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Engineering

Caracterización de Emisiones láser infrarrojo lejano y la medición de sus frecuencias

Published: December 18, 2015 doi: 10.3791/53399

Abstract

La generación y la posterior medición de la radiación de infrarrojo lejano ha encontrado numerosas aplicaciones en alta resolución de la espectroscopia, la radioastronomía y las imágenes Terahertz. Durante unos 45 años, la generación de radiación coherente, de infrarrojo lejano se ha logrado usando el láser bombeado ópticamente molecular. Una vez que se detecta la radiación láser de infrarrojo lejano, las frecuencias de estas emisiones láser se miden utilizando una técnica heterodina de tres láser. Con esta técnica, la frecuencia desconocido del láser bombeado ópticamente molecular se mezcla con la diferencia de frecuencia entre dos frecuencias de referencia, infrarrojos estabilizadas. Estas frecuencias de referencia son generados por los láseres de dióxido de carbono independientes, cada uno estabilizado utilizando la señal de fluorescencia de una, célula de referencia de baja presión externa. El ritmo resultante entre las frecuencias de láser conocidos y desconocidos se controla mediante un punto de contacto detector de diodo metal-aislante-metal cuya salida se observa en un specanalizador trum. La frecuencia de batido entre estas emisiones láser se mide y se combina con las frecuencias de referencia conocidos para extrapolar la frecuencia del láser de infrarrojo lejano desconocido posteriormente. El sigma-incertidumbre fraccionada resultante para frecuencias láser medido con esta técnica es de ± 5 partes en 10 7. Determinar con precisión la frecuencia de las emisiones de láser de infrarrojo lejano es crítico ya que se utilizan a menudo como una referencia para otras mediciones, como en el alto investigaciones espectroscópicas -Resolución de radicales libres utilizando resonancia magnética láser. Como parte de esta investigación, difluorometano, CH 2 F 2, fue utilizado como el medio de láser infrarrojo lejano. En total, se midieron ocho frecuencias láser de infrarrojo lejano para la primera vez con frecuencias que van desde 0,359 a 1.273 THz. Tres de estas emisiones láser fueron descubiertos durante esta investigación y se reportan con su presión óptima de funcionamiento, la polarización con respecto a las emisiones de CO 2

Introduction

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La medición de frecuencias láser infrarrojo lejano se realizó por primera vez por Hocker y compañeros de trabajo en 1967. Se midió las frecuencias para los 311 y 337 m de las emisiones de la descarga directa de láser cianuro de hidrógeno mezclándolos con altos armónicos de orden de una señal de microondas en un diodo de silicio 1. Para medir las frecuencias más altas, una cadena de láser y dispositivos de mezcla de armónicos se utiliza para generar los armónicos láser 2. Eventualmente de dos estabilizada de dióxido de carbono (CO 2) láseres fueron elegidos para sintetizar la diferencia necesaria frecuencias de 3,4. Hoy en día, las frecuencias de láser de infrarrojo lejano hasta 4 THz se puede medir con esta técnica utilizando sólo la primera armónica de la frecuencia diferencia generado por dos estabilizado láseres de CO2 de referencia. Emisiones láser de frecuencia más altas también se pueden medir utilizando el segundo armónico, tales como las emisiones de láser 9 THz de la isotopólogos metanol CHD 2 OH y CH 3 18 OH. 5,6 Con los años, la medición precisa de frecuencias láser ha impactado una serie de experimentos científicos 7,8 y permitido la adopción de una nueva definición del metro por la Conferencia General de Pesos y Medidas de París en 1983. 9-11

Heterodino técnicas, tales como los descritos, han sido muy beneficioso en la medición de las frecuencias de láser de infrarrojo lejano generados por los láseres bombeados ópticamente moleculares. Desde el descubrimiento del láser molecular bombeado ópticamente por Chang y los puentes 12, miles de bombeo óptico emisiones láser de infrarrojo lejano se han generado con una variedad de medios de comunicación por láser. Por ejemplo, difluorometano (CH 2 F 2) y sus isotopólogos generan más de 250 emisiones láser cuando se bombea ópticamente por un láser de CO 2. Sus longitudes de onda van desde aproximadamente 95.6 a 13 micras 1714,1. - 15 Casi el 75% de estas emisiones láser han tenido midieron sus frecuencias, mientras que varios han sido espectroscópicamente asignado 16 - 18.

Estos láseres y sus frecuencias medidas con precisión, han jugado un papel crucial en el avance de la espectroscopia de alta resolución. Proporcionan información importante para los estudios espectrales de infrarrojos de los gases de láser. A menudo, estas frecuencias láser se utilizan para verificar el análisis de los espectros de infrarrojo y de infrarrojo lejano, ya que proporcionan conexiones entre los niveles estatales vibracionales excitados que a menudo son directamente inaccesibles desde espectros de absorción 19. También sirven como fuente de radiación principal de los estudios que investigan transitorios, los radicales libres de corta duración con la técnica de resonancia magnética láser 20. Con esta técnica extremadamente sensibles, los espectros de Zeeman de rotación y ro-vibracional en los átomos paramagnéticos, moléculas, iones moleculares y puede ser recorded y analizado junto con la capacidad para investigar las velocidades de reacción utilizados para crear estos radicales libres.

En este trabajo, un láser bombeado ópticamente molecular, que se muestra en la Figura 1, se ha utilizado para generar la radiación láser de infrarrojo lejano de difluorometano. Este sistema consiste en una onda continua (cw) CO 2 láser de bombeo y una cavidad láser de infrarrojo lejano. Un espejo interno a la cavidad del láser de infrarrojo lejano redirige la radiación láser CO 2 hacia abajo el tubo de cobre pulido, de someterse a veintiséis reflexiones antes de terminar en el extremo de la cavidad, dispersando cualquier radiación de bombeo restante. Por lo tanto el medio de láser infrarrojo lejano se excita mediante una geometría de bombeo transversal. Para generar la acción del láser, varias variables se ajustan, algunos de forma simultánea, y todos están optimizados posteriormente una vez que se observa la radiación láser.

En este experimento, la radiación láser de infrarrojo lejano es monitoreado por un metal insu-lador de metal (MIM) el servicio del detector de diodo. El detector de diodo MIM ha sido utilizado para las mediciones de frecuencia del láser desde 1969. 21-23 En mediciones de frecuencia láser, el detector de diodo MIM es un mezclador armónico entre dos o más fuentes de radiación incidente sobre el diodo. El detector de diodo MIM consiste en un alambre de tungsteno afilado en contacto con una base ópticamente níquel pulido 24. La base de níquel tiene una delgada capa de óxido natural que es la capa aislante.

Una vez que se detecta una emisión de láser, su longitud de onda, la polarización, la fuerza y la presión de funcionamiento optimizado se registraron mientras que su frecuencia se midió utilizando la técnica heterodina de tres láser 25 - 27 siguiendo el método descrito originalmente en la Ref. 4. La Figura 2 muestra el láser bombeado ópticamente molecular con dos cw láseres de CO2 de referencia adicionales que tiene sta independiente de la frecuenciasistemas estabiliza- que utilizan el chapuzón Cordero en la señal de fluorescencia de 4,3 micras de una celda de referencia externa, baja presión 28. Este manuscrito describe el proceso utilizado para buscar emisiones láser de infrarrojo lejano, así como el método para estimar su longitud de onda y en la determinación con precisión su frecuencia. Dan detalles sobre la técnica heterodina de tres láser, así como los diversos componentes y los parámetros de funcionamiento del sistema se pueden encontrar en la Tabla Suplementaria A, junto con las referencias 4, 25-27, 29, y 30.

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Protocol

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1. Planificación de Experimentos

  1. Llevar a cabo una revisión de la literatura para evaluar el trabajo previo realizado utilizando el medio de láser de interés, que para este experimento es CH 2 F 2. Identificar todas las emisiones láser conocidos, junto con toda la información acerca de las líneas como su longitud de onda y frecuencia. Varias encuestas de emisiones láser conocidos están disponibles 13,31 - 37.
  2. Compilar todas las investigaciones espectroscópicas de la molécula utilizada como medio de láser con un enfoque de Fourier antes transforman 34 y optoacústica estudios 38,39.

2. Emisiones Generación de infrarrojo lejano Láser

  1. Información general de seguridad.
    1. Desarrollar un procedimiento operativo estándar para el laboratorio que incluye la protección ocular adecuada cuando se trabaja con el CO 2 y sistemas de láser infrarrojo lejano.
  2. Alineación y calibración.
    1. Calibrar cada CO 2 laser usando un analizador de espectro a base de rejilla diseñado para el láser de CO 2 de acuerdo con el protocolo del fabricante.
    2. Alinear los espejos finales y el espejo de acoplamiento en la cavidad láser de infrarrojo lejano usando un láser de He-Ne de manera que su radiación se enfoca sobre el detector de diodo MIM.
    3. Dirigir la radiación desde el láser de bombeo CO 2 en la cavidad láser de infrarrojo lejano a través de una ventana de cloruro de sodio en un ángulo de aproximadamente 72 o con respecto al eje de la cavidad.
    4. Dirigir la radiación a partir de los dos láseres CO 2 de referencia o bien a su respectiva celda de referencia de fluorescencia de baja presión o co-linealmente sobre el detector de diodo MIM usando divisores de haz y espejos adicionales.
  3. La detección de la radiación láser de infrarrojo lejano.
    1. Pulir la base Níquel cada varios días usando un pulidor de metales estándar.
    2. Crimp un alambre de tungsteno de 25 micras en un puesto de cobre y doblar el cable en el configuración muestra en la Figura 3.
    3. Ajustar la longitud del alambre de modo que sea entre 10 a 20 longitudes de onda de la radiación que se mide.
    4. Electroquímicamente grabar la punta del alambre en una solución de hidróxido de sodio saturado (NaOH) al aplicar un voltaje (aproximadamente 3.5 a 5 VAC) a la solución.
    5. Vuelva a grabar la punta con un voltaje bajo (menos de 1 VAC). Esto hace rugosa la punta del alambre y mejora el rendimiento del diodo.
    6. Enjuague el alambre con agua destilada.
    7. Inserte el poste de cobre en la carcasa del diodo MIM una vez que el alambre está seca.
    8. Coloque el cable en contacto con la base de níquel utilizando un sistema de tornillo y el nivel bien. Contactos produciendo una resistencia a través del diodo de entre 100 y 500 Ω se utilizan típicamente cuando detección y medición de radiación láser de infrarrojo lejano.
  4. Generación de radiación láser de infrarrojo lejano.
    1. Ajuste el láser de bombeo de CO 2 en un em láser específicoisión, por ejemplo., 9 P 36.
    2. Gire el micrómetro en el láser de bombeo de CO 2 de ida y vuelta para lograr la máxima intensidad en el tope de la viga.
    3. Ajuste la inclinación de la rejilla de la bomba del láser de CO 2 para alcanzar la máxima intensidad en el tope de la viga.
    4. Repita los pasos 2.4.2 y 2.4.3 hasta que la potencia de salida del láser de bombeo de CO 2 aparece optimizado en el tope de la viga.
    5. Retire el tope de la viga de la trayectoria del láser de bombeo de CO 2.
    6. Encienda y alinear el helicóptero óptica en la trayectoria del haz del láser de bombeo de CO 2.
    7. Abrir la válvula en el cilindro F 2 CH 2 para introducir el medio de láser de infrarrojo lejano en la cavidad láser de infrarrojo lejano.
    8. Ajuste de la válvula dosificadora en la línea de entrada hasta una presión de aproximadamente 10 Pa se logra.
      Nota: Sólo es necesario la presión aproximada ya que se utiliza como una forma de escanear sistemáticamente el láser de infrarrojo lejano cavity.
    9. Establecer la posición del acoplador de salida de tal manera que su punta más externa es de aproximadamente 1 cm desde el centro de la cavidad láser como se indica por una escala calibrada en el exterior de la cavidad láser.
      Nota: Sólo la ubicación aproximada es necesario ya que se utiliza como una forma de escanear sistemáticamente la cavidad láser de infrarrojo lejano.
    10. Ajuste la posición del móvil espejo láser infrarrojo lejano en incrementos de aproximadamente 0,25 mm girando el dial de micrómetro calibrado de ida y vuelta. Simultáneamente sintonizar la frecuencia del láser de CO 2 de la bomba a través de su curva de ganancia cambiando el voltaje aplicado a través transductor piezoeléctrico la bomba de láser de CO 2 (PZT).
    11. Si no se observa señal en la pantalla del osciloscopio, repetir el paso 2.4.10 La con el acoplador de salida se trasladó a su siguiente posición donde la punta es de aproximadamente 1,5 cm desde el centro de la cavidad láser como se indica por una escala calibrada en el exterior del láser cavidad.
    12. Si no se observa señal en la pantalla del osciloscopio, repetir el paso 2.4.10 La con el acoplador de salida se trasladó a su siguiente posición donde la punta es de aproximadamente 2 cm desde el centro de la cavidad láser como se indica por una escala calibrada en el exterior del láser cavidad.
    13. Si no se observa ninguna señal en la pantalla del osciloscopio, repita los pasos 2.4.9 través 02/04/12 con una presión de láser infrarrojo lejano de aproximadamente 19 Pa ajustado con la válvula dosificadora en la línea de entrada.
    14. Si no se observa ninguna señal en la pantalla del osciloscopio, repita los pasos 2.4.9 través 02/04/12 con una presión de láser infrarrojo lejano de aproximadamente 27 Pa ajustado con la válvula dosificadora en la línea de entrada.
    15. Si no se observa señal en la pantalla del osciloscopio, inserte la parada del haz en el camino del láser de bombeo CO 2 y cerrar la válvula en el CH 2 F 2 del cilindro hasta que la presión de láser de infrarrojo lejano es de aproximadamente 0 Pa.
    16. Ajuste la bomba de CO 2láser para la próxima emisión láser, por ejemplo, 9 P 34, y optimizar la potencia de salida usando los pasos 2.4.2 a través de 2.4.4.
    17. Repita los pasos 2.4.5 través 02/04/16 hasta se utilizan todas las emisiones generadas por el láser de bombeo de CO 2. Durante la búsqueda de líneas de láser infrarrojo lejano, coloque un enfoque en CO 2 emisiones láser de bombeo cuyas frecuencias se superponen con las regiones de absorción identificados en el paso 1.2.
  5. Caracterización de emisiones láser infrarrojo lejano.
    1. Simultáneamente ajustar la presión del medio de láser de infrarrojo lejano, la tensión aplicada al PZT la bomba de láser de CO 2, y la posición del acoplador de salida hasta que se maximiza la potencia de salida de la emisión láser de infrarrojo lejano (determinado por un pico-a-máximo pico de la señal desde el detector de diodo MIM como se observa en la pantalla del osciloscopio, similar a la Figura 4).
    2. Gire el dial micrométrico en sentido horario hasta se observa en la emisión láser infrarrojo lejanola pantalla del osciloscopio. Anote la posición del micrómetro.
    3. Gire el dial micrométrico agujas del reloj durante 20 modos correspondientes a la misma emisión láser infrarrojo lejano. Anote la posición del micrómetro.
    4. Reste la posición del micrómetro en los pasos 2.5.2 y 2.5.3. Esta diferencia se dividirá por 10 para obtener la longitud de onda de la emisión láser de infrarrojo lejano.
    5. Repita los pasos 2.5.2 a través de 2.5.4 un total de cinco veces y promediar la longitud de onda de la emisión láser infrarrojo lejano. Promedio de las longitudes de onda de láser medidos por la que atraviesa por lo menos 20 modos longitudinales adyacentes tienen una incertidumbre de una sigma de ± 0,5 m.
    6. Medir la polarización de la radiación láser de infrarrojo lejano, con relación a la radiación de bombeo CO 2, utilizando un polarizador de rejilla de alambre oro (394 líneas / cm) o un polarizador de Brewster.

3. La determinación de infrarrojo lejano Láser Frecuencias

  1. Identificaring las emisiones de CO 2 láser de referencia.
    1. Calcular la frecuencia de la emisión láser de infrarrojo lejano basado en su longitud de onda medido.
    2. Identificar conjuntos de CO 2 de referencia líneas láser cuya diferencia de frecuencia está dentro de varios GHz de la frecuencia calculada para la emisión láser infrarrojo lejano 40. Una lista típica utilizada para tales mediciones se muestra en la Tabla 1.
  2. Busca la señal de batido heterodino.
    1. Identificar el primer conjunto de líneas de láser CO 2 de referencia y establecer cada láser CO 2 referencia en su respectiva emisión láser.
    2. Optimizar la potencia de salida para cada láser de referencia de CO 2 mediante medidas 2.4.2 a través de 2.4.4 y el medidor de energía del monitor.
      1. Ajustar un iris, ya sea interna o externa a cada láser de referencia, de modo que la potencia de cada láser de referencia CO 2 es de aproximadamente 100 mW, medida por el medidor de potencia se muestra en el monitorLa Figura 2.
    3. Bloquear la radiación del láser de CO 2 de la bomba usando un haz de parada, mientras que el desbloqueo de la radiación de los láseres de referencia CO 2.
    4. Encender y alinear el chopper óptico en la trayectoria del haz co-lineal de los láseres de CO 2 de referencia.
    5. Optimizar para la tensión máxima de pico a pico de cada uno de CO 2 de referencia de emisión láser en el detector de diodo MIM usando varios espejos, divisores de haz, y una lente plano-convexa longitud ZnSe focal de 2,54 cm, mientras que la observación de la salida en el osciloscopio, similar a la Figura 5 .
    6. Bloquear la radiación de los láseres de CO2 de referencia utilizando una parada rayo mientras desbloquear la radiación del láser de bombeo de CO 2.
    7. Re-optimizar el láser de bombeo CO 2 y el láser de infrarrojo lejano, según sea necesario, de modo que la emisión láser de infrarrojo lejano tiene una tensión máxima de pico a pico como se observa en el osciloscopio.
    8. Desconecte tél MIM de salida del detector de diodo del osciloscopio y conectarlo a un amplificador cuya salida se observa en un analizador de espectro.
    9. Desbloquear la radiación de los láseres de referencia CO 2.
    10. Retire los interruptores ópticos que modulan la bomba y de referencia de CO 2 lasers.
    11. Ajuste el analizador de espectro en un lapso de 40 MHz y la búsqueda de la señal de ritmo de 1,5 GHz incrementos escaneando manualmente este rango de frecuencia utilizando la perilla de ajuste del analizador de espectro.
    12. Si no se observa ninguna señal de batido, desconecte la salida del diodo MIM desde el amplificador y conéctelo al osciloscopio.
    13. Bloquear la radiación de los rayos láser de referencia de CO 2 y vuelva a insertar el helicóptero óptica en el camino del láser de bombeo de CO 2.
    14. Repetir los pasos a través 3.2.2 3.2.13, según sea necesario hasta que el analizador de espectro se ha utilizado para buscar la señal de batido entre 0 y 12 GHz.
    15. Si no se observa señal de batido, repeen los pasos 3.2.2 través 3.2.14 con otro conjunto de líneas de láser de CO 2 de referencia hasta que se observa la señal de ritmo o todos los posibles conjuntos de líneas de láser CO 2 de referencia están agotados.
  3. La estabilización de las frecuencias de referencia de CO 2.
    1. Aplicar una tensión entre 0 y 900 V a PZT la primera de láser de referencia CO 2 para que la señal de su respectiva celda de referencia de fluorescencia está en el centro del hueco de cordero, que se ilustra en la Figura 6 y como se ve en un osciloscopio como en la Figura 7.
    2. Active la tensión de realimentación aplicada a la primera PZT de láser de referencia CO 2 usando un amplificador / servo hecha a la medida lock-in de modo que permanece bloqueado hasta el centro de la inmersión Cordero.
    3. Repita los pasos 3.3.1 y 3.3.2 para el segundo láser de referencia de CO 2.
    4. Supervisar visualmente la salida del pre-amplificador en un osciloscopio, como en la figura 7, a la norma ENde que los láseres de referencia permanece bloqueada.
  4. La medición de la frecuencia de batido.
    1. Centre la señal de batido en la pantalla del analizador de espectro y ajustar su amplitud para maximizar su tamaño en la pantalla.
    2. Ajuste el analizador de espectro para ver dos trazas simultáneas de la señal de ritmo, como en la figura 8, mediante la selección de la función de escritura Borrar tanto Traza 1 y Traza 2. Una traza se mostrará la señal instantánea, mientras que el otro va a grabar la señal máxima (utilizando una función Hold Max en el analizador de espectro para la segunda traza).
    3. Gire el dial de micrómetro en la cavidad láser infrarrojo lejano de ida y vuelta a través de la curva de ganancia para un modo de cavidad dado.
    4. Utilice la función Ver en el analizador de espectro para congelar la segunda (Hold Max) traza una vez que se obtiene un patrón simétrico.
    5. Gire ligeramente el micrómetro las agujas del reloj para disminuir la longitud de la cavidad láser infrarrojo lejano. Al mismo tiempo observar los submarinosequent pequeño cambio en la frecuencia de batido en el analizador de espectro debido a este ligero aumento en la frecuencia del láser de infrarrojo lejano.
    6. Coloque marcadores en todo el ancho a la mitad de los puntos máximos del patrón simétrico (Hold rastro Max) utilizando la función de marcador con la función de Delta en el analizador de espectro.
    7. Medir la frecuencia central de la señal de ritmo usando la función Span Par en el analizador de espectro.
    8. Repita los pasos 3.4.1 a través de 3.4.7.
    9. Desactivar el bloqueo de amplificador / servo para cada láser de CO2 de referencia para desbloquear cada láser de su frecuencia central y volver a optimizar cada láser de referencia de CO 2.
    10. Vuelva a bloquear los rayos láser de referencia utilizando los pasos 3.3.1 a través de 3.3.4.
    11. Repita los pasos 3.4.1 través 3.4.10 para un total de 6 mediciones. Una vez terminado, desbloquear cada láser CO 2 de referencia de su frecuencia central.
    12. Calcular la frecuencia refundido de la emisión láser infrarrojo lejano usando estos fre ritmocuencias para obtener una predicción precisa de la segunda serie de líneas de láser de CO 2 de referencia.
    13. Identificar un conjunto diferente de CO 2 de referencia líneas láser cuya diferencia de frecuencia está dentro de varios GHz de la frecuencia calculada para la emisión láser infrarrojo lejano.
    14. Optimizar el siguiente conjunto de CO 2 líneas láser de referencia sobre el detector de diodo MIM y obtener la señal de batido usando los pasos 3.2.2 través 3.2.15 según sea necesario.
    15. Bloquear el nuevo conjunto de CO 2 líneas láser de referencia utilizando los pasos 3.3.1 a través de 3.3.4.
    16. Repita los pasos 3.4.1 través 3.4.10 para un total de 6 mediciones. Una vez terminado, desbloquear cada láser CO 2 de referencia de su frecuencia central.
    17. Insertar haz detiene en los caminos de la bomba y de referencia de CO 2 lasers.
  5. Cálculo de la frecuencia del láser de infrarrojo lejano.
    1. Calcular la frecuencia del láser de infrarrojo lejano desconocido, ν FIR, utilizando el ser medidoa la frecuencia a través de la relación
      FIR = | ν CO2 (I)CO2 (II) | ± | latido ν | Eq. 1
      donde | ν CO2 (I)CO2 (II) | es la magnitud de la diferencia de frecuencia sintetizada por los dos láseres de CO2 de referencia y | latido ν | es la magnitud de la frecuencia de batido. El signo ± en la ecuación. 1 se determina experimentalmente de la etapa 3.4.5.
    2. Obtener una frecuencia media y calcular laincertidumbre.

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Representative Results

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Como se ha mencionado, la frecuencia informado para una emisión de láser infrarrojo lejano es un promedio de al menos doce mediciones realizadas con al menos dos conjuntos diferentes de CO líneas de láser 2 de referencia. La Tabla 2 resume los datos registrados para la emisión 235,5 micras de láser cuando se utiliza el 9 P 04 CO 2 láser de bombeo. Por esta emisión láser de infrarrojo lejano, se registraron catorce mediciones individuales de la frecuencia de batido. El primer conjunto de mediciones se registraron durante el uso del 9 R 10 y 9 P 38 emisiones de CO 2 láser de referencia. Para el paso 3.4.5, como la frecuencia del láser de infrarrojo lejano se incrementó ligeramente, también se observó la frecuencia de batido a aumentar. Esto indica la frecuencia del láser de infrarrojo lejano fue mayor que la magnitud de la diferencia de frecuencia entre el 9 R 10 y 9 P 38 láseres de CO2 de referencia, | ν CO2 (I)CO2 (II) |. Por lo tanto el signo of la frecuencia de batido en la ecuación 1 fue positivo para este conjunto de láseres de CO2 de referencia. Por el contrario, el segundo conjunto de mediciones utiliza los 9 R 16 y 9 P 34 CO emisiones láser 2 de referencia. Cuando se realizó el paso 3.4.5, se observó una disminución en la frecuencia de batido, mientras que la frecuencia del láser de infrarrojo lejano se incrementó ligeramente. Esto indica la frecuencia del láser de infrarrojo lejano fue menor que la magnitud de la diferencia de frecuencia entre el 9 R 16 y 9 P 34 láseres de CO2 de referencia. Por lo tanto, para este conjunto de láseres de CO2 de referencia la señal de la frecuencia de batido en la Ecuación 1 fue negativa. Como se ilustra en la Tabla 2, la frecuencia del láser de infrarrojo lejano calculado, ν FIR, para ambas situaciones sigue siendo el mismo dentro de un ± 0,12 MHz desviación estándar de una sola sigma.

Las frecuencias de láser de infrarrojo lejano medias determinadas con esta técnica experimental se enumeran en 2. Las frecuencias medias láser se reportan con su correspondiente longitud de onda y número de onda, calculadas utilizando 1 cm-1 = 29 979,2458 MHz. Todas las frecuencias láser infrarrojo lejano se midieron en condiciones óptimas de operación. A lo largo de esta investigación, varias frecuencias se informó anteriormente se midieron y se encontraron a estar de acuerdo con los valores publicados. La incertidumbre fraccionaria de una sola sigma, Δν, las frecuencias de láser de infrarrojo lejano medidos con esta técnica es de ± 5 x 10 - 7. Esta incertidumbre se deriva de la reproducibilidad de frecuencias conocidas con este sistema, la simetría y la anchura de la curva de ganancia ampliado del láser de infrarrojo lejano, y la precisión de las mediciones 4,25,31.

Se observaron las emisiones láser infrarrojo lejano descubiertos durante esta investigación para tener una fuerza de 'W &# 8217; correspondiente a un rango en energía de 0,001 a 0.01 mW. Para la comparación, la línea de 118,8 micras de metanol se observó con este sistema para ser VVS con una potencia ligeramente por encima de 10 mW cuando se utiliza la bomba de CO 36 9 2 P que tiene una potencia de 18 W. Además, la Tabla 3 incluye la polarización de cada nuevo emisión láser de infrarrojo lejano mide en relación con su respectivo láser de bombeo CO 2. En la mayoría de los casos, sólo se observó una polarización de dominar, ya sea un paralelo o perpendicular a la polarización del láser de bombeo CO 2. Para situaciones en las que no se observó la polarización dominante, ambas polarizaciones se han enumerado.

En resumen, ocho emisiones láser de infrarrojo lejano fueron generados por difluorometano usando un sistema de láser molecular bombeado ópticamente que tiene una geometría de bombeo transversal. Esto incluye el descubrimiento de tres emisiones láser de infrarrojo lejano que tienen longitudes de onda de 235,5, 335,9, 416,8 y m. Una vez detectado,la técnica heterodina de tres láser se utilizó para medir la frecuencia de cada observó emisión láser de infrarrojo lejano. Las frecuencias de estas emisiones láser oscilaron 0,359-1,273 THz y se reportan con incertidumbres fraccionarias de ± 5 partes en 10 7.

Figura 1
Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de láser bombeado ópticamente molecular que consiste en un láser de bombeo de dióxido de carbono y una cavidad láser de infrarrojo lejano. El medio de láser de infrarrojo lejano se excita usando una geometría de bombeo transversal. Reproducido con modificaciones menores de Ref. 15 con el permiso de Springer Science and Business Media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 2. Diagrama esquemático del sistema de medición de frecuencia heterodina de tres láser. El sistema heterodino incluye el láser bombeado ópticamente molecular utilizando una geometría de bombeo transversal y dos láseres adicionales de referencia de dióxido de carbono. No se muestra son los sistemas electrónicos utilizados para controlar y estabilizar la radiación generada por cada láser. © [2015] IEEE. Reproducido, con modificaciones menores y el permiso, de Ref. 27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. El alambre de tungsteno utilizado en el punto de contacto detector de diodo MIM como se ve a través de una lente de aumento. Ellongitud del alambre es de aproximadamente 2 mm. Para obtener la mejor acción de resorte, los ángulos en la curva deben estar cerca de 90 O y se encuentran todos en el mismo plano.

Figura 4
Figura 4. La forma de onda generada por la emisión de 274,8 micras de láser bombeado ópticamente CH 2 F 2 utilizando la bomba 04 CO 2 láser 9 P tal como se ve en la pantalla de osciloscopio. La radiación de bombeo CO 2 es modulada por un chopper óptico que opera a aproximadamente 45 Hz. La resistencia del detector de diodo MIM es aproximadamente 100 y la señal es de aproximadamente 6 mV (pico a pico). La pantalla del osciloscopio se establece en 10 mV / división.

Figura 5
Figura 5. La izquierda yfotos centrales muestran la salida de cada láser de referencia CO 2, 9 R 16 y 9 P 34, respectivamente. La señal modulada respectiva en el osciloscopio es de aproximadamente 4 mV (pico a pico) por alrededor de 100 mW de potencia, medida por el medidor de energía del monitor. La foto de la derecha muestra la señal combinada de ambos láseres de referencia sea aproximadamente 7 mV (pico a pico) que indica las dos señales de referencia están mezclando correctamente en el detector de diodo MIM. La resistencia del detector de diodo MIM es de aproximadamente 100 Ω. La pantalla del osciloscopio en cada foto se fija en 1 mV / división. La radiación CO 2 es modulada por un chopper óptico que opera a aproximadamente 70 Hz.

Figura 6
Figura 6. La señal de fluorescencia saturada en baja presión (6 Pa) de CO 2 durante el uso del 9 R 24 CO 2emisión láser. Este gráfico se obtiene mediante la modulación de la emisión láser de referencia CO 2 a través de un interruptor externo a 52 Hz, mientras que la tensión aplicada al PZT del láser de referencia CO 2 se aumenta gradualmente de 0 a aproximadamente 570 V en aproximadamente 13 min. El amplificador lock-in se establece en un tiempo de 300 ms constante y una sensibilidad de 200 mV. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7. La señal de fluorescencia saturada en baja presión (6 Pa) CO 2 durante el uso de la 9 R 24 CO emisión láser 2 según se ve en un osciloscopio. La foto de la izquierda indica la pantalla del osciloscopio cuando el voltaje de PZT está lejos del centro de la dip Cordero, de aproximadamente 80 V in thes la foto. Las medias y derecho fotos indican la pantalla del osciloscopio cuando el voltaje de PZT es o bien inmediatamente a la izquierda oa la derecha del centro de la inmersión Cordero, de aproximadamente 278 y 295 V, respectivamente, en estas fotos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .

Figura 8
Figura 8. La señal de ritmo entre la emisión 235,5 micras láser de bombeo óptico CH 2 F 2 mediante el 9 P 04 CO 2 láser de bombeo y el 9 R 16 y 9 P 34 CO 2 lasers de referencia. Un lapso de aproximadamente 25 MHz es típicamente utilizado. La mayoría de las señales de batido se observan dentro de ± 5 GHz. Sin embargo, hay ciertas regiones de frecuencia dentro de estos parámetros de búsqueda que tienen una baja relación señal-ruido. Por lo tanto, el uso de una región de búsqueda ligeramente más grande ha sido útil a veces.

Figura 9
Figura 9. Porción de un interferograma de láser típica resonador (o exploración de la cavidad) que consiste en un conjunto de picos discretos que corresponden a los modos del resonador, separados por regiones en las que no se produce ninguna acción láser. Esta exploración muestra la emisión de 511.445 micras láser generado por bombeado ópticamente CH 2 F 2 usando el 9 R 28 CO bomba 2. Una disminución en la posición micrómetro corresponde a una disminución en el (separación de espejo a espejo) longitud de la cavidad láser de infrarrojo lejano. El diodo MIM detecta una señal máxima 20 mV de pico a pico generado por esta emisión láser de infrarrojo lejano. La salida del detector se registró utilizando un amplificador lock-in, sistema en un momento ms 300 constante y 20 mV SENSIBILIDADy, interfaz con una computadora. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Mesa 1
Tabla 1: Juegos de CO 2 lasers de referencia cuya frecuencia diferencia es cerca de la frecuencia calculada para la emisión de 235,5 m de láser de bombeo óptico CH 2 F 2 cuando es excitado mediante el 9 P emisión 04 láser de CO 2.

Tabla 2
Tabla 2: Medido frecuencias de batido para la emisión 235,5 micras láser de bombeo óptico CH 2 F 2 cuando es excitado mediante el 9 P emisión 04 láser de CO 2. Dos conjuntos de láseres de CO2 de referencia son el usod para generar la diferencia de frecuencia conocida (| ν CO2 (I)CO2 (II) |).

Tabla 3
Tabla 3: Nuevas frecuencias láser infrarrojo lejano de CH bombeado ópticamente 2 F 2.

Tabla 4
Tabla Suplementaria R: Los detalles técnicos del sistema experimental, incluyendo algunos de los componentes comerciales pertinentes.

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Discussion

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Hay varios pasos críticos en el protocolo que requiere alguna discusión adicional. Cuando se mide la longitud de onda de láser de infrarrojo lejano, como se indica en el paso 2.5.3, es importante para garantizar el mismo modo de la emisión láser de infrarrojo lejano se está utilizando. Múltiples modos de una longitud de onda de láser de infrarrojo lejano (es decir, TEM 00, TEM 01, etc.) pueden ser generados dentro de la cavidad láser y por lo tanto es importante identificar los modos de la cavidad adyacente apropiados se utilizan para medir la longitud de onda 13,29, 41. Para ayudar en la eliminación de modos de orden superior, iris se incluyen dentro de cada cavidad del láser. Al medir con precisión una frecuencia del láser de infrarrojo lejano, es imperativo los láseres, particularmente los láseres de referencia CO 2, operan en su modo fundamental (TEM 00). Iris también se utilizan para asegurar el patrón trazada por el láser de infrarrojo lejano en el analizador de espectro es simétrica. Para situaciones en las múltiples lejoslongitudes de onda láser infrarrojo de se generan por una línea de bomba de CO 2 en particular, como en el caso de 9 P 04, un conjunto de filtros de absorción, calibrado con la longitud de onda, se utilizan para ayudar a distinguir longitudes de onda láser de infrarrojo lejano. También se pueden usar para atenuar cualquier CO 2 radiación láser dispersada que sale de la cavidad láser de infrarrojo lejano.

Sección 2.4 describe la generación de radiación láser de infrarrojo lejano. Más de numerosas investigaciones, hemos encontrado que múltiples longitudes de onda distintas podrían ser generados por el mismo CO 2 conjunto láser de bombeo a frecuencias ligeramente diferentes offset. Por ejemplo, el láser 04 CO bomba 2 9 P es capaz de generar los 289,5 y 724,9 micras longitudes de onda de CH 2 F 2 a una frecuencia de la bomba, mientras que las longitudes de onda restantes medidos durante esta investigación se generaron utilizando una frecuencia ligeramente diferente de la 9 P 04 CO 2 láser de bombeo. Esto es accomplISHED cambiando el voltaje aplicado a la PZT que sintoniza la frecuencia de la bomba de CO 2 láser a través de su curva de ganancia ampliado (aproximadamente ± 45 MHz a partir de su frecuencia central en este experimento). Aunque no se aborda específicamente en la sección 2.4, creemos que esta es una característica notable en la búsqueda de la radiación láser infrarrojo lejano.

Para situaciones en las múltiples emisiones láser infrarrojo lejano se generan por la misma línea de láser de bombeo de CO 2 a la misma frecuencia de desplazamiento, un interferograma resonador láser (o exploración de la cavidad) se puede realizar para ayudar a identificar las diferentes emisiones láser infrarrojo lejano que se generan . La figura 9 ilustra una parte de un típico interferograma resonador de láser, con la potencia de salida trazada como una función de la disminución de infrarrojo lejano longitud de la cavidad láser 42 - 45.

Como se indica en el apartado 3.4, dos conjuntos distintos de CO 2láseres de referencia se utilizan para medir la frecuencia del láser de infrarrojo lejano. Esto ayuda a eliminar la incertidumbre acerca de si la frecuencia de batido está por encima o por debajo de la diferencia de frecuencia generada entre los láseres de referencia CO 2. Además de proporcionar una manera de verificar independientemente la frecuencia del láser infrarrojo lejano, ha sido particularmente útil cuando se trabaja con señales de batido débiles donde observando el ligero cambio en la frecuencia de batido como los de infrarrojo lejano que aumenta la frecuencia del láser puede ser un reto.

El detector de diodo MIM es un componente esencial para este sistema experimental debido a su alta velocidad, sensibilidad y cobertura espectral amplio 23,24. Sin embargo, hay algunas limitaciones en el detector de diodo MIM que incluyen inestabilidad mecánica, la susceptibilidad a las perturbaciones electromagnéticas, mala reproducibilidad, y un límite a la potencia máxima que es capaz de detectar la vez que mantiene su sensibilidad. Si bien la medición fr láser infrarrojo lejanoequencies, se encontró que la sensibilidad del detector de diodo MIM para disminuir rápidamente con el tiempo si la potencia de cada láser de referencia CO 2 superó 150 mW.

Más allá del detector de diodo MIM, la principal limitación a la presente técnica es la estabilidad del láser de infrarrojo lejano 4,31,46. Una limitación en la configuración actual del sistema experimental es la incapacidad para medir el desplazamiento de frecuencia del láser de bombeo CO 2. Como se ha mencionado, el desplazamiento de frecuencia se define como la diferencia entre la frecuencia usada por el láser de bombeo CO 2 para generar la emisión láser de infrarrojo lejano y frecuencia central de la bomba de láser de CO 2. Por lo tanto, representa la diferencia entre la frecuencia de absorción del medio de láser de infrarrojo lejano y de la frecuencia central de la bomba de CO 2 láser. Por lo general, la frecuencia de desplazamiento se mide fácilmente utilizando cualquier radiación láser de CO 2 que se dispersa de forma inadvertida a cabo of la cavidad láser infrarrojo lejano. En nuestra configuración actual sin embargo, muy poca radiación láser CO 2 está disponible para tal medición. Otros métodos de medición de la frecuencia de desplazamiento podrían incorporarse en futuras iteraciones del proyecto. Esto incluye el uso de divisores de haz y espejos adicionales para acoplar una porción de la radiación de bombeo al detector diodo MIM. La medición de un desplazamiento de frecuencia es beneficioso cuando la asignación de transiciones espectroscópicas a la de infrarrojo lejano 25,34 emisión láser.

Frecuencias de láser de infrarrojo lejano también se han medido por heterodinación de dos láseres de infrarrojo lejano bombeados ópticamente y una fuente de microondas en un detector de diodo MIM mediante el cual se conoce la frecuencia de uno de los dos láseres de infrarrojo lejano y se usa como la frecuencia de referencia 47. El uso de frecuencias de infrarrojo lejano con mayor precisión es posible el uso de otras técnicas, tales como con THz síntesis de frecuencia de peine similar a aquellos Discussed en las referencias. 48-54. La medición de las frecuencias de láser se expande el papel de los láseres bombeados ópticamente moleculares en aplicaciones de formación de imágenes THz THz 55, su papel como una fuente de radiación THz para alta resolución espectroscopia de 13,20, y en la asistencia con el análisis del complejo espectros asociados con su acción láser 19,34,37 medio.

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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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Caracterización de Emisiones láser infrarrojo lejano y la medición de sus frecuencias
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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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