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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

Die Erzeugung und anschließende Messung der Fern-Infrarot-Strahlung hat eine Vielzahl von Anwendungen in der hochauflösenden Spektroskopie, Radioastronomie und Terahertz-Bildgebung gefunden. Für etwa 45 Jahren ist die Erzeugung kohärenter, Strahlung im fernen Infrarot mit der optisch gepumpte Moleküllaser erreicht worden. Einmal im fernen Infrarot-Laserstrahlung erfaßt wird, werden die Frequenzen dieser Laseremissionen unter Verwendung eines Drei-Laser-Heterodyn-Technik gemessen. Mit dieser Technik ist die unbekannte Frequenz aus dem optisch gepumpte Moleküllaser gemischt mit der Differenzfrequenz zwischen zwei stabilisierten, Infrarotreferenzfrequenzen. Diese Referenzfrequenzen werden von unabhängigen Kohlendioxidlaser erzeugt wird, stabilisiert die jeweils mit dem Fluoreszenzsignal von einer externen Niederdruck-Referenzzelle. Das resultierende Takt zwischen den bekannten und unbekannten Laserfrequenzen wird durch ein Metall-Isolator-Metall-Punktdiodendetektor, dessen Ausgang auf einem spec beobachtet überwachttrum-Analysator. Die Schwebungsfrequenz zwischen diesen Laseremissionen wird anschließend gemessen und mit den bekannten Referenzfrequenz, um den unbekannten fernen Infrarotlaserfrequenz zu extrapolieren. Das resultierende eint Sigma Fractional Unsicherheit für Laserfrequenzen mit dieser Technik gemessen wird, ist ± 5 Teile in 10. 7 die genaue Bestimmung der Frequenz des fernen Infrarotlaserstrahlung ist kritisch, da sie häufig als eine Referenz für andere Messungen verwendet werden, wie in der Hoch -Auflösung spektroskopische Untersuchungen von freien Radikalen mit Laser-Magnet-Resonanz. Im Rahmen dieser Untersuchung Difluormethan CH 2 F 2, wurde als das im fernen Infrarot-Lasermedium verwendet. Insgesamt wurden acht Ferninfrarot-Laserfrequenzen für die erste Zeit mit Frequenzen im Bereich von 0,359 bis 1,273 THz gemessen. Drei dieser Laseremissionen wurden während dieser Untersuchung festgestellt wurden, und sind mit ihrem optimalen Betriebsdruck, der Polarisation in Bezug auf den CO 2 berichtet

Einleitung

Die Messung des fernen Infrarotlaserfrequenzen wurde zuerst von Hocker geführt und Mitarbeiter 1967 Sie maßen die Frequenzen für die 311 und 337 & mgr; m-Emissionen aus dem Direktentladung Cyanwasserstoff Laser durch Mischen mit hohen Harmonischen eines Mikrowellensignals in einer Siliziumdiode 1. Um höhere Frequenzen zu messen, wurden eine Kette von Lasern und harmonische Mischvorrichtungen verwendet, um die Laser Harmonischen 2 zu erzeugen. Schließlich zwei stabilisierten Kohlendioxid (CO 2) -Laser wurden so gewählt, synthetisieren die notwendige Differenzfrequenzen 3,4. Heute können Fern-Infrarot-Laser-Frequenzen bis 4 THz mit dieser Technik nur unter Verwendung der ersten Harmonischen der Differenzfrequenz von zwei erzeugten Mess stabilisierten CO 2 Referenzlasern. Höherfrequenten Laseremissionen können auch unter Verwendung der zweiten Harmonischen, wie zum Beispiel der 9 THz Laseremissionen aus dem Methanol Isotopologen CHD 2 OH und CH 3 18 OH. 5,6 Im Laufe der Jahre hat sich die genaue Messung der Laserfrequenzen eine Reihe von wissenschaftlichen Experimenten 7,8 wirkt und erlaubt die Annahme einer neuen Definition des Meters von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris 1983 9-11

Heterodyn-Techniken, wie sie beschrieben wird, immens nützlich bei der Messung von Ferninfrarot-Laserfrequenzen von optisch gepumpte Moleküllaser erzeugt worden ist. Seit der Entdeckung des optisch gepumpten Laser Molekular von Chang und Brücken 12, Tausende von optisch gepumpter Ferninfrarot-Laser-Ausstoß mit einer Vielzahl von Lasermedien erzeugt wurden. B. Difluormethan (CH 2 F 2) und ihre Isotopologen erzeugen über 250 Laseremissionen bei optisch durch einen CO 2 -Laser gepumpt. Deren Wellenlängen im Bereich von etwa 95,6 bis 1714,1 & mgr; m. 13 - bis> 15 Fast 75% dieser Laseremissionen haben ihre Frequenzen gemessen, während mehrere wurden spektroskopisch zugeordnet 16-18.

Diese Laser und ihre genau gemessen Frequenzen, haben eine entscheidende Rolle bei der Förderung der hochauflösende Spektroskopie gespielt. Sie liefern wichtige Informationen für die Infrarot-Spektralbereich Untersuchungen der Lasergase. Oft sind diese Laserfrequenzen werden verwendet, um die Analyse der Infrarot-und Fern-Infrarot-Spektren zu überprüfen, weil sie Verbindungen zwischen den angeregten Schwingungszustand Ebenen, die oft direkt aus unzugänglichen Absorptionsspektren 19 geeignet sind. Sie dienen auch als primäre Strahlungsquelle für die Studien, die vorübergehend, kurzlebige freie Radikale mit dem Laser-Magnet-Resonanz-Technik 20. Mit dieser extrem empfindliche Technik, Rotations- und Ro-Schwingungs Zeeman Spektren in paramagnetischen Atomen, Molekülen und Molekülionen kann recorded und zusammen mit der Fähigkeit, die verwendet werden, um diese freien Radikale zu erstellen Reaktionsgeschwindigkeiten zu untersuchen analysiert.

In dieser Arbeit wird eine optisch gepumpte Moleküllaser, in Figur 1 gezeigt, verwendet wurde, um im fernen Infrarot-Laserstrahlung von Difluormethan zu erzeugen. Dieses System besteht aus einer kontinuierlichen Welle (cw) CO 2 Pumplaser und einem Fern-Infrarot-Laser-Resonator. Ein Spiegel innerhalb des fernen Infrarotlaserhohlraum leitet den CO2-Laserstrahlung auf der polierten Kupferrohr, unterzogen sechsundzwanzig Reflexionen vor der Beendigung am Ende des Hohlraums, Verstreuen restliche Pumpstrahlung. Deshalb ist die Fern-Infrarot-Lasermedium wird mit einer transversalen Pumpgeometrie angeregt. Um eine Laserwirkung zu erzeugen, werden verschiedene Variablen eingestellt, etwas gleichzeitig und all anschließend optimiert, wenn Laserstrahlung beobachtet wird.

In diesem Experiment wird im fernen Infrarot-Laserstrahlung von einem metall insu wachtenlator-Metall (MIM) Punktdiodendetektor. MIM-Diode Detektor für die Laserfrequenz-Messungen seit 1969 21 verwendet worden - 23 in der Laserfrequenz-Messungen ist das MIM-Diodendetektor eine harmonische Mischstufe zwischen zwei oder mehreren Strahlungsquellen, das auf die Diode. Die MIM-Dioden-Detektor besteht aus einem geschärften Wolfram: der Draht Kontaktieren eines optisch polierten Nickel Basis 24. Die Nickelbasis eine natürlich vorkommende dünne Oxidschicht, die die isolierende Schicht ist.

Sobald eine Laseremission erkannt wurde, wurden seine Wellenlänge, Polarisation, Stärke und optimierten Betriebsdruck aufgezeichnet, während ihre Frequenz wurde unter Verwendung des Drei-Laser-Heterodyn-Technik 25 gemessen - 27 nach der Methode, die ursprünglich in Ref beschrieben. 4. Abbildung 2 zeigt das optisch gepumpte Moleküllaser mit zwei zusätzlichen cw CO 2 Referenzlasern mit unabhängigen Frequenz stasierung Systeme, die das Lamm Bad im 4,3 um Fluoreszenzsignal von einem externen, Niederdruck-Referenzzelle 28 zu nutzen. Diese Handschrift skizziert die verwendet werden, um für die Fern-Infrarot-Laser-Emissionen sowie die Verfahren zur Abschätzung ihrer Wellenlänge und bei der genauen Bestimmung ihrer Frequenzsuchprozess. Besonderheiten, die drei Laser-Heterodyn-Technik sowie die verschiedenen Komponenten und die Betriebsparameter des Systems kann in Supplemental Tabelle A zusammen mit Referenzen 4, 25-27, 29 und 30 gefunden werden.

Protokoll

1. Planung der Experimente

  1. Führen Sie eine Überblick über die Literatur zum Stand der Arbeiten zu bewerten unter Verwendung des Lasermediums von Interesse, die für dieses Experiment ist CH 2 F 2. Identifizieren Sie alle bekannten Laseremissionen zusammen mit allen Informationen zu den Linien, wie ihre Wellenlänge und Frequenz. Mehrere Erhebungen der bekannten Laseremissionen sind 13,31 - 37.
  2. Kompilieren Sie alle spektroskopischen Untersuchungen des Moleküls als das Lasermedium mit einem Schwerpunkt auf dem Stand der Fourier-Transformation 34 und optoakustischen Studien 38,39.

2. Erstellen von Ferninfrarot-Laser-Emissions

  1. Sicherheit Übersicht.
    1. Entwickeln Sie eine Standardarbeitsanweisung für das Labor, das richtige Augenschutz umfasst bei der Arbeit mit dem CO 2 und Fern-Infrarot-Lasersystemen.
  2. Ausrichtung und Kalibrierung.
    1. Kalibrieren Sie jeden CO 2 laser mit einem gitterbasierte Spektrumanalysator für den CO 2 -Laser ausgebildet gemäß dem Protokoll des Herstellers.
    2. Ausrichten der Endspiegel und dem Koppelspiegel im fernen Infrarotlaserhohlraum unter Verwendung eines He-Ne-Laser, so daß ihre Strahlung auf die MIM-Diode Detektor fokussiert.
    3. Direkt der Strahlung von der CO 2 Pumplaser in die Fern-Infrarot-Laser-Resonator durch einen Natriumchlorid-Fenster in einem Winkel von ungefähr 72 o gegenüber der Hohlraumachse.
    4. Leiten die Strahlung von den zwei CO 2 Referenzlasern, um entweder ihre jeweiligen Niederdruckfluoreszenzreferenzzelle oder co-linear auf das MIM-Diodendetektor, der Strahlteiler und zusätzliche Spiegel.
  3. Detektion von Fern-Infrarot-Laserstrahlung.
    1. Polieren Sie die Nickel-Basis alle paar Tage mit einem Standard-Metallpolitur.
    2. Crimp einen 25 & mgr; m Wolframdraht in eine Kupfer Post und biegen Sie den Draht in die Konfiguation in Abbildung 3 dargestellt.
    3. Die Länge des Drahtes, so dass es zwischen 10 bis 20 Wellenlängen der Strahlung gemessen wird.
    4. Elektrochemisch zu ätzen, die Spitze des Drahtes in einer gesättigten Natriumhydroxid (NaOH) durch Anlegen einer Spannung (ca. 3,5 bis 5 VAC) zu der Lösung.
    5. Re-ätzen die Spitze mit einer niedrigen Spannung (weniger als 1 VAC). Diese raut die Spitze des Drahtes und verbessert die Leistung der Diode.
    6. Spülen Sie den Draht mit destilliertem Wasser.
    7. Legen Sie die Kupfer Beitrag in das Gehäuse des MIM-Diode, wenn der Draht trocken ist.
    8. Setzen Sie den Draht in Kontakt mit der Nickel-Basis mit einem feinen Schraube und Level-System. Kontakte wobei ein Widerstand über die Diode, die zwischen 100 und 500 Ω werden typischerweise verwendet, wenn Erfassung und Messung fernen Infrarotlaserstrahlung.
  4. Erzeugung von Fern-Infrarot-Laserstrahlung.
    1. Stellen Sie den CO 2 Pumplaser auf einem bestimmten Laser emission, z. B. 9 P 36.
    2. Drehen Sie die Messuhr an der CO 2 Pumplaser und zurück, um maximale Intensität auf die Strahlblende zu erreichen.
    3. Stellen Sie die Neigung des CO2 Pumplaser des Gitters, um eine maximale Intensität auf der Strahlblende zu erreichen.
    4. Wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 und 2.4.3 bis die Ausgangsleistung für den CO 2 Pumplaser erscheint auf der Strahlblende optimiert.
    5. Entfernen Sie die Strahlblende aus dem Weg des CO 2 Pumplaser.
    6. Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in den Strahlengang des CO 2 Pumplaser.
    7. Öffnen des Ventils an der CH 2 F 2 Zylinder das Fern-Infrarot-Lasermedium in die Fern-Infrarot-Laserhohlraum einzuführen.
    8. Einstellen des Dosierventils an der Einlassleitung, bis ein Druck von etwa 10 Pa erreicht ist.
      Hinweis: Nur die ungefähre Druck ist erforderlich, da es als eine Möglichkeit zur systematischen Abtastung des fernen Infrarotlaser c verwendet wirdavity.
    9. Setzt die Position des Ausgangskopplers, so daß seine äußersten Spitze ist etwa 1 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite des Laserresonators dargestellt.
      Anmerkung: Nur die ungefähre Lage ist erforderlich, da es als eine Möglichkeit zur systematischen Abtastung des fernen Infrarotlaserhohlraum eingesetzt wird.
    10. Passen Sie die Position des beweglichen Fern-Infrarot-Laserspiegel in etwa 0,25 mm-Schritten durch Drehen des kalibrierten Feinmessuhr hin und her. Gleichzeitig Abstimmung der Frequenz des CO 2 Pumplaser durch seine Verstärkungskurve durch eine Änderung der über die CO 2 Pumplaser des piezoelektrischen Wandler (PZT) angelegten Spannung.
    11. Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet wird, wiederholen Schritt 2.4.10 mit dem Ausgangskoppler bewegt, um die nächste Position, wo sich die Spitze etwa 1,5 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite der Laserdeutet Hohlraum.
    12. Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet wird, wiederholen Schritt 2.4.10 mit dem Ausgangskoppler bewegt, um die nächste Position, an der Spitze von etwa 2 cm von der Mitte des Laserhohlraums, wie durch einen Skalenring an der Außenseite der Laserdeutet Hohlraum.
    13. Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, wiederholen Sie die Schritte 2.4.9 bis 2.4.12 mit einem Fern-Infrarot-Laserdruck von ca. 19 Pa, wie mit dem Dosierventil auf der Einlassleitung eingestellt.
    14. Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, wiederholen Sie die Schritte 2.4.9 bis 2.4.12 mit einem Fern-Infrarot-Laserdruck von ca. 27 Pa, wie mit dem Dosierventil auf der Einlassleitung eingestellt.
    15. Wenn kein Signal auf dem Oszilloskop-Anzeige beobachtet, legen Sie die Strahlblende in den Lauf von der CO 2 Pumplaser und Schließen des Ventils auf der CH 2 2 Zylinder, bis die Fern-Infrarot-Laser-Druck etwa 0 Pa.
    16. Stellen Sie den CO 2 PumpenLaser auf die nächste Laseremission, beispielsweise 9 P 34 und die Optimierung der Ausgangsleistung unter Verwendung der Schritte 2.4.2 bis 2.4.4.
    17. Wiederholen Sie die Schritte 2.4.5 bis 2.4.16, bis alle von der CO 2 Pumplaser erzeugten Emissionen eingesetzt werden. Bei der Suche nach fernen Infrarot Laserlinien, legen einen Fokus auf CO2-Pumplaser-Emissionen, deren Frequenzen überlappen mit beliebigen Absorptionsbereiche in Schritt 1.2 identifiziert.
  5. Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laser-Emissionen.
    1. Gleichzeitig den Druck des im fernen Infrarot-Lasermedium, das zu dem CO 2 Pumplasers PZT angelegte Spannung, und die Position des Ausgangskopplers einzustellen, bis die Ausgangsleistung der Fern-Infrarot-Laser-Emission ist maximiert wird (durch eine maximale Spitze-fest Spitzensignal von der MIM-Diodendetektor, wie auf dem Oszilloskop-Display, ähnlich beobachtet Abbildung 4).
    2. Drehen Sie die Messuhr Uhrzeigersinn, bis die Fern-Infrarot-Laseremission auf beobachtetdas Oszilloskop-Display. Notieren Sie die Position der Messuhr.
    3. Drehen Sie den Mikrometer-Ring nach rechts für weitere 20 Betriebsarten entsprechend dem gleichen Fern-Infrarot-Laseremission. Notieren Sie die Position der Messuhr.
    4. Subtrahieren Sie die Position der Messuhr in Schritten 2.5.2 und 2.5.3. Teilen diese Differenz durch 10, um die Wellenlänge der fernen Infrarotlaseremission zu erhalten.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 2.5.2 bis 2.5.4 insgesamt fünf Mal und mitteln die Wellenlänge des Fern-Infrarot-Laseremission. Mittlere Laserwellenlängen durch das Durchlaufen von mindestens 20 benachbarten Längsmoden gemessen eine Eins-Sigma-Unsicherheit von ± 0,5 um.
    6. Messen der Polarisation des Fern-Infrarot-Laserstrahlung relativ zu dem CO 2 Pumpstrahlung, entweder mit einer Golddrahtgitter-Polarisator (394 Linien / cm) oder ein Brewster-Polarisator.

3. Bestimmung Ferninfrarot-Laserfrequenzen

  1. Identifizierening die CO 2 Referenzlaser-Emissionen.
    1. Berechnen der Frequenz des Ferninfrarot-Laseremission auf der Grundlage ihrer gemessenen Wellenlänge.
    2. Identifiziert Gruppen von CO 2 Referenzlaser, deren Frequenzdifferenz innerhalb einigen GHz der berechneten Frequenz für die Fern-Infrarot-Laserstrahlung 40. Eine typische Liste für solche Messungen verwendet wird, in Tabelle 1 gezeigt.
  2. Die Suche nach dem Heterodyn-Schwebungssignals.
    1. Identifizieren Sie den ersten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien und stellen jedes CO 2 Referenzlaser auf ihren jeweiligen Laseremission.
    2. Optimieren Sie die Leistung für jeden CO 2 Referenzlaser mit Schritte 2.4.2 bis 2.4.4 und den Monitor-Leistungsmesser.
      1. Einstellen einer Blende, entweder intern oder extern zu jedem Referenzlasers, so daß die Leistung von jedem CO 2 Referenzlasers beträgt ungefähr 100 mW, wie durch den in dargestellten Monitorleistung gemessenAbbildung 2.
    3. Blockieren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern.
    4. Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in die kollineare Strahlengang der CO 2 Referenzlasern.
    5. Optimiert für eine maximale Spitze-zu-Spitze-Spannung jedes CO 2 Referenzlaseremission auf dem MIM Diodendetektor mit mehreren Spiegel, Strahlteiler und ein 2,54 cm Brennweite ZnSe Plankonvexlinse während er das Ausgangssignal auf dem Oszilloskop, ähnlich 5, .
    6. Blockieren der Strahlung von der CO 2 Referenzlaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser.
    7. Erneute Optimierung der CO 2 Pumplaser und der Fern-Infrarot-Laser, wie erforderlich, so dass das Fern-Infrarot-Laserstrahlung hat eine maximale Spitze-zu-Spitze-Spannung, wie auf dem Oszilloskop beobachtet.
    8. Trennen ter MIM Ausgangsdiode Detektors vom Oszilloskop und schließen Sie es an einen Verstärker, dessen Ausgang auf einem Spektrum-Analysator beobachtet.
    9. Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern.
    10. Entfernen Sie das optische Chopper Modulieren der CO 2 Pumpe und Referenzlaser.
    11. Den Spektrumanalysator auf einem 40-MHz-Spanne und die Suche nach dem Überlagerungssignal in 1,5 GHz-Schritten durch manuelles Scannen dieser Frequenzbereich mit Einstellknopf des Spektrumanalysators.
    12. Wenn kein Überlagerungssignal beobachtet wird, trennen Sie den Ausgang des MIM-Diode des Verstärkers und schließen Sie es an das Oszilloskop.
    13. Blockieren die Strahlung von den CO 2 Referenzlaser und setzen Sie die optischen Unterbrecher in den Lauf von der CO 2 Pumplaser.
    14. Die Schritte 3.2.2 bis 3.2.13 wie nötig, bis die Spektrum-Analysator wurde verwendet, um die Schwebungssignal zwischen 0 und 12 GHz zu suchen.
    15. Wenn kein Überlagerungssignal wird beobachtet, repebei den Schritten 3.2.2 bis 3.2.14 mit einem anderen Satz von CO 2 Referenzlaserlinien bis entweder das Schwebungssignal beobachtet wird, oder alle möglichen Sätze von CO 2 Referenzlaserlinien sind erschöpft.
  3. Stabilisierung der CO 2 Referenzfrequenzen.
    1. Eine Spannung zwischen 0 und 900 V, um die erste CO 2 Referenzlasers PZT so dass das Signal von seiner jeweiligen Fluoreszenzreferenzzelle ist in der Mitte der Lamb-Dip, in Figur 6 veranschaulicht und auf einem Oszilloskop, wie in 7 zu sehen.
    2. Aktivieren Sie die Rückkopplungsspannung an den ersten CO 2 Referenz Lasers PZT mit einem speziell angefertigten Lock-in / Servoverstärker, so dass es bleibt auf der Mitte der Lamb dip gesperrt angewendet.
    3. Wiederholen Sie die Schritte 3.3.1 und 3.3.2 für die zweite CO2-Referenzlaser.
    4. Den Ausgang der Vorverstärker auf einem Oszilloskop visuell zu überwachen, wie in Figur 7, ENsicher, dass die Referenz-Laser bleibt gesperrt.
  4. Messung der Schwebungsfrequenz.
    1. Zentrieren Sie das Schwebungssignal auf der Spektrum-Analysator-Anzeige und stellen Sie die Amplitude seiner Größe auf dem Display zu maximieren.
    2. Den Spektrumanalysator zu zwei gleichzeitigen Spuren des Schwebungssignals, wie in Abbildung 8 zu sehen, indem Sie die Clear-Write-Funktion für beide Trace 1 und Trace 2. Eine Spur wird die momentane Signal angezeigt, während die andere die maximale Signal aufzeichnen (unter Verwendung von ein Max-Hold-Funktion auf dem Spektrum-Analysator für die zweite Spur).
    3. Drehen Sie die Messuhr an der Fern-Infrarot-Laser-Resonator hin und her über die Verstärkungskurve für eine gegebene Hohlraummode.
    4. Verwenden Sie die Ansicht-Funktion auf dem Spektrum-Analysator, um die zweite (Max Hold) Spur einfrieren, wenn eine symmetrische Muster erhalten wird.
    5. Leicht drehen Sie den Mikrometer-Ring nach rechts, um die Länge der Fern-Infrarot-Laser-Hohlraums zu verringern. Gleichzeitig beachten Sie die U-Booteequent kleine Verschiebung der Schwebungsfrequenz am Spektrumanalysator aufgrund dieser leichten Erhöhung der Frequenz des Ferninfrarot-Laser.
    6. Zeigen Marker an der Halbwertsbreite Punkte des symmetrischen Muster (Max Hold-Trace) mit der Marker-Funktion mit der Delta-Funktion auf dem Spektrum-Analysator.
    7. Messen Sie die Mittenfrequenz des Überlagerungssignals mit dem Span Pair-Funktion auf dem Spektrum-Analysator.
    8. Wiederholen Sie die Schritte 3.4.1 bis 3.4.7.
    9. Lösen Sie die Sperre in / Servoverstärker für jeden CO 2 Referenzlaser, um jeden Laser von seiner Mittenfrequenz zu entsperren und neu optimieren jede CO 2 Referenzlaser.
    10. Re-Sperren der Referenzlaser mit Schritte 3.3.1 bis 3.3.4.
    11. Die Schritte 3.4.1 bis 3.4.10 für insgesamt 6 Messungen. Wenn Sie fertig sind, entsperren jedes CO 2 Referenzlaser aus seiner Mittenfrequenz.
    12. Berechnen der revidierten Frequenz des Fern-Infrarot-Laser-Emission unter Verwendung dieser Überlagerungs frezen, um eine genaue Voraussage für den zweiten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien zu erhalten.
    13. Identifiziert eine andere Gruppe CO 2 Referenzlaser, deren Frequenzdifferenz innerhalb einigen GHz der berechneten Frequenz für die Fern-Infrarot-Laser-Emission.
    14. Optimieren Sie den nächsten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien auf dem MIM-Diodendetektor und erhalten das Schwebungssignal mit Schritten 3.2.2 bis 3.2.15 wie nötig.
    15. Verriegeln Sie den neuen Satz von CO 2 Referenzlaserlinien unter Verwendung der Schritte 3.3.1 bis 3.3.4.
    16. Die Schritte 3.4.1 bis 3.4.10 für insgesamt 6 Messungen. Wenn Sie fertig sind, entsperren jedes CO 2 Referenzlaser aus seiner Mittenfrequenz.
    17. Legen Strahl stoppt in den Wegen der CO 2 Pumpe und Referenzlaser.
  5. Berechnung des fernen Infrarotlaserfrequenz.
    1. Berechnen Sie das unbekannte Fern-Infrarot-Laserfrequenz, ν FIR, mit der gemessen werdenbei der Frequenz durch die Beziehung
      FIR = | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | ν Schlag | Gl. 1
      wo | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) | ist der Betrag der Differenzfrequenz der beiden CO 2 Referenzlasern und synthetisiert | ν Schwebungs | ist die Grße der Schwebungsfrequenz. Die ± Zeichen in Gl. 1 wird experimentell aus Schritt 3.4.5 bestimmt.
    2. Erhalten mittlere Frequenz und die Berechnung derUnsicherheit.

Ergebnisse

Wie erwähnt, ist die Frequenz für eine Fern-Infrarot-Laseremission berichtet ein Mittelwert von mindestens zwölf Messungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Sätzen von CO 2 Referenzlaserlinien durchgeführt. Tabelle 2 fasst die für die 235,5 & mgr; m-Laseremission bei der Verwendung der aufgezeichneten Daten 9 P 04 CO 2 Pumplaser. Aus diesem fernen Infrarotlaseremission wurden vierzehn einzelnen Messungen der Schwebungsfrequenz erfasst. Der erste Satz von Mess...

Diskussion

Es gibt mehrere wichtige Schritte im Protokoll, das einige zusätzliche Diskussion erforderlich. Bei der Messung des fernen Infrarotlaserwellenlänge, wie in Schritt 2.5.3 dargelegt, ist es wichtig, in dem Modus des fernen Infrarotlaserstrahlung verwendet wird, zu gewährleisten. Mehrere Modi eines fernen Infrarot-Laserwellenlänge (dh TEM 00, TEM 01, etc.) innerhalb des Laserhohlraums erzeugt werden und somit ist es wichtig zu erkennen, die entsprechenden benachbarten Hohlraummoden verwen...

Offenlegungen

Certain commercial equipment is identified in this paper to foster understanding. Such identification does not imply recommendation or endorsement by the authors, nor does it imply that the equipment identified is necessarily the best available for the purpose.

Danksagungen

This work was supported in part by the Washington Space Grant Consortium under Award NNX10AK64H.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Vacuum pumpLeyboldTrivac D4AHE-175 oil; Quantity = 3
Vacuum pumpLeyboldTrivac D8B or D16BFomblin Fluid; Quantity = 1 of each
Vacuum pumpLeyboldTrivac D25BHE-175 oil; Quantity = 1
Optical chopper with controllerStanford Research SystemsSR540
Lock-in amplifierStanford Research SystemsSR830
Spectrum analyzerAgilentE4407BESA-E Series, 9 kHz to 26.5 GHz Spectrum Analyzer
Amplifier MiteqAFS-44Provides amplification of signals between 2 and 18 GHz. The amplifier is powered by a Hewlett Packard triple output DC power supply, model E3630A.
Amplifier AvantekAWL-1200BProvides amplification of signals less than 1.2 GHz.
Power supplyHewlett PackardE3630ALow voltage DC power supply for amplifier.
Power supplyGlassmanKL SeriesHigh voltage power supply for the CO2 lasers; Quantity = 2; negative polarity
Power supplyFluke412BHigh voltage power supply used with the NIST Asymmetric HV Amp
DetectorJudson Infrared IncJ10DFor fluorescence cell; Quantity = 2
CO2 laser spectrum analyzerOptical Engineering 16-ACurrently sold by Macken Instruments Inc.
Thermal imaging plates with UV lightOptical Engineering Primarily used for aligning the CO2 reference lasers. Currently sold by Macken Instruments Inc.
ResistorsOhmite L225J100K100 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, SPDTCII TechnologiesH-17Quantity = 3; one for each CO2 laser
Amplifier Princeton Applied ResearchPAR 113Used with fluorescence cell; Quantity = 2
OscilloscopeTektronix2235ASimilar models are also used; Quantity = 2
Oscilloscope/Differential amplifierTektronix7903 oscilloscope with 7A22 differential amplifier
Power meter with sensorCoherent200For use below 10 W.  This is the power meter shown in Figure 2.
Power meter with sensorScientech, IncVector S310For use below 30 W
MultimeterFluke73IIISimilar models are also used; Quantity = 3
Data acquisitionNational InstrumentsNI cDAQ 9174 chassis with NI 9223 input moduleUses LabVIEW software
Simichrome polishHappich GmbHPolish 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 gaugeWallace and Tiernan61C-1D-0050Series 300; for CO2 laser; Quantity = 3
Pressure gauge with controllerGranville PhillipsSeries 375For far-infrared laser
Zirconium Oxide feltZircar ZirconiaZYF feltUsed as a beam stop
Zirconium Oxide boardZircar ZirconiaZYZ-3 boardUsed as a beam stop; Quantity = 4
Teflon sheetScientific Commodities, IncBB96312-12481/32 inch thick; used for the far-infrared laser output window
PolypropyleneC-Line sheet protectors61003used for the far-infrared laser output window
Vacuum greaseApiezon
Power supplyKepcoNTC 2000PZT power supply
PZT tubeMorgan Advanced Materials1 inch length, 1 inch outer diameter, 0.062 inch thickness, reverse polarity (positive voltage on outside); Quantity = 3
ZnSe (AR coated)II-VI IncCO2 laser window (Quantity = 3), lens, and beam splitter (Quantity 3)
NaCl windowEdmond OpticsQuantity = 1
CaF windowEdmond OpticsQuantity = 2
Laser mirrors and gratingsHyperfine, IncGold-coated; includes positioning mirrors
Glass laser tubes and reference cellsAllen Scientific Glass
MIM diode detectorCustom Microwave, Inc
OtherOther materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc.

Referenzen

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  2. Wells, J. S., Evenson, K. M., Day, G. W., Halford, D. Role of infrared frequency synthesis in metrology. Proc. IEEE. 60 (5), 621-623 (1972).
  3. Whitford, B. G., Siemsen, K. J., Riccius, H. D., Baird, K. A. New frequency measurements and techniques in the 30-THz region. IEEE Trans. Instrum. Meas. 23 (4), 535-539 (1974).
  4. Petersen, F. R., et al. Far infrared frequency synthesis with stabilized CO2 lasers: Accurate measurements of the water vapor and methyl alcohol laser frequencies. IEEE J. Quantum Elect. 11 (10), 838-843 (1975).
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