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Engineering

遠赤外線レーザーの排出量とその周波数の測定を特徴付けます

Published: December 18, 2015 doi: 10.3791/53399

Abstract

遠赤外線の発生とその後の測定は、高分解能分光法、電波天文学、およびテラヘルツイメージングにおいて多くの用途を発見しました。約45年にわたって、コヒーレント、遠赤外線の発生は、光励起分子のレーザーを使用して達成されました。遠赤外線レーザー放射線が検出されると、これらのレーザ放射の周波数は三レーザーヘテロダイン技術を用いて測定されます。この技術では、光励起分子レーザから未知の周波数は、二つの安定化、赤外線基準周波数との差周波数で混合されます。これらの基準周波数は、それぞれが外部低圧基準セルからの蛍光信号を用いて安定化され、独立した二酸化炭素レーザによって生成されます。既知および未知のレーザ周波数間のビートが得られ、その出力仕様に観察される金属 - 絶縁体 - 金属点接触ダイオード検出器によって監視されますtrumアナライザ。これらのレーザ放射との間のビート周波数は、その後、未知の遠赤外線レーザ周波数を推定することが知られている基準周波数で測定され、組み合わされます。それらはしばしば高いのように、他の測定のための基準として使用されているように、この技術を用いて測定レーザ周波数の結果の1シグマ分数不確かさが10 7±5重量部である。正確に遠赤外線レーザ放射の周波数を決定することは重要ですレーザー磁気共鳴を用いたフリーラジカルの-resolution分光調査。この研究の一環として、ジフルオロメタン、CH 2 F 2は 、遠赤外線レーザ媒質として使用しました。全部で8つの遠赤外線レーザー周波数は0.359から1.273テラヘルツの範囲の周波数を有する第1の時間を測定しました。これらのレーザーの排出量のうちの3つは、この調査中に発見され、CO 2に対するそれらの最適運転圧力、偏光で報告されています

Introduction

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遠赤外線レーザ周波数の測定は、最初の彼らは、マイクロ波信号の高次高調波と混合して直接放電シアン化水素レーザーからの311と337ミクロンの排出のための周波数を測定1967年Hockerおよび共同研究者によって行われました。シリコンダイオード1インチより高い周波数を測定するために、レーザと高調波の混合装置のチェーンは、レーザの高調波2を生成するために使用されました。最終的には両者はレーザが必要な差周波数を3,4を合成するために選択された二酸化炭素(CO 2)を安定化します。今日、4テラヘルツまでの遠赤外線レーザー周波数が2で生成された差分周波数の最初の高調波を使用して、この技術を用いて測定することができるCO 2基準レーザを安定化。より高い周波数のレーザー放射は、また、メタノールの同位体のCHD 2 OH及びCH 3から9テラヘルツレーザ放射として第二高調波を用いて測定することができます18 OH UB。長年の間に5,6、レーザー周波数の正確な測定は、科学実験7,8の数に影響を与えたとパリでの度量衡の総会によってメートルの新しい定義の採用を可能にしました1983年9から11

例えば、記載されたもののようなヘテロダイン技術は、光励起分子レーザによって生成された遠赤外線レーザ周波数の測定において非常に有益でした。チャンとブリッジ12によって光学的に励起分子レーザの発見以来、光学的に励起遠赤外線レーザ放射の何千ものレーザ媒質の様々な生成されています。光学的にCO 2レーザで励起するとき、例えば、ジフルオロメタン(CH 2 F 2)とその同位体は、250以上のレーザー放射を生成します。その波長は約95.6から1714.1ミクロンの範囲13 - 18 - > 15までのこれらのレーザー排出量の約75%は、いくつかの分光16が割り当てられているが、それらの周波数が測定されてきました。

これらのレーザー、及びそれらの正確に測定された周波数は、高分解能分光法の発展に重要な役割を果たしています。彼らは、レーザーガスの赤外分光研究のための重要な情報を提供します。彼らはしばしば吸収スペクトル19から直接アクセスできない励起振動状態レベルの間の接続を提供するので、多くの場合、これらのレーザの周波数は、赤外線および遠赤外線スペクトルの分析を確認するために使用されます。彼らはまた、レーザー磁気共鳴技術20で一過、短 ​​寿命のフリーラジカルを調査研究のための主要な放射源として機能します。この非常に敏感な技術では、常磁性原子、分子、分子イオンで回転し、RO-振動ゼーマンスペクトルは、rすることができますこれらのフリーラジカルを作成するために使用される反応速度を調査する能力とともにecorded分析しました。

この作業では、 図1に示した光励起分子レーザは、ジフルオロメタンから遠赤外線レーザー放射を生成するために使用されてきました。このシステムは、連続波(CW)CO 2ポンプレーザと遠赤外線レーザ共振器から成ります。遠赤外線レーザキャビティ内部のミラーが残りのポンプ放射を散乱、空洞の終わりに終了する前に、26の反射を受けて、研磨銅管の下のCO 2レーザ放射をリダイレクトします。従って、遠赤外線レーザー媒質は、横ポンピングジオメトリを使用して励起されます。レーザー作用を生成するために、いくつかの変数がいくつか同時に、調整され、レーザ放射が観測されると、すべてのその後に最適化されています。

この実験では、遠赤外線レーザー放射線は、金属INSUによって監視されていますレータ - 金属(MIM)点接触ダイオード検出器。 MIMダイオード検出器は、1969年21は 、レーザ周波数の測定に使用されている-レーザ周波数の測定は23、MIMダイオード検出器は、ダイオード上に2つ以上の放射線源との間の入射高調波ミキサです。 MIMダイオード検出器は、光学研磨ニッケルベース 24 に接触する先鋭化タングステン線で構成されています。ニッケルベースは、絶縁層である、天然に存在する薄い酸化物層を有しています。

当初は文献に記載された方法に従って27 -レーザ発光が検出されたら、その周波数は、3つのレーザーヘテロダイン法25を用いて測定しながら、その波長、偏光、強度、及び最適化された動作圧力を記録しました。 4. 図2は、2つの追加のCW CO 2参照レーザは、独立した周波数のSTAを有する光ポンピング分子レーザを示しています外部、低圧参照セル28から 4.3ミクロンの蛍光シグナルのラムディップを利用bilizationシステム。この原稿は、遠赤外レーザーの排出量だけでなく、その波長を推定すると、正確にその頻度を決定する方法を検索するために使用されるプロセスの概要を説明します。三レーザーヘテロダイン技術に関する具体的なだけでなく、様々なコンポーネントやシステムの動作パラメータは参照4、25-27、29、および30と一緒に補足表Aに記載されています。

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Protocol

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実験1.計画

  1. 事前の作業を評価するために、文献の調査を実施することは、この実験のためにCH 2 F 2であり、関心のレーザ媒質を用いて行きました。そのような彼らの波長や周波数などの回線に関するすべての情報と共に、すべての既知のレーザー排出量を特定します。 37 -知られているレーザーの排出量のいくつかの調査は13,31利用できます。
  2. 前フーリエ変換を中心としたレーザ媒質として使用される分子の全ての分光調査は34と光音響研究38,39を変換しコンパイルします。

2.生成遠赤外レーザーの排出量

  1. 安全に関する概要。
    1. CO 2と遠赤外線レーザーシステムで作業する場合、適切な眼の保護を備えてラボのための標準的な操作手順を開発します。
  2. アライメントとキャリブレーション。
    1. 各CO 2リットルのキャリブレーション製造業者のプロトコルに従ってCO 2レーザ用に設計された回折格子ベースのスペクトラム・アナライザを使用してASER。
    2. その放射線は、MIMダイオード検出器上に集束されるように、He-Neレーザを用いて遠赤外線レーザキャビティ内のエンドミラーと結合ミラーの位置を合わせます。
    3. 空洞軸に対して約72 Oの角度で塩化ナトリウム窓を通して遠赤外線レーザーキャビティ内にCO 2ポンプレーザからの放射を向けます。
    4. ビームスプリッタと追加のミラーを使用して、MIMダイオード検出器にそれぞれ低圧蛍光基準セルまたは共直線的にのいずれかへの2つのCO 2の基準レーザからの放射を向けます。
  3. 遠赤外線レーザー放射線の検出。
    1. 標準的な金属研磨を使用して数日毎にニッケル基を磨きます。
    2. 銅ポストに25μmのタングステン線を圧着し、configurにワイヤーを曲げエーション図3に示します。
    3. それは測定された放射線の10〜20の波長の間にあるように、ワイヤの長さを調整します。
    4. 電気化学溶液に電圧(約3.5〜5 VAC)を適用することにより、飽和水酸化ナトリウム(NaOH)溶液中に、ワイヤの先端をエッチングします。
    5. 低電圧(1未満VAC)で先端を再エッチングします。これは、ワイヤの先端を粗くし、ダイオードのパフォーマンスが向上します。
    6. 蒸留水でワイヤーを洗い流します。
    7. ワイヤが乾燥したら、MIMダイオードのハウジングに銅ポストを挿入します。
    8. 細かいネジとレベルのシステムを使用して、ニッケルベースに接触して電線を置きます。遠赤外線レーザー放射線を検出して測定するとき100および500Ωの間にダイオード間の抵抗をもたらす接点は典型的に使用されます。
  4. 遠赤外線レーザ放射の生成。
    1. 特定のレーザーのemにCO 2ポンプレーザを設定ission、 例えば 、9 P 36。
    2. ビーム停止に最大強度を達成するために、前後にCO 2ポンプレーザのマイクロメータのダイヤルを回します。
    3. ビーム停止に最大強度を達成するために、CO 2ポンプレーザの回折格子の傾きを調整します。
    4. CO 2ポンプレーザの出力パワーはビーム停止に最適化された表示されるまで繰り返して、2.4.2と2.4.3のステップ。
    5. CO 2ポンプレーザのパスからのビーム停止を削除します。
    6. 電源をオンにして、CO 2ポンプレーザの光路に光チョッパを揃えます。
    7. 遠赤外線レーザキャビティ内に遠赤外線レーザ媒質を導入するために、CH 2 F 2気筒のバルブを開きます。
    8. 約10 Paの圧力が達成されるまで入口ライン上の計量バルブを調整します。
      注:これは、系統的に遠赤外線レーザーcをスキャンする方法として使用されるためだけ近似圧力が必要ですavity。
    9. レーザ共振器の外側の目盛で示されるように、その最も外側の先端がレーザキャビティの中央から約1cmになるように、出力カプラの位置を設定します。
      注:これは、系統的に遠赤外線レーザ共振器を走査する方法として使用されるためだけ近似位置が必要です。
    10. 前後にキャリブレーションマイクロメーターダイヤルを回転させることにより、約0.25ミリメートル刻みで移動可能な遠赤外線レーザミラーの位置を調整します。 CO 2ポンプレーザの圧電トランスデューサ(PZT)に印加される電圧を変えることによってその利得曲線を介して同時に調整するCO 2ポンプレーザの周波数。
    11. 何の信号をオシロスコープのディスプレイ上で観察されない場合は、出力カプラとの繰り返しステップ2.4​​.10は、レーザの外側に目盛で示すように、先端部がレーザキャビティの中央から約1.5 cmであったその次の位置に移動させます空洞。
    12. 何の信号をオシロスコープのディスプレイ上で観察されない場合は、出力カプラとの繰り返しステップ2.4​​.10は、レーザの外側に目盛で示すように、先端部がレーザキャビティの中央から約2cmで、その次の位置に移動させます空洞。
    13. 何の信号をオシロスコープのディスプレイ上で観察されていない場合は、繰り返しが入口ライン上の計量バルブを調整して約19 Paでの遠赤外レーザーの圧力で2.4.12を通して2.4.9を繰り返します。
    14. 何の信号をオシロスコープのディスプレイ上で観察されていない場合は、繰り返しが入口ライン上の計量バルブを調整して約27 Paでの遠赤外レーザーの圧力で2.4.12を通して2.4.9を繰り返します。
    15. 無信号をオシロスコープの表示上で観察されていない場合、CO 2ポンプレーザの経路にビーム停止を挿入し、約0 Paである遠赤外線レーザー圧力まで、CH 2 F 2気筒のバルブを閉じます。
    16. CO 2ポンプを設定次のレーザ発光、 例えば、9、P 34へのレーザ、および2.4.4〜ステップ2.4.2を使用して出力電力を最適化します。
    17. CO 2ポンプレーザによって生成されたすべての排出量は使用されるまで繰り返し2.4.16を通して2.4.5を繰り返します。遠赤外レーザーラインを検索する場合、周波数ステップ1.2で識別された吸収領域と重なって、CO 2ポンプレーザの排出量に焦点を置きます。
  5. 遠赤外線レーザー放射を特徴付けます。
    1. 遠赤外線レーザ放射の出力電力が最大になるまで、同時に遠赤外線レーザ媒質の圧力、CO 2ポンプレーザのPZTに印加される電圧、及び出力カプラの位置を調整する(最大ピークトゥによって決定図4に類似したオシロスコープのディスプレイ上で観察されるように、MIMダイオード検出器からのピーク信号)。
    2. 遠赤外線レーザ発光がオンに観察されるまでマイクロメーターダイヤルを右に回しますオシロスコープのディスプレイ。マイクロメーターダイヤルの位置を記録します。
    3. 同じ遠赤外線レーザ発光に対応する追加の20のモードのマイクロメータのダイヤルを右に回します。マイクロメーターダイヤルの位置を記録します。
    4. ステップ2.5.2と2.5.3でマイクロメーターダイヤルの位置を引きます。遠赤外線レーザ放射の波長を得るために、10で、この差を分割します。
    5. 2.5.4まで手順5回の合計を2.5.2を繰り返し、遠赤外線レーザ発光の波長を平均します。少なくとも20の隣接する縦モードを横断することにより測定された平均のレーザー波長は、±0.5μmの1シグマの不確実性を持っています。
    6. 金のワイヤグリッド偏光子(394ライン/ cm)で ​​又はブルースター偏光子のいずれかを使用して、CO 2ポンプ放射に対して遠赤外線レーザ放射の偏光を測定します。

3.遠赤外レーザーの周波数を決定します

  1. 特定CO 2基準レーザ放射をる。
    1. その測定波長に基づいて、遠赤外線レーザ発光の周波数を計算します。
    2. 周波数の違い遠赤外線レーザ発光40のための計算された周波数の数GHzの範囲内にあるCO 2基準レーザラインのセットを識別します。このような測定のために使用される典型的なリスト表1に示します。
  2. ヘテロダインビート信号を検索しています。
    1. CO 2基準レーザラインの最初のセットを特定し、それぞれのレーザ発光の各CO 2参照レーザーを設定します。
    2. 2.4.4およびモニターの電源メーターを介してステップ2.4.2を使用して、各CO 2基準レーザの出力パワーを最適化します。
      1. に示すモニタ電力計によって測定されるように、各CO 2基準レーザからの電力は、約100ミリワットであるように、内部または各基準レーザの外部のいずれかで、絞りを調整します図2。
    3. CO 2参照レーザからの放射をブロック解除しながら、ビーム停止を使用して、CO 2ポンプレーザからの放射をブロックします。
    4. 電源をオンにして、CO 2参照レーザの共直線ビーム経路に光チョッパを揃えます。
    5. オシロスコープで出力を観察しながら図5と同様に、いくつかのミラー、ビームスプリッタ、及び2.54センチメートルに焦点距離のZnSe平凸レンズを使用して、最大ピーク・ツー・ピーク電圧のためのMIMダイオード検出器の各CO 2参照レーザ発光を最適化。
    6. CO 2ポンプレーザからの放射をブロック解除しながら、ビーム停止を使用して、CO 2の基準レーザからの放射線をブロックします。
    7. オシロスコープ上で観察される遠赤外線レーザ放射が最大ピーク・ツー・ピーク電圧を有するように、CO 2ポンプレーザと遠赤外線レーザーは、必要に応じて、再最適化します。
    8. 切断トン彼は、オシロスコープからダイオード検出器の出力をMIMとその出力スペクトラムアナライザ上で観察されたアンプに接続します。
    9. CO 2参照レーザから放射ブロックを解除。
    10. CO 2ポンプと、基準レーザの変調光学チョッパーを削除します。
    11. 40 MHzのスパンで、スペクトルアナライザを設定し、手動でスペクトラム・アナライザの調整ノブを使用して、この周波数範囲を走査することにより、1.5 GHzの単位でビート信号を検索します。
    12. 何のビート信号が観測されていない場合は、アンプからのMIMダイオードの出力を切断し、オシロスコープに接続します。
    13. CO 2参照レーザからの放射線をブロックし、CO 2ポンプレーザの経路に光チョッパを挿入します。
    14. スペクトラムアナライザは、0と12 GHzの間のビート信号を検索するために使用されるまで繰り返して、必要に応じて、3.2.13を通して3.2.2を繰り返します。
    15. 全くビート信号が観測されない場合、REPEビート信号が観測またはCO 2基準レーザ線のすべての可能なセットされるかまで、CO 2基準レーザ線の別のセットと3.2.14〜ステップ3.2.2に排出されます。
  3. CO 2の基準周波数を安定化させます。
    1. そのそれぞれの蛍光基準セルからの信号が、図6 及び7のようにオシロスコープで見られるように示され、ラムディップの中心になるように、第一のCO 2基準レーザのPZTに0と900 Vの電圧を印加します。
    2. それはラムディップの中心にロックされたままであるようにロックイン/サーボアンプを内蔵カスタムを使用して、最初のCO 2基準レーザのPZTに印加帰還電圧をアクティブにします。
    3. 繰り返しは、第二のCO 2基準レーザのために3.3.1と3.3.2を繰り返します。
    4. 視覚アンに、 図7のように 、オシロスコープのプリアンプの出力を監視します必ず参照レーザは、ロックされたまま。
  4. ビート周波数の測定。
    1. スペクトラム・アナライザの表示上のビート信号をセンタリングして表示上のサイズを最大化するために、その振幅を調整します。
    2. 使用して(両方のトレース1のための明確な書き込み機能を選択することにより、 図8のようにビート信号の2つの同時トレースを、表示されるように、スペクトルアナライザを設定し、他方は最大の信号を記録しながら、瞬時の信号を表示します。2. 1つのトレースをトレース第2のトレースのためのスペクトルアナライザの最大ホールド機能)。
    3. 指定されたキャビティモードの利得曲線を横切って前後に遠赤外線レーザ共振器のマイクロメータのダイヤルを回します。
    4. 対称のパターンが得られた後に第二(マックスホールド)トレースを凍結するスペクトルアナライザの表示機能を使用します。
    5. 若干遠赤外線レーザキャビティの長さを減少させるためにマイクロメーターダイヤルを時計回りに回転させます。同時に潜水艦を観察遠赤外レーザーの周波数におけるこのわずかな増加にスペクトルアナライザのビート周波数の小さなずれをequent。
    6. スペクトルアナライザのデルタ機能とマーカ機能を使用して対称パターン(最大ホールドトレース)の半値点で全幅にマーカーを配置します。
    7. スペクトルアナライザのスパンペア機能を使用してビート信号の中心周波数を測定します。
    8. 繰り返し3.4.7を介して3.4.1を繰り返します。
    9. その中心周波数からの各レーザのロックを解除し、それぞれCO 2基準レーザを再最適化するために、各CO 2レーザのための基準/サーボアンプ内のロックを外します。
    10. 3.3.4〜ステップ3.3.1を使用して参照レーザーを再ロックします。
    11. 繰り返しは6回の測定の合計3.4.10を通して3.4.1を繰り返します。完了したら、その中心周波数からそれぞれのCO 2参照レーザーのロックを解除します。
    12. これらのビートFREを用いた遠赤外線レーザ放射の改訂頻度を計算します波数を与えるとCO 2基準レーザ線の第二のセットのための正確な予測を得ることができます。
    13. 周波数の違い遠赤外線レーザ発光のための計算された周波数の数GHzの範囲内にあるCO 2基準レーザラインの異なるセットを識別します。
    14. MIMダイオード検出器のCO 2基準レーザラインの次のセットを最適化し、必要に応じ3.2.15〜ステップ3.2.2を使用してビート信号を得ます。
    15. 3.3.4〜ステップ3.3.1を使用して、CO 2基準レーザラインの新しいセットをロックします。
    16. 繰り返しは6回の測定の合計3.4.10を通して3.4.1を繰り返します。完了したら、その中心周波数からそれぞれのCO 2参照レーザーのロックを解除します。
    17. 挿入ビームは、CO 2ポンプと、基準レーザーの路に停止します。
  5. 遠赤外線レーザ周波数の計算。
    1. 測定することを使用して、FIRν、未知の遠赤外線レーザ周波数を算出します周波数での関係を通じて
      FIR = |νCO2(I)-νCO2(II)| ±|ν ビート |式1
      ここで、|νCO2(I)-νCO2(II)| ν ビート | | 2、CO 2の基準レーザーとによって合成された差周波数の大きさがありますビート周波数の大きさです。式の±記号。 1ステップ3.4.5から実験的に決定されます。
    2. 平均周波数を取得し、計算不確実性。

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Representative Results

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前述のように、遠赤外線レーザー放射のために報告された周波数は、CO 2基準レーザ線の少なくとも2つの異なるセットを実行少なくとも12回の測定の平均値である。使用した場合、表2は、235.5マイクロメートルのレーザ発光のために記録されたデータを概説します9、P 04、CO 2ポンプレーザ。この遠赤外線レーザー放射のために、ビート周波数の14の個々の測定値を記録しました。 9 R 10及び9 P 38 CO 2基準レーザ放射を使用しながら、測定の最初のセットを記録しました。遠赤外レーザーの周波数がわずかに増加したように、ステップ3.4.5のために、ビート周波数も増加することが観察されました。 |νCO2(I)-νCO2(II)|これは、遠赤外線レーザー周波数が9 R 10および 9、P 38、CO 2の基準レーザーとの差周波数の大きさよりも大きかった示しています。したがって、符号O式(1)におけるビート周波数fはCO 2参照レーザのこのセットのために陽性でした。逆に、測定値の第2のセットは9 R 16、9 P 34 CO 2基準レーザ放射を使用します。 3.4.5ステップが実行されたとき、遠赤外線レーザーの周波数がわずかに増加したが、ビート周波数の減少が観察されました。これは、遠赤外線レーザ周波数が9 R 16および 9、P 34、CO 2参照レーザ間の差周波数の大きさ未満であった示しています。したがって、CO 2参照レーザのこのセットのために式(1)におけるビート周波数の符号がマイナスとなりました。 νFIR 表2、計算された遠赤外線レーザーの周波数に示すように、両方の状況で±0.12 MHzの1シグマ標準偏差内に同一のままでした。

この実験的な技術を用いて測定した平均遠赤外線レーザー周波数がに記載されています2ポンプラインの順に配置されています。平均レーザー周波数を1 -1 = 29 979.2458 MHzのを使用して計算し、それに対応する波長と波数、と報告されています。すべての遠赤外線レーザー周波数は、最適な動作条件の下で測定しました。この研究を通して、いくつかの以前に報告された周波数を測定し、公表された値と一致することが見出されました。 7 - 1シグマフラクショナル不確実性は、Δνは、この技術を用いて測定の遠赤外レーザーの周波数が±5×10です。この不確実性は、このシステムでは、遠赤外レーザーの広がった利得曲線の対称性と幅、および測定4,25,31の精度で知られている周波数の再現性に由来するものです。

この研究中に発見された遠赤外線レーザー放射はW& 'の強度を有することが観察されました#8217; 0.001から0.01 mWのに力の範囲に対応します。 18 Wのパワーを持つ9、P 36、CO 2ポンプはさらに、 表3は、それぞれの新しいの偏光を含んで使用する場合に比較のために、メタノール118.8μmのラインはわずか10ミリワット以上のパワーを持つVVSように、このシステムで観察されました遠赤外線レーザ発光は、それぞれのCO 2ポンプレーザと比較して測定。ほとんどの場合、一つの偏光は、偏光に平行またはCO 2ポンプレーザに垂直のいずれかを支配することが観察されました。支配的な偏光が観測されなかった状況では、両方の偏光が一覧表示されています。

合計で8つの遠赤外線レーザー放射は、横ポンピング形状を有する光励起分子レーザシステムを使用してジフルオロことによって生成しました。これは235.5、335.9、及び416.8ミクロンの波長を有する三遠赤外線レーザ放射の発見が含まれています。検出されると、三レーザーヘテロダイン技術は、各観察遠赤外線レーザー放射のための周波数を測定しました。これらのレーザー排出量の周波数は、0.359から1.273のTHzの範囲であり、10 7で±5部の端数の不確実性が報告されています。

図1
図1 二酸化炭素ポンプレーザー及び遠赤外線レーザ共振器からなる光励起分子レーザシステムの概略図。遠赤外線レーザー媒質は、横ポンピングジオメトリを使用して励起されます。文献からのわずかな修正を得て転載。スプリンガー科学・ビジネス・メディアからの親切な許可を得て15。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。


三レーザーヘテロダイン周波数測定システムの模式図 、図2 は、ヘテロダイン方式は、横励起幾何二つの追加の二酸化炭素基準レーザを利用した分子の光励起レーザを含みます。図示しないが、各レーザによって生成された放射線を監視し、安定化するために使用される電子システムです。 ©[2015] IEEE。参考文献から、若干の変更と許可を得て、再版。 27. この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3 拡大レンズを通して見たMIM点接触ダイオード検出器で使用されるタングステンワイヤザワイヤーの長さは約2mmです。最高のバネ作用については、ベンドの角度は90 Oの近くにする必要があり、すべてが同じ平面上にあります。

図4
オシロスコープのディスプレイ上で見られるように9、P 04、CO 2ポンプレーザを使用して光学的にポンピングCH 2 F 2の274.8μmのレーザー照射によって生成された波形 4.図 。CO 2ポンプ放射が約45で動作する光チョッパによって変調されますヘルツ。 MIMダイオード検出器の抵抗値は約100であり、信号が約6μV(ピーク・ツー・ピーク)です。オシロスコープの表示は10μV/分割に設定されています。

図5
図5は、 左と真ん中の写真は、オシロスコープ上の各変調信号によって測定されるように、電力は約100mWで、約4 mVの(ピーク・ツー・ピーク)である。それぞれCO 2基準レーザ、9 R 16、9 P 34からの出力を示しモニターの電源メーター。右の写真は、2つの基準信号を適切MIMダイオード検出器で混合され、約7 mVで示す(ピーク・ツー・ピーク)との両方の基準レーザから合成された信号を示しています。 MIMダイオード検出器の抵抗は約100Ωです。各写真のオシロスコープの表示は、1 MV /除算に設定されています。 CO 2放射は約70 Hzで動作する光チョッパによって変調されます。

図6
図6. 低圧力の飽和蛍光シグナル(6 Pa)で、CO 2 9 R 24 CO 2を使用しながら、レーザ放射は、このグラフは、CO 2基準レーザのPZTに印加される電圧は、約13分で約570 V 0から上げている間に52 Hzで外部チョッパを介してCO 2基準レーザ放射を変調することにより得られます。ロックインアンプは、300ミリ秒の時定数と200 mVの感度に設定されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図7
図7. 低圧力の飽和蛍光シグナル(6 Pa)でのCO 2オシロスコープで見た9 R 24、CO 2レーザ発光を使用している間。PZT電圧はの中心から離れているときに左の写真は、オシロスコープの表示を示し、ラムディップ、目に約80 V写真です。 PZT電圧がこれらの写真にはそれぞれ、どちらかすぐにラムディップの中心の左または右にある約278および295 Vの時、中、右の写真は、オシロスコープの表示を示す。この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図8
9、P 04、CO 2ポンプレーザと9 R 16および 9、P 34、CO 2参照レーザを用いた光ポンピングCH 2 F 2の235.5μmのレーザ発光の間のビート信号 8.図 約25メガヘルツのスパンは、典型的には、中古。ビート信号の大部分は±5 GHz帯内で観察されています。しかしながら、低signal-を有するこれらの検索パラメータ内の特定の周波数領域が存在します雑音。そのため、少し大きめの探索領域を使用すると、時々参考にされています。

図9
共振器のモードに対応する離散的なピークの組からなる典型的なレーザ共振器のインターフェログラム(または空洞スキャン)の 図9 の部分は、全く発振が発生していない領域によって分離される。このスキャンは、光励起CHによって生成511.445ミクロンのレーザ発光を示します9 R 28 CO 2ポンプを用いて2 F 2。マイクロメータの位置における減少は、遠赤外線レーザキャビティの長さ(ミラーのミラー分離)の減少に相当します。 MIMダイオードは、この遠赤外線レーザー照射によって生成された20μVピーク・ツー・ピークの最大信号を検出しました。検出器からの出力は、ロックインアンプ、300ミリ秒の時定数及び20μVsensitivitにセットを用いて記録しましたyは、コンピュータとのインタフェース。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

表1
表1:違い周波光ポンピングCH 2 F 2から235.5μmのレーザ発光のための計算された周波数に近いCO 2参照レーザのセット9、P 04、CO 2レーザ発光を使用して励起されたとき。

表2
表2:光励起CH 2 F 2から235.5マイクロメートルのレーザ発光のための測定されたビート周波数9 P 04 CO 2レーザ放射を使用して励起されたとき。 CO 2参照レーザの二つのセットが使用されていますdは、既知の差周波数を生成する(|νCO2(I)-νCO2(II)|)。

表3
表3:光ポンピングCH 2 F 2からの新しい遠赤外線レーザー周波数。

表4
補足表A:いくつかの関連する商業コンポーネントを含む実験システムの技術的な詳細。

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Discussion

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いくつかの追加の議論が必要なプロトコル内いくつかの重要なステップがあります。遠赤外レーザ波長を測定する場合、ステップ2.5.3に概説されるように、それが使用されている遠赤外線レーザー放射の同じモードを確保することが重要です。遠赤外レーザーの波長( すなわち、TEM 00、TEM 01など)の複数のモードは、レーザキャビティ内で生成することができ、それが波長13,29を測定するために使用される適切な隣接するキャビティモードを特定することが重要であり、 41。高次モードを除去することを助けるために、虹彩は、各レーザ共振器内に含まれます。正確に遠赤外線レーザ周波数を測定する場合、それは(TEM 00)レーザーモード、特にCO 2参照レーザは、それらの基本的な動作に不可欠です。アイリスも対称であるスペクトルアナライザの遠赤外線レーザーによりトレースパターンを確実にするために使用されます。これまで複数の状況について-infraredレーザー波長は9 P 04、波長で較正吸収するフィルタのセットの場合のように、遠赤外レーザ波長を区別するのを補助するために使用され、特にCO 2ポンプラインにより生成されます。彼らはまた、遠赤外レーザキャビティを出る任意の散乱CO 2レーザ放射を減衰させるために使用することができます。

2.4節には、遠赤外線レーザ放射の生成を説明しています。多数の研究の上に、我々は、周波数オフセットの複数の異なる波長がわずかに異なる設定で同一のCO 2ポンプレーザによって生成することができることを見出しました。例えば、9 P 04 CO 2ポンプレーザが、この研究の間に測定された残りの波長は9 P 04からわずかに異なる周波数を使用して生成された、一方のポンプ周波数でのCH 2 F 2の289.5及び724.9ミクロンの波長を生成することができますCO 2ポンプレーザ。これはaccomplですその広がった利得曲線(この実験では、中心周波数から±約45メガヘルツ)を介してCO 2ポンプレーザの周波数をチューニングPZTに印加する電圧を変化させることによりished。特にセクション2.4で扱われていないが、我々はこれが遠赤外線レーザー放射の検索で注目すべき特徴であると考えています。

複数の遠赤外線レーザー放射が、同じ周波数オフセットで同じCO 2ポンプレーザー線により生成される状況では、レーザ共振器のインターフェログラム(または空洞スキャン)が生成され、異なる遠赤外線レーザー放射の識別を支援するために行うことができます45 - 図9は、遠赤外線レーザキャビティの長さ42の減少の関数としてプロットした出力パワーを有する典型的なレーザ共振器のインターフェログラムの一部を示しています。

セクション3.4、CO 2の二つの異なるセットで概説したように参照レーザは、遠赤外線レーザ周波数を測定するために使用されます。これは、ビート周波数がCO 2の基準レーザーとの間に生じる差周波数の上または下にあるかどうかについての不確実性を排除するのに役立ちます。挑戦することができ、遠赤外線レーザ周波数が増加するとビート周波数のわずかなシフトを観察弱いビート信号を扱うときに独立して遠赤外線レーザ周波数を確認する方法を提供すると共に、それは特に有用でした。

MIMダイオード検出器は、その高速性、感度、広いスペクトル範囲23,24には、この実験系の必須成分です。しかし、機械的不安定性、電磁波障害に対する感受性、再現性が悪い、それがその感度を維持しながら検出することができる最大電力の制限を含む、MIMダイオード検出器にはいくつかの制限があります。遠赤外レーザーのFRを測定しながらequencies、MIMダイオード検出器の感度は、それぞれCO 2基準レーザのパワーは150ミリワットを超えた場合、時間で急速に減少することが見出されました。

MIMダイオード検出器を越えて、本発明の技術の主な制限は、遠赤外線レーザー4,31,46の安定性です。実験システムの現在の構成には限界がCO 2ポンプレーザの周波数オフセットを測定することができないことです。述べたように、周波数オフセットは、遠赤外線レーザー放射及びCO 2のポンプレーザーの中心周波数を生成するために、CO 2ポンプレーザが使用する周波数との差として定義されます。従って、遠赤外線レーザ媒質の吸収周波数とCO 2のポンプレーザーの中心周波数との間の差を表します。典型的には、オフセット周波数を容易に不注意Oを散乱する任意のCO 2レーザ放射線を用いて測定されます遠赤外線レーザキャビティF。私たちの現在の構成ではしかし、非常に少ないCO 2レーザ放射線は、このような測定のために利用可能です。オフセット周波数を測定する他の方法は、プロジェクトの将来の反復に組み込むことができます。これはカップルに、MIMダイオード検出器にポンプ放射の一部を追加のビームスプリッタとミラーを使用することを含みます。遠赤外線レーザ発光25,34に分光遷移を割り当てる際、周波数オフセットの測定が有益です。

遠赤外レーザーの周波数は、2つの光学的に励起遠赤外線レーザー二遠赤外線レーザーの一つの周波数が既知であり、基準周波数47として使用されるMIMダイオード検出器でのマイクロ波源をヘテロダインすることによって測定しました。より高い精度での遠赤外線の周波数の使用は、それらdiscuに類似したTHz周波数櫛合成と同様に他の技術を使用して可能です参考文献にssed。 48-54。レーザー周波数を測定することは、テラヘルツイメージング55、高分解能分光13,20のためのTHz放射の源としての役割と、そのレーザ発振に関連する複雑なスペクトルの分析を補助する上でのテラヘルツアプリケーションにおける光ポンピング分子レーザーの役割を拡大メディア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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遠赤外線レーザーの排出量とその周波数の測定を特徴付けます
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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

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