אפיון פליטות לייזר רחוק אינפרה-אדומות והמדידה של התדרים שלהם

Summary

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.

Abstract

הדור והמדידה העוקבת של קרינה-אדום הרחוק מצא יישומים רבים בספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה, אסטרונומיה רדיו, והדמיה Terahertz. במשך כ -45 שנים, הדור של קוהרנטית קרינה, רחוק אינפרה-אדומה הושג באמצעות הלייזר המולקולרי שאוב אופטי. ברגע שקרינת לייזר-אדום רחוק מזוהה, התדרים של פליטות לייזר אלה נמדדים באמצעות טכניקת heterodyne שלושה-לייזר. בעזרת טכניקה זו, התדירות לא ידועה מהליזר המולקולרי שאוב אופטי היא מעורבת עם תדירות ההבדל בין שני תדרי התייחסות התייצבו, אינפרא אדום. תדרי התייחסות אלה שנוצרו על ידי לייזרי פחמן דו חמצני עצמאיים, כל אחד התייצב באמצעות אות הקרינה מסלולרית התייחסות חיצונית, בלחץ נמוך. פעימת כתוצאה בין תדרי לייזר הידועים ובלתי ידועים מנוטרת על ידי גלאי דיודה נקודת מגע מתכת-מבודדת-מתכת הפלט שהוא ציין במפרטמנתח טראם. תדירות הפעימה בין פליטת לייזר אלה נמדדת לאחר מכן בשילוב עם תדרי התייחסות הידועים להסיק תדר לייזר-אדום רחוק לא ידוע. אי הוודאות וכתוצאה מכך אחד-סיגמא השבר עבור תדרי לייזר נמדדה עם טכניקה זו היא ± 5 חלקים ב 10 ^7. קביעה מדויקת של תדירות פליטת לייזר-אדום הרחוק היא קריטי כפי שהם משמשים לעתים קרובות כהתייחסות למדידות אחרות, כמו בגבוה חקירות ספקטרוסקופיות -resolution של רדיקלים חופשיים באמצעות תהודה מגנטית לייזר. כחלק מחקירה זו, difluoromethane, CH ₂ F _2, שימש כמדיום לייזר-אדום הרחוק. בסך הכל, שמונה תדרי לייזר-אדום רחוק נמדדו בפעם הראשונה עם תדרים החל 0.359-1.273 THz. שלוש פליטות לייזר אלה התגלו במהלך חקירה זו ומדווחים עם לחצן הפעלה האופטימלי, קיטוב ביחס לCO ₂

Introduction

המדידה של תדרי לייזר-אדום הרחוק בוצעה לראשונה על ידי Hocker ועמיתים לעבודה בשנת 1967. הם מדדו את התדרים ל311 ו 337 מיקרומטר פליטות מליזר המימן ציאניד הישיר פריקה על ידי ערבובם עם הרמוניות כדי גבוהות של אות מיקרוגל בדיודה סיליקון ^1. כדי למדוד תדרים גבוהים יותר, שרשרת של לייזרים והתקני ערבוב הרמוניים שימשה ליצירת ההרמוניה לייזר ^2. סופו של דבר שני התייצבו פחמן דו חמצני (CO ₂₎ לייזרים נבחרו לסנתז את ההבדל ההכרחי תדרי ^3,4. היום, תדרי לייזר-אדום רחוק עד 4 THz ניתן למדוד עם טכניקה זו משתמשת בהרמונית הראשונה בלבד של תדר ההבדל שנוצר על ידי שתי התייצב CO ₂ לייזרי התייחסות. פליטת לייז....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. תכנון של ניסויים

1. לערוך סקר של הספרות כדי להעריך את העבודה לפני מתבצע באמצעות מדיום הלייזר של עניין, אשר לניסוי זה הוא CH ₂ F _2. לזהות את כל פליטות הלייזר הידועות יחד עם כל המידע על הקווים כמו אורך הגל ותדירותם. כמה סקרי פליטות לייזר ידועים זמינים ^{13,31 - 37.}
2. לאסוף את כל החקירות ספקטרוסקופיות של המולקולה המשמשת כמדיום הלייזר עם דגש על פורייה לפני להפוך ³⁴ וoptoacoustic מחקרים ^38,39.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

כאמור, את תדירות דיווח לפליטת לייזר-אדום רחוק היא ממוצעת של לפחות עשר מדידות שבוצעו עם לפחות שתי קבוצות שונות של קווי לייזר ₂ CO התייחסות. טבלה 2 מתארת ​​את הנתונים שנרשמו לפליטת 235.5 מיקרומטר לייזר בעת השימוש ב 9 P 04 CO ₂ לייזר משאבה. לפליטת לייזר-.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

ישנם מספר צעדים קריטיים בפרוטוקול שדורש קצת דיון נוסף. כאשר מודדים את אורך גל לייזר-אדום הרחוק, כפי שמתואר בשלב 2.5.3, זה חשוב כדי להבטיח את אותו המצב של פליטת לייזר-אדום הרחוק נמצא בשימוש. מצבים מרובים של אורך גל לייזר-אדום רחוק (כלומר, TEM _00, TEM _01, וכו ') י?.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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.