescenza è al centro del dip Lamb, illustrata in figura 6 e come visualizzato su un oscilloscopio come in Figura 7.
    2. Attivare la tensione di retroazione applicata al PZT primo CO 2 del laser di riferimento utilizzando un / servo amplificatore lock-in su misura in modo che rimanga bloccato al centro del dip Lamb.
    3. Ripetere i punti 3.3.1 e 3.3.2 per il secondo laser CO 2 di riferimento.
    4. Visivamente monitorare l'uscita del pre-amplificatore su un oscilloscopio, come in figura 7, a enche i laser di riferimento rimane bloccato.
  4. Misura della frequenza di battimento.
    1. Centro il segnale di battimento sul display analizzatore di spettro e regolare l'ampiezza di massimizzare la sua dimensione sul display.
    2. Impostare l'analizzatore di spettro per visualizzare due tracce simultanee del segnale di battimento, come nella figura 8, selezionando la funzione Write sereno sia per Traccia 1 e Traccia 2. Una traccia visualizzerà il segnale istantaneo mentre l'altro registrare il segnale massimo (usando una funzione Attesa Max sull'analizzatore di spettro per la seconda traccia).
    3. Ruotare il quadrante del micrometro sulla cavità laser lontano infrarosso avanti e indietro attraverso la curva di guadagno per una data modalità cavità.
    4. Utilizzare la funzione Visualizza sulla analizzatore di spettro di congelare il secondo (Max Hold) traccia una volta si ottiene un modello simmetrico.
    5. Ruotare leggermente la manopola micrometrica in senso orario per diminuire la lunghezza della cavità laser lontano infrarosso. Osservare simultaneamente i sottotitoliEquent piccolo spostamento della frequenza di battimento sul analizzatore di spettro a causa di questo leggero aumento della frequenza del laser all'infrarosso lontano.
    6. Posizionare i marcatori alla larghezza a metà massimo dei punti del modello simmetrico (traccia Max Hold) utilizzando la funzione di indicatore con la funzione Delta sul analizzatore di spettro.
    7. Misurare la frequenza centrale del segnale di battimento utilizzando la funzione Span Pair sull'analizzatore di spettro.
    8. Ripetere i passaggi 3.4.1 tramite 3.4.7.
    9. Sbloccare il blocco amplificatore / servo per ogni CO 2 laser di riferimento per sbloccare ogni laser dalla sua frequenza centrale e ri-ottimizzare ogni laser CO 2 di riferimento.
    10. Ribloccare i laser di riferimento utilizzando passaggi 3.3.1 tramite 3.3.4.
    11. Ripetere i passaggi 3.4.1 attraverso 3.4.10, per un totale di 6 misurazioni. Una volta completata, sbloccare ogni laser CO 2 di riferimento dalla sua frequenza centrale.
    12. Calcolare la frequenza riveduta della emissione laser lontano infrarosso utilizzando questi battito frequenze per ottenere una previsione accurata per la seconda serie di linee laser CO 2 di riferimento.
    13. Identificare un diverso insieme di linee laser CO 2 di riferimento la cui differenza di frequenza è entro qualche gigahertz della frequenza calcolata per l'emissione laser lontano infrarosso.
    14. Ottimizzare la prossima serie di CO 2 linee laser di riferimento sul diodo rivelatore MIM e ottenere il segnale di battimento con passaggi 3.2.2 attraverso 3.2.15, se necessario.
    15. Bloccare la nuova serie di linee di CO 2 laser di riferimento utilizzando passaggi 3.3.1 tramite 3.3.4.
    16. Ripetere i passaggi 3.4.1 attraverso 3.4.10, per un totale di 6 misurazioni. Una volta completata, sbloccare ogni laser CO 2 di riferimento dalla sua frequenza centrale.
    17. Fascio Inserire ferma nei sentieri della pompa e di riferimento laser CO 2.
  5. Calcolo della frequenza del laser lontano infrarosso.
    1. Calcolare la frequenza del laser lontano infrarosso sconosciuto, ν FIR, utilizzando la misurato esserealla frequenza attraverso la relazione
      FIR = | ν CO2 (I)CO2 (II) | ± | battito ν | Eq. 1
      dove | ν CO2 (I)CO2 (II) | è la grandezza della differenza di frequenza sintetizzato dalle due CO 2 laser di riferimento e | battito ν | è l'ampiezza della frequenza di battimento. Il segno ± nell'eq. 1 è determinato in via sperimentale a partire dal punto 3.4.5.
    2. Ottenere una frequenza media e calcolare ilincertezza.

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Representative Results

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Come accennato, la frequenza riportata di emissione laser lontano infrarosso è una media di almeno dodici misure effettuate con almeno due diversi insiemi di CO linee laser 2 di riferimento. La Tabella 2 illustra i dati registrati per l'emissione 235.5 micron laser utilizzando la 9 P 04 CO 2 laser della pompa. Per questa emissione laser lontano infrarosso, sono state registrate quattordici misurazioni individuali della frequenza di battimento. La prima serie di misure sono stati registrati durante l'utilizzo del 9 R 10 e 9 P 38 CO 2 emissioni laser riferimento. Per il passaggio 3.4.5, come la frequenza del laser lontano infrarosso è stata leggermente aumentata, è stata osservata anche la frequenza di battimento ad aumentare. Indica la frequenza del laser lontano infrarosso era maggiore della grandezza della differenza di frequenza tra il 9 R 10 e 9 P 38 CO 2 laser di riferimento, | ν CO2 (I)CO2 (II) |. Pertanto, il segno of la frequenza di battimento in equazione 1 è positivo per questo set di CO 2 laser di riferimento. Al contrario, la seconda serie di misurazioni utilizzato i 9 R 16 e 9 P 34 le emissioni di CO 2 laser di riferimento. Quando è stata eseguita passo 3.4.5, una diminuzione della frequenza di battimento è stata osservata mentre la frequenza del laser lontano infrarosso era leggermente aumentato. Indica la frequenza del laser lontano infrarosso è inferiore all'ampiezza della differenza di frequenza tra il 9 R 16 e 9 P 34 CO 2 laser di riferimento. Pertanto, per questo insieme di CO 2 laser di riferimento il segno della frequenza di battimento in Equazione 1 è negativo. Come illustrato nella Tabella 2, la frequenza del laser lontano infrarosso calcolato, ν FIR, per entrambe le situazioni rimasta la stessa entro un ± 0.12 MHz deviazione standard one-sigma.

Le frequenze medie laser all'infrarosso lontano determinate con questa tecnica sperimentale sono elencati in 2. Le frequenze laser medi sono segnalati con loro lunghezza d'onda corrispondente e numero d'onda, calcolato con 1 cm -1 = 29 979,2458 MHz. Tutte le frequenze laser lontano infrarosso sono stati misurati in condizioni di funzionamento ottimali. Nel corso di questa indagine, diverse frequenze precedentemente riportati sono stati misurati e sono risultati in accordo con i valori pubblicati. L'uno-Sigma incertezza frazionale, Δν, frequenze laser di lontano infrarosso misurati con questa tecnica è ± 5 × 10-7. Questa incertezza deriva dalla riproducibilità di frequenze conosciute con questo sistema, la simmetria e la larghezza della curva di guadagno ampliato del laser all'infrarosso lontano, e la precisione delle misure 4,25,31.

Le emissioni laser lontano infrarosso rinvenuti durante questa indagine sono stati osservati per avere un punto di forza di 'W &# 8217; corrispondente ad un intervallo di potenza da 0,001 a 0.01 mW. Per confronto, la linea 118,8 micron di metanolo è stata osservata con il sistema per essere VVS con una potenza leggermente superiore a 10 mW quando si utilizza il 9 P 36 CO pompa 2 avente una potenza di 18 W. Inoltre, la tabella 3 comprende la polarizzazione di ogni nuova emissione laser lontano infrarosso misurata rispetto alla rispettiva pompa laser CO 2. Nella maggior parte dei casi, solo una polarizzazione è stata osservata per dominare, sia una polarizzazione parallela o perpendicolare al laser pompa CO 2. Per le situazioni in cui è stata osservata alcuna polarizzazione dominante, sono state elencate entrambe le polarizzazioni.

In sintesi, otto emissioni laser lontano infrarosso sono stati generati da difluorometano utilizzando un sistema laser molecolare pompaggio ottico a geometria pompaggio trasversale. Ciò include la scoperta di tre emissioni laser lontano infrarosso che hanno lunghezze d'onda di 235,5, 335,9, 416,8 e micron. Una volta rilevata,la tecnica eterodina tre laser è stato usato per misurare la frequenza per ciascuna osservato emissione laser all'infrarosso lontano. Le frequenze di queste emissioni laser variava 0,359-1,273 THz e sono segnalati con incertezze frazionali di ± 5 parti in 10 7.

Figura 1
Figura 1. Schema del sistema laser molecolare pompaggio ottico costituito da un laser di pompa anidride carbonica e una cavità laser lontano infrarosso. Il mezzo laser all'infrarosso lontano è eccitata con una geometria pompaggio trasversale. Ristampato con piccole modifiche da Ref. 15 per gentile concessione di Springer Science Business Media e. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura 2. Rappresentazione schematica del sistema di misura della frequenza eterodina tre laser. Il sistema eterodina include il laser molecolare pompaggio ottico utilizzando una geometria pompaggio trasversale e due laser supplementari riferimento anidride carbonica. Non mostrato sono i sistemi elettronici utilizzati per monitorare e stabilizzare la radiazione generata da ciascun laser. © [2015] IEEE. Ristampato, con piccole modifiche e autorizzazione, da Ref. 27. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Il filo di tungsteno utilizzato nel punto di contatto diodo rivelatore MIM come visto attraverso una lente di ingrandimento. Illunghezza del filo è di circa 2 mm. Per una migliore azione della molla, gli angoli della piega dovrebbe essere vicino o 90 e giacciono tutti sullo stesso piano.

Figura 4
Figura 4. La forma d'onda generata dalla emissione 274,8 micron laser di pompaggio ottico CH 2 F 2 utilizzando il 04 CO pompa 2 9 P laser come visualizzato sul display dell'oscilloscopio. La radiazione pompa CO 2 è modulato da un chopper ottico operante a circa 45 Hz. La resistenza del diodo rivelatore MIM è circa 100 e il segnale è di circa 6 mV (picco-picco). Il display oscilloscopio è impostato su 10 mV / divisione.

Figura 5
Figura 5. La sinistra efoto centrali mostrano l'uscita da ciascun CO 2 laser di riferimento, 9 R 16 e 9 P 34, rispettivamente. Il rispettivo segnale modulato sull'oscilloscopio è di circa 4 mV (picco-picco) per circa 100 mW di potenza, come misurato da il misuratore di potenza del monitor. La foto a destra mostra il segnale combinato da entrambi i laser di riferimento da circa 7 mV (picco-picco) indicando i due segnali di riferimento siano opportunamente mescolando sul diodo rivelatore MIM. La resistenza del diodo rivelatore MIM è di circa 100 Ω. Il display oscilloscopio in ogni foto è impostato su 1 mV / divisione. La radiazione CO 2 è modulato da un chopper ottico operante a circa 70 Hz.

Figura 6
Figura 6. Il segnale di fluorescenza saturo a bassa pressione (6 Pa) CO 2 durante l'utilizzo del 9 R 24 CO 2emissione laser. Questo grafico è ottenuta modulando l'emissione laser riferimento CO 2 tramite un chopper esterna a 52 Hz, mentre la tensione applicata al PZT del laser di riferimento CO 2 viene decelerato da 0 a circa 570 V in circa 13 min. L'amplificatore lock-in è impostato su una costante di 300 msec e una sensibilità di 200 mV. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7. Il segnale di fluorescenza saturo a bassa pressione (6 Pa) CO 2 durante l'utilizzo del 9 R 24 CO 2 emissione laser come visualizzato su un oscilloscopio. La foto a sinistra indica il display dell'oscilloscopio quando la tensione PZT è lontano dal centro della tuffo Agnello, circa 80 V in thè foto. La parte centrale e destro fotografie indicano il display dell'oscilloscopio quando la tensione PZT è o immediatamente a sinistra oa destra del centro del dip dell'Agnello, di circa 278 e 295 V, rispettivamente, in queste foto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura .

Figura 8
Figura 8. Il segnale di battimento tra l'emissione 235.5 micron laser di pompaggio ottico CH 2 F 2 utilizzando il 9 P 04 CO 2 laser di pompa e il 9 R 16 e 9 P 34 CO 2 laser di riferimento. Un arco di circa 25 MHz è tipicamente usato. La maggior parte dei segnali di battimento si osservano entro ± 5 GHz. Tuttavia, ci sono alcune regioni di frequenza all'interno di questi parametri di ricerca che hanno un basso rapporto segnalea-rumore. Quindi, utilizzando un po 'più grande area di ricerca è stata talvolta utile.

Figura 9
Figura 9. Porzione di un risonatore interferogramma laser tipico (o scansione cavità) costituito da una serie di picchi discreti che corrispondono alle modalità del risonatore, separate da regioni in cui si verifica alcuna emissione laser. Questa scansione mostra l'emissione 511,445 micron laser generato dal pompaggio ottico CH 2 F 2 utilizzando il 28 CO pompa 9 R 2. Una diminuzione nella posizione micrometro corrisponde a una diminuzione del (separazione specchio a specchio) lunghezza della cavità laser lontano infrarosso. Il diodo MIM rilevato un segnale massimo 20 mV picco-picco generata da questa emissione laser all'infrarosso lontano. L'uscita dal sensore è stato registrato utilizzando un amplificatore lock-in, impostato su un tempo di 300 msec costante e 20 mV SENSIBILITÀy, interfacciato ad un computer. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1
Tabella 1: Set di CO 2 laser di riferimento la cui frequenza differenza è vicina alla frequenza calcolata per l'emissione 235.5 micron laser da CH pompaggio ottico 2 F 2 quando eccitato con il 9 P emissioni di 04 laser CO 2.

Tabella 2
Tabella 2: misura frequenze di battimento per l'emissione 235.5 micron laser da CH pompaggio ottico 2 F 2 quando eccitato con il 9 P emissioni di 04 laser CO 2. Due set di CO 2 laser di riferimento sono l'usod per generare la differenza di frequenza nota (| ν CO2 (I)CO2 (II) |).

Tabella 3
Tabella 3: Nuove frequenze laser all'infrarosso lontano da CH pompaggio ottico 2 F 2.

Tabella 4
Supplemento Tabella A: i dettagli tecnici del sistema sperimentale tra cui alcuni componenti commerciali rilevanti.

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Discussion

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Ci sono diversi passaggi critici all'interno del protocollo che richiedono una discussione supplementare. Quando si misura la lunghezza d'onda del laser all'infrarosso lontano, come descritto nel passaggio 2.5.3, è importante garantire la stessa modalità dell'emissione laser lontano infrarosso viene utilizzato. Modalità multiple di una lunghezza d'onda laser lontano infrarosso (cioè, TEM 00, TEM 01, etc.) possono essere generati all'interno della cavità laser e quindi è importante identificare le appropriate modi di cavità adiacenti utilizzati per misurare la lunghezza d'onda 13,29, 41. Per aiutare a eliminare modi di ordine superiore, iridi sono compresi all'interno di ciascuna cavità laser. Quando si misura con precisione la frequenza laser lontano infrarosso, è imperativo il laser, in particolare i CO 2 laser di riferimento, operano nel loro fondamentale modalità (TEM 00). Iridi sono utilizzati anche per garantire il modello tracciata dal laser lontano infrarosso sull'analizzatore di spettro è simmetrica. Per le situazioni in cui più lontanolunghezze d'onda laser -Infrared sono generati da un particolare CO 2 linea della pompa, come nel caso di 9 P 04, una serie di filtri assorbenti, tarati con lunghezza d'onda, sono utilizzati per aiutare a distinguere lunghezze d'onda laser lontano infrarosso. Possono anche essere utilizzati per attenuare qualsiasi radiazione laser CO 2 sparsi uscita dalla cavità laser lontano infrarosso.

Sezione 2.4 descrive la generazione di radiazione laser all'infrarosso lontano. Più numerose ricerche, abbiamo trovato che più lunghezze d'onda distinti possono essere generati dalla stessa serie laser di pompa CO 2 a frequenze leggermente diverse compensati. Ad esempio, il 04 CO pompa 2 9 P laser è in grado di generare i 289,5 e 724.9 micron lunghezze d'onda di CH 2 F 2 ad una frequenza pompa mentre le rimanenti lunghezze d'onda misurate durante questa indagine sono stati generati utilizzando una frequenza leggermente diversa dal 9 P 04 CO 2 laser della pompa. Questo è accomplmentata cambiando la tensione applicata al PZT che sintonizza la frequenza del laser di pompa CO 2 attraverso la sua curva di guadagno allargato (circa ± 45 MHz dalla frequenza centrale in questo esperimento). Per quanto non espressamente contenuta nella sezione 2.4, crediamo che questa sia una caratteristica degna di nota nella ricerca di radiazione laser all'infrarosso lontano.

Per situazioni in cui più emissioni laser lontano infrarosso sono generati dalla stessa linea laser di pompa CO 2 alla stessa frequenza di offset, un interferogramma risonatore laser (o scansione cavità) può essere eseguita per assistere nell'identificazione delle diverse emissioni laser all'infrarosso lontano generato . la figura 9 illustra una porzione di un tipico interferogramma risonatore laser, con la potenza di uscita tracciata come funzione decrescente di lontano infrarosso laser lunghezza della cavità 42 - 45.

Come indicato nella sezione 3.4, due serie distinte di CO 2I laser di riferimento sono usati per misurare la frequenza del laser lontano infrarosso. Questo aiuta ad eliminare l'incertezza sul fatto che la frequenza di battimento è superiore o inferiore alla differenza di frequenza generato tra i CO 2 laser di riferimento. Oltre a fornire un modo per verificare in modo indipendente la frequenza del laser lontano infrarosso, è stato particolarmente utile quando si lavora con segnali deboli della battuta in cui osservando il leggero spostamento della frequenza di battimento come lontano infrarosso aumenta la frequenza del laser può essere impegnativo.

Il rivelatore diodo MIM è un componente essenziale per questo sistema sperimentale per la sua alta velocità, sensibilità, e un'ampia copertura spettrale 23,24. Tuttavia, vi sono alcune limitazioni al diodo rivelatore MIM che includono instabilità meccanica, suscettibilità ai disturbi elettromagnetici, scarsa riproducibilità, e un limite alla potenza massima è in grado di rilevare, pur mantenendo la sua sensibilità. Mentre si misura lontano infrarosso fr laserequencies, la sensibilità del rivelatore diodo MIM è stato trovato a diminuire rapidamente nel tempo se la potenza da ciascun CO 2 laser di riferimento superato 150 mW.

Oltre il diodo rivelatore MIM, la principale limitazione alla presente tecnica è la stabilità del laser all'infrarosso lontano 4,31,46. Una limitazione nella configurazione corrente del sistema sperimentale è l'incapacità di misurare la frequenza di offset del laser di pompa CO 2. Come accennato, la frequenza di offset è definito come la differenza tra la frequenza utilizzata dal laser pompa CO 2 per generare dell'emissione laser all'infrarosso lontano e la frequenza centrale del laser della pompa CO 2. Così rappresenta la differenza tra la frequenza di assorbimento del mezzo laser all'infrarosso lontano e la frequenza centrale del laser di pompa CO 2. In genere, la frequenza di offset è facilmente misurata con tutte le radiazioni laser CO 2 che viene inavvertitamente sparso fuori of la cavità laser lontano infrarosso. Nella nostra configurazione corrente tuttavia, pochissima radiazione laser CO 2 è disponibile per tale misura. Altri metodi di misura della frequenza di offset possono essere incorporate in future iterazioni del progetto. Ciò include l'utilizzo splitter e specchi travi supplementari per accoppiare una porzione della radiazione di pompa al rivelatore diodo MIM. La misura di una frequenza di offset è utile quando si assegna transizioni spettroscopiche al 25,34 emissione laser lontano infrarosso.

Frequenze laser lontano infrarosso sono stati misurati da eterodina due pompaggio ottico laser all'infrarosso lontano e una sorgente di microonde su un diodo rivelatore MIM cui la frequenza di uno dei due laser lontano infrarosso è noto e viene utilizzato come frequenza di riferimento 47. È possibile l'uso di frequenze lontano infrarosso con maggiore precisione usando altre tecniche, come ad esempio con THz sintesi di frequenza-pettine simili a quelle Discussed in Refs. 48-54. Misurazione frequenze laser espande il ruolo dei laser molecolari pompaggio ottico in applicazioni THz THz di immagini 55, il suo ruolo come fonte di radiazione THz per spettroscopia ad alta risoluzione 13,20, e assistendo con l'analisi degli spettri complesso connessi alla sua lasing 19,34,37 media.

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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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Caratterizzare lontano infrarosso Emissioni laser e la misurazione delle loro frequenze
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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).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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