We describe the generation of far-infrared radiation using an optically pumped molecular laser along with the measurement of their frequencies with heterodyne techniques. The experimental system and techniques are demonstrated using difluoromethane (CH2F2) as the laser medium whose results include three new laser emissions and eight measured laser frequencies.
Genereringen och efterföljande mätning av infraröd strålning har ett antal användningsområden i hög upplösning spektroskopi, radioastronomi och Terahertz avbildning. För ungefär 45 år, har generering av sammanhängande, långt infraröd strålning åstadkommits med hjälp av optiskt pumpade molekylär laser. När infraröd laserstrålning detekteras, är frekvensen av dessa laser utsläppen mäts med en tre-laser heterodyn teknik. Med denna teknik är den okänd frekvens från den optiskt pumpade molekyllaser blandat med frekvensskillnaden mellan två stabiliserade, infraröda referensfrekvenser. Dessa referensfrekvenser genereras av oberoende koldioxidlasrar, var och stabiliseras med användning av fluorescenssignalen från en extern, lågtrycksreferenscell. Den erhållna svävningen mellan de kända och okända laserfrekvenser övervakas av en metall-isolator-metall punktkontakt dioddetektor, vars utsignal observeras på en spectrum analysator. Svävningsfrekvensen mellan dessa laser utsläpp värderas därefter och kombineras med de kända referensfrekvenser för att extrapolera den okända infraröd laserfrekvensen. Den resulterande en-sigma fractional osäkerhet för laserfrekvenser mäts med denna teknik är ± 5 delar i 10 7. Exakt bestämma frekvensen av infraröd laser utsläpp är viktigt eftersom de ofta används som referens för andra mätningar, som i hög -resolution spektroskopiska undersökningar av fria radikaler med hjälp av laser magnetisk resonans. Som ett led i denna undersökning, difluormetan, CH2F 2, användes som infraröd lasermediet. Totalt har åtta infraröd laserfrekvenser mätas för första gången med frekvenser som sträcker sig från 0,359 till 1,273 THz. Tre av dessa laser utsläpp upptäcktes under denna undersökning och redovisas med sin optimala arbetstryck, polarisering med avseende på CO2 </sub> pumplasern och styrka.
Mätningen av infraröd laserfrekvenser uruppfördes av Hocker och medarbetare i 1967. De mätte frekvenserna för 311 och 337 um utsläpp från direkturladdningsvätecyanid laser genom att blanda dem med höga övertoner av en mikrovågsugn signal i en kiseldiod 1. För att mäta högre frekvenser har en kedja av lasrar och harmoniska blandningsanordningar används för att generera laser övertoner 2. Så småningom två stabiliserade koldioxid (CO 2) lasrar valdes för att syntetisera den nödvändiga skillnaden frekvenser 3,4. Idag kan infraröd laserfrekvenser upp till 4 THz mätas med denna teknik med användning av endast den första övertonen för frekvensskillnaden som genereras av två stabiliserade CO2 referenslasrar. Högre frekvens laser utsläpp kan också mätas med användning av den andra övertonen, såsom 9 THz laser utsläpp från metanol isotopologues CHD 2 OH och CH 3 </sub> 18 OH. 5,6 Under årens lopp har en noggrann mätning av laserfrekvenser påverkade ett antal vetenskapliga experiment 7,8 och tillät antagandet av en ny definition av mätaren genom generalkonferens vikt och mått i Paris 1983. 9-11
Heterodyn tekniker, såsom de som beskrivits, har varit oerhört fördelaktigt vid mätning av infraröd laserfrekvenser som genereras av optiskt pumpade molekyl lasrar. Sedan upptäckten av den optiskt pumpade molekylär laser av Chang och Bridges 12, tusentals optiskt pumpade infraröd laser utsläppen har genererats med en rad olika laser media. Till exempel, difluorometan (CH2F 2) och dess isotopologues genererar mer än 250 laser utsläpp när optiskt pumpas av en CO2-laser. Deras våglängder varierar från cirka 95,6 till 1714,1 im 13. – </supp> 15 Nästan 75% av dessa laser utsläppen har haft deras frekvenser mätt medan flera har spektroskopiskt tilldelats 16-18.
Dessa lasrar och deras exakt uppmätta frekvenserna, har spelat en avgörande roll i utvecklingen av högupplösta spektroskopi. De ger viktig information för infraröda spektrala studier av lasergaser. Ofta är dessa laserfrekvenser används för att verifiera analysen av infraröd och bortre infraröda spektra, eftersom de ger kopplingar mellan de exciterade vibrations state-nivåer som ofta direkt oåtkomliga från absorptionsspektra 19. De tjänar också som den primära strålningskälla för studier som undersöker gående, kortlivade fria radikaler med lasermagnetresonansteknik 20. Med denna extremt känslig teknik, roterande och ro-vibrations Zeeman spektra i paramagnetiska atomer, molekyler och molekylära joner kan vara recorded och analyseras tillsammans med förmågan att undersöka reaktionshastigheterna som används för att skapa dessa fria radikaler.
I detta arbete, ett optiskt pumpad molekylär laser, som visas i figur 1, har använts för att generera infraröd laserstrålning från difluormetan. Detta system består av en kontinuerlig våg (cw) CO 2 pumplaser och en infraröd laserkaviteten. En spegel internt för infraröd laserkaviteten omdirigeringar CO 2 laserstrålningen ner den polerade kopparröret, genomgår tjugo sex reflektioner innan slutar vid änden av håligheten, spridning eventuellt återstående pumpstrålning. Därför infraröd lasermediet exciteras med hjälp av en tvärgående pumpgeometri. För att generera laserverkan, är flera variabler justeras en del samtidigt, och alla därefter optimeras när laserstrålning observeras.
I detta experiment är det bortre infraröda laserstrålning övervakas av en metall-Insulator-metall (MIM) punktkontakt dioddetektor. MIM dioddetektor har använts för mätningar laserfrekvens sedan 1969. 21-23 I lasermätningar frekvens, är dioddetektorn MIM en harmonisk mixer mellan två eller flera strålningskällor som infaller på dioden. MIM dioddetektor består av en vässad Volfram tråd i kontakt ett optiskt polerat Nickel bas 24. Nickel basen har en naturligt förekommande tunt oxidskikt som är det isolerande skiktet.
När väl en laseremission detekterades, var dess våglängd, polarisation, styrka, och optimerad drifttryck registrerades under det att dess frekvens mättes med användning av tre-laser heterodyn teknik 25 – 27 genom att följa förfarandet som ursprungligen beskrevs i ref. 4. Figur 2 visar den optiskt pumpade molekylär laser med två extra cw CO 2 referens lasrar har oberoende frekvens stabilization system som använder lamm dopp i 4,3 fim fluorescenssignalen från en extern, lågtrycksreferenscell 28. Detta manuskript beskriver den process som används för att söka efter infraröd laser utsläpp samt metod för att uppskatta deras våglängd och exakt fastställa deras frekvens. Specifikt när det gäller tre-laser heterodyn tekniken liksom de olika komponenterna och driftparametrar för systemet kan återfinnas i Supple Tabell A tillsammans med referenser 4, 25-27, 29 och 30.
Det finns flera viktiga steg i protokollet som kräver lite extra diskussion. Vid mätning av infraröd laser våglängd, som beskrivs i steg 2.5.3, är det viktigt att se samma läge av infraröd laseremission används. Flera former av ett infraröd laservåglängden (dvs TEM 00, TEM 01, etc.) kan alstras inom laserkaviteten och således är det viktigt att identifiera de lämpliga intilliggande kavitetsmoder som används för att mäta våglängden 13,29, 41. För att underlä…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported in part by the Washington Space Grant Consortium under Award NNX10AK64H.
Vacuum pump | Leybold | Trivac D4A | HE-175 oil; Quantity = 3 |
Vacuum pump | Leybold | Trivac D8B or D16B | Fomblin Fluid; Quantity = 1 of each |
Vacuum pump | Leybold | Trivac D25B | HE-175 oil; Quantity = 1 |
Optical chopper with controller | Stanford Research Systems | SR540 | |
Lock-in amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
Spectrum analyzer | Agilent | E4407B | ESA-E Series, 9 kHz to 26.5 GHz Spectrum Analyzer |
Amplifier | Miteq | AFS-44 | Provides amplification of signals between 2 and 18 GHz. The amplifier is powered by a Hewlett Packard triple output DC power supply, model E3630A. |
Amplifier | Avantek | AWL-1200B | Provides amplification of signals less than 1.2 GHz. |
Power supply | Hewlett Packard | E3630A | Low voltage DC power supply for amplifier. |
Power supply | Glassman | KL Series | High voltage power supply for the CO2 lasers; Quantity = 2; negative polarity |
Power supply | Fluke | 412B | High voltage power supply used with the NIST Asymmetric HV Amp |
Detector | Judson Infrared Inc | J10D | For fluorescence cell; Quantity = 2 |
CO2 laser spectrum analyzer | Optical Engineering | 16-A | Currently sold by Macken Instruments Inc. |
Thermal imaging plates with UV light | Optical Engineering | Primarily used for aligning the CO2 reference lasers. Currently sold by Macken Instruments Inc. | |
Resistors | Ohmite | L225J100K | 100 kW, 225 W. Between 4 to 6 resistors are used in each ballast system. Each CO2 laser has its own ballast system. Fans are used to cool the resistors. |
HV relay, SPDT | CII Technologies | H-17 | Quantity = 3; one for each CO2 laser |
Amplifier | Princeton Applied Research | PAR 113 | Used with fluorescence cell; Quantity = 2 |
Oscilloscope | Tektronix | 2235A | Similar models are also used; Quantity = 2 |
Oscilloscope/Differential amplifier | Tektronix | 7903 oscilloscope with 7A22 differential amplifier | |
Power meter with sensor | Coherent | 200 | For use below 10 W. This is the power meter shown in Figure 2. |
Power meter with sensor | Scientech, Inc | Vector S310 | For use below 30 W |
Multimeter | Fluke | 73III | Similar models are also used; Quantity = 3 |
Data acquisition | National Instruments | NI cDAQ 9174 chassis with NI 9223 input module | Uses LabVIEW software |
Simichrome polish | Happich GmbH | Polish for the Nickel base used in the MIM diode detector. Although the Nickel base can be used immediately after polishing, a 12 hour lead time is typically recommended. | |
Pressure gauge | Wallace and Tiernan | 61C-1D-0050 | Series 300; for CO2 laser; Quantity = 3 |
Pressure gauge with controller | Granville Phillips | Series 375 | For far-infrared laser |
Zirconium Oxide felt | Zircar Zirconia | ZYF felt | Used as a beam stop |
Zirconium Oxide board | Zircar Zirconia | ZYZ-3 board | Used as a beam stop; Quantity = 4 |
Teflon sheet | Scientific Commodities, Inc | BB96312-1248 | 1/32 inch thick; used for the far-infrared laser output window |
Polypropylene | C-Line sheet protectors | 61003 | used for the far-infrared laser output window |
Vacuum grease | Apiezon | ||
Power supply | Kepco | NTC 2000 | PZT power supply |
PZT tube | Morgan Advanced Materials | 1 inch length, 1 inch outer diameter, 0.062 inch thickness, reverse polarity (positive voltage on outside); Quantity = 3 | |
ZnSe (AR coated) | II-VI Inc | CO2 laser window (Quantity = 3), lens, and beam splitter (Quantity 3) | |
NaCl window | Edmond Optics | Quantity = 1 | |
CaF window | Edmond Optics | Quantity = 2 | |
Laser mirrors and gratings | Hyperfine, Inc | Gold-coated; includes positioning mirrors | |
Glass laser tubes and reference cells | Allen Scientific Glass | ||
MIM diode detector | Custom Microwave, Inc | ||
Other | Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc. |