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

実験1.計画<ol><li>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。 </li><li>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。 </li></ol> 2.生成遠赤外レーザーの排出量<ol><li>安全に関する概要。 <ol><li> 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。 </li></ol></li><li>アライメントとキャリブレーション。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>遠赤外線レーザー放射線の検出。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>蒸留水でワイヤーを洗い流します。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>遠赤外線レーザ放射の生成。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li></ol></li><li>遠赤外線レーザー放射を特徴付けます。 <ol><li>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）。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol> 3.遠赤外レーザーの周波数を決定します<ol><li>特定CO 2基準レーザ放射をる。 <ol><li>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。 </li><li>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を表1に示します。 </li></ol></li><li>ヘテロダインビート信号を検索しています。 <ol><li> 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。 </li><li> 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。 <ol><li>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。 </li></ol></li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> CO 2参照レーザから放射ブロックを解除。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> CO 2の基準周波数を安定化させます。 <ol><li>そのそれぞれの蛍光基準セルからの信号が、図6 及び図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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>ビート周波数の測定。 <ol><li>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。 </li><li>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）。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>繰り返し3.4.7を介して3.4.1を繰り返します。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>遠赤外線レーザ周波数の計算。 <ol><li>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。 </li><li>平均周波数を取得し、計算不確実性。 </li></ol></li></ol>

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.

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...

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</s&gt; 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 - </s18 - &gt; 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。

<table><tbody><tr><td>Vacuum pump</td><td>Leybold</td><td>Trivac D4A</td><td>HE-175 oil; Quantity = 3</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Leybold</td><td>Trivac D8B or D16B</td><td>Fomblin Fluid; Quantity = 1 of each</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Leybold</td><td>Trivac D25B</td><td>HE-175 oil; Quantity = 1</td></tr><tr><td>Optical chopper with controller</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR540</td><td></td></tr><tr><td>Lock-in amplifier</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>Spectrum analyzer</td><td>Agilent</td><td>E4407B</td><td>ESA-E Series, 9 kHz to 26.5 GHz Spectrum Analyzer</td></tr><tr><td>Amplifier&amp;nbsp;</td><td>Miteq</td><td>AFS-44</td><td>Provides amplification of signals between 2 and 18 GHz. The amplifier is powered by a Hewlett Packard triple output DC power supply, model E3630A.</td></tr><tr><td>Amplifier&amp;nbsp;</td><td>Avantek</td><td>AWL-1200B</td><td>Provides amplification of signals less than 1.2 GHz.</td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Hewlett Packard</td><td>E3630A</td><td>Low voltage DC power supply for amplifier.</td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Glassman</td><td>KL Series</td><td>High voltage power supply for the CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; lasers; Quantity = 2; negative polarity</td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Fluke</td><td>412B</td><td>High voltage power supply used with the NIST Asymmetric HV Amp</td></tr><tr><td>Detector</td><td>Judson Infrared Inc</td><td>J10D</td><td>For fluorescence cell; Quantity = 2</td></tr><tr><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser spectrum analyzer</td><td>Optical Engineering&amp;nbsp;</td><td>16-A</td><td>Currently sold by Macken Instruments Inc.</td></tr><tr><td>Thermal imaging plates with UV light</td><td>Optical Engineering&amp;nbsp;</td><td></td><td>Primarily used for aligning the CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; reference lasers. Currently sold by Macken Instruments Inc.</td></tr><tr><td>Resistors</td><td>Ohmite&amp;nbsp;</td><td>L225J100K</td><td>100 kW, 225 W. Between 4 to 6 resistors are used in each ballast system. Each CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser has its own ballast system. Fans are used to cool the resistors.</td></tr><tr><td>HV relay, SPDT</td><td>CII Technologies</td><td>H-17</td><td>Quantity = 3; one for each CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser</td></tr><tr><td>Amplifier&amp;nbsp;</td><td>Princeton Applied Research</td><td>PAR 113</td><td>Used with fluorescence cell; Quantity = 2</td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>2235A</td><td>Similar models are also used; Quantity = 2</td></tr><tr><td>Oscilloscope/Differential amplifier</td><td>Tektronix</td><td>7903 oscilloscope with 7A22 differential amplifier</td><td></td></tr><tr><td>Power meter with sensor</td><td>Coherent</td><td>200</td><td>For use below 10 W.&amp;nbsp; This is the power meter shown in Figure 2.</td></tr><tr><td>Power meter with sensor</td><td>Scientech, Inc</td><td>Vector S310</td><td>For use below 30 W</td></tr><tr><td>Multimeter</td><td>Fluke</td><td>73III</td><td>Similar models are also used; Quantity = 3</td></tr><tr><td>Data acquisition</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ 9174 chassis with NI 9223 input module</td><td>Uses LabVIEW software</td></tr><tr><td>Simichrome polish</td><td>Happich GmbH</td><td></td><td>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.</td></tr><tr><td>Pressure gauge</td><td>Wallace and Tiernan</td><td>61C-1D-0050</td><td>Series 300; for CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser; Quantity = 3</td></tr><tr><td>Pressure gauge with controller</td><td>Granville Phillips</td><td>Series 375</td><td>For far-infrared laser</td></tr><tr><td>Zirconium Oxide felt</td><td>Zircar Zirconia</td><td>ZYF felt</td><td>Used as a beam stop</td></tr><tr><td>Zirconium Oxide board</td><td>Zircar Zirconia</td><td>ZYZ-3 board</td><td>Used as a beam stop; Quantity = 4</td></tr><tr><td>Teflon sheet</td><td>Scientific Commodities, Inc</td><td>BB96312-1248</td><td>1/32 inch thick; used for the far-infrared laser output window</td></tr><tr><td>Polypropylene</td><td>C-Line sheet protectors</td><td>61003</td><td>used for the far-infrared laser output window</td></tr><tr><td>Vacuum grease</td><td>Apiezon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Kepco</td><td>NTC 2000</td><td>PZT power supply</td></tr><tr><td>PZT tube</td><td>Morgan Advanced Materials</td><td></td><td>1 inch length, 1 inch outer diameter, 0.062 inch thickness, reverse polarity (positive voltage on outside); Quantity = 3</td></tr><tr><td>ZnSe (AR coated)</td><td>II-VI Inc</td><td></td><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser window (Quantity = 3), lens, and beam splitter (Quantity 3)</td></tr><tr><td>NaCl window</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Quantity = 1</td></tr><tr><td>CaF window</td><td>Edmond Optics</td><td></td><td>Quantity = 2</td></tr><tr><td>Laser mirrors and gratings</td><td>Hyperfine, Inc</td><td></td><td>Gold-coated; includes positioning mirrors</td></tr><tr><td>Glass laser tubes and reference cells</td><td>Allen Scientific Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MIM diode detector</td><td>Custom Microwave, Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Other</td><td></td><td></td><td>Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc.</td></tr></tbody></table>

characterizing far-infrared laser emissions and the measurement of their frequencies

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</suB&gt;レーザー、強度をポンプ。

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?...

Watch this Scientific Journal Video about Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies at JoVE.com

Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies

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.

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

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and ...

characterizing-far-infrared-laser-emissions-measurement-their

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Chemistry

Engineering

Electronic Structure of Atoms

SCIENTISTS IN ACTION

12.0K ビュー.  Central Washington University. 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.

ビデオ: Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

工学

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and Titanium Sapphire lasers as the workhorse laser of atomic physics labs1,2. Their versatility and prolific use throughout atomic physics in applications such as absorption spectroscopy and laser cooling1,2 makes it imperative for incoming students to gain a firm practical understanding of these lasers. This publication builds upon the seminal work by Wieman3, updating components, and providing a video tutorial. The setup, frequency locking and performance characterization of an ECDL will be described. Discussion of component selection and proper mounting of both diodes and gratings, the factors affecting mode selection within the cavity, proper alignment for optimal external feedback, optics setup for coarse and fine frequency sensitive measurements, a brief overview of laser locking techniques, and laser linewidth measurements are included.

This is an instructional paper to guide the construction and diagnostics of external cavity diode lasers (ECDLs), including component selection and optical alignment, as well as the basics of frequency reference spectroscopy and laser linewidth measurements for applications in the field of atomic physics.

原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析<sub&gt; 2</sub&gt;、CN、およびTiOスペクトラ[次のレーザー誘起光学破壊

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

化学

Measurement of Ultrafast Vibrational Coherences in Polyatomic Radical Cations with Strong-Field Adiabatic Ionization

We present a pump-probe method for preparing vibrational coherences in polyatomic radical cations and probing their ultrafast dynamics. By shifting the wavelength of the strong-field ionizing pump pulse from the commonly used 800 nm into the near-infrared (1200-1600 nm), the contribution of adiabatic electron tunneling to the ionization process increases relative to multiphoton absorption. Adiabatic ionization results in predominant population of the ground electronic state of the ion upon electron removal, which effectively prepares a coherent vibrational state (&#34;wave packet&#34;) amenable to subsequent excitation. In our experiments, the coherent vibrational dynamics are probed with a weak-field 800 nm pulse and the time-dependent yields of dissociation products measured in a time-of-flight mass spectrometer. We present the measurements on the molecule dimethyl methylphosphonate (DMMP) to illustrate how using 1500 nm pulses for excitation enhances the amplitude of coherent oscillations in ion yields by a factor of 10 as compared to 800 nm pulses. This protocol may be implemented in existing pump-probe setups through the incorporation of an optical parametric amplifier (OPA) for wavelength conversion.

We present a protocol for probing ultrafast vibrational coherences in polyatomic radical cations that result in molecular dissociation.

強いフィールド断熱イオンとラジカル陽イオン多原子の超高速振動コヒーレンスの測定

We present a pump-probe method for preparing vibrational coherences in polyatomic radical cations and probing their ultrafast dynamics. By shifting the ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species in the ppm-to-single-percent range. The main purpose of the method is the spatially resolved detection of low-concentration species, which have no transitions in the visible or near-IR spectral range that could be used for detection. IR-DFWM is a nonintrusive method, which is a great advantage in combustion research, as inserting a probe into a flame can change it drastically. The IR-DFWM is combined with upconversion detection. This detection scheme uses sum-frequency generation to move the IR-DFWM signal from the mid-IR to the near-IR region, to take advantage of the superior noise characteristics of silicon-based detectors. This process also rejects most of the thermal background radiation. The focus of the protocol presented here is on the proper alignment of the IR-DFWM optics and on how to align an intracavity upconversion detection system.

Here, we present a protocol to perform sensitive, spatially resolved gas spectroscopy in the mid-infrared region, using degenerate four-wave mixing combined with upconversion detection.

定量のガスを検知用アップコン バージョン検知赤外線縮退四光波混合

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...

Ultrafast Time-resolved Near-IR Stimulated Raman Measurements of Functional &#960;-conjugate Systems

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near infrared (near-IR) transitions, because it can overcome the low sensitivity of spontaneous Raman spectrometers in the near-IR region. Here, we describe technical details of a femtosecond time-resolved near-IR multiplex stimulated Raman spectrometer that we have recently developed. A description of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and calibration and correction of recorded data is provided as well. We present an application of our spectrometer to analyze the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene solution. A C=C stretch band of &#946;-carotene in the second lowest excited singlet (S2) state and the lowest excited singlet (S1) state is clearly observed in the recorded time-resolved stimulated Raman spectra. The femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer is applicable to the structural dynamics of &#960;-conjugate systems from simple molecules to complex materials.

Details of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and data handling for a femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer are described. A near infrared stimulated Raman study on the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene is shown as a representative application.

超高速時間分解型近IR刺激型機能π共役システムのラマン測定

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near ...

High-definition Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopic Imaging of Human Tissue Sections towards Improving Pathology

High-definition Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopic imaging is an emerging approach to obtain detailed images that have associated biochemical information. FT-IR imaging of tissue is based on the principle that different regions of the mid-infrared are absorbed by different chemical bonds (e.g., C=O, C-H, N-H) within cells or tissue that can then be related to the presence and composition of biomolecules (e.g., lipids, DNA, glycogen, protein, collagen). In an FT-IR image, every pixel within the image comprises an entire Infrared (IR) spectrum that can give information on the biochemical status of the cells that can then be exploited for cell-type or disease-type classification. In this paper, we show: how to obtain IR images from human tissues using an FT-IR system, how to modify existing instrumentation to allow for high-definition imaging capabilities, and how to visualize FT-IR images. We then present some applications of FT-IR for pathology using the liver and kidney as examples. FT-IR imaging holds exciting applications in providing a novel route to obtain biochemical information from cells and tissue in an entirely label-free non-perturbing route towards giving new insight into biomolecular changes as part of disease processes. Additionally, this biochemical information can potentially allow for objective and automated analysis of certain aspects of disease diagnosis.

High-definition Fourier Transform Infrared FT-IR Spectroscopic Imaging of Human Tissue Sections towards Improving Pathology

Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopic imaging is a fast and label-free approach to obtain biochemical data sets of cells and tissues. Here, we demonstrate how to obtain high-definition FT-IR images of tissue sections towards improving disease diagnosis.

高精細フーリエ病理の改善に向けて赤外（FT-IR）ヒト組織切片の分光イメージングを変換する

High-definition Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopic imaging is an emerging approach to obtain detailed images that have associated ...

医学

ナノスケール赤外分光法による多相高分子システムの探索

Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition is commonly assessed using infrared spectroscopy, which provides an average fingerprint of the various materials contained in the volume probed. However, this approach does not offer any details on the arrangement of the phases in the material. Interfacial regions between two polymeric phases, often in the nanoscale range, are also challenging to access. Photothermal nanoscale infrared spectroscopy monitors the local response of materials excited by infrared light with the sensitive probe of an atomic force microscope (AFM). While the technique is suitable for interrogating small features, such as individual proteins on pristine gold surfaces, the characterization of three-dimensional multicomponent materials is more elusive. This is due to a relatively large volume of material undergoing photothermal expansion, defined by the laser focalization onto the sample and by the thermal properties of the polymeric constituents, compared to the nanoscale region probed by the AFM tip. Using a polystyrene (PS) bead and a polyvinyl alcohol (PVA) film, we evaluate the spatial footprint of photothermal nanoscale infrared spectroscopy for surface analysis as a function of the position of PS in the PVA film. The effect of the feature position on the nanoscale infrared images is investigated, and spectra are acquired. Some perspectives on the future advances in the field of photothermal nanoscale infrared spectroscopy are provided, considering the characterization of complex systems with embedded polymeric structures.

著者スポットライト:Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems  

This protocol describes the application of atomic force microscopy and nanoscale infrared spectroscopy to evaluate the performance of photothermal nanoscale infrared spectroscopy in the characterization of three-dimensional multi-polymeric samples.

多相高分子系を探索するためのナノスケール赤外分光法の進歩

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition ...

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

要約

さらに動画を探す

この動画の章

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング

強いフィールド断熱イオンとラジカル陽イオン多原子の超高速振動コヒーレンスの測定

定量のガスを検知用アップコンバージョン検知赤外線縮退四光波混合

超高速時間分解型近IR刺激型機能π共役システムのラマン測定

高精細フーリエ病理の改善に向けて赤外（FT-IR）ヒト組織切片の分光イメージングを変換する

多相高分子系を探索するためのナノスケール赤外分光法の進歩

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

要約

さらに動画を探す

この動画の章

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング

強いフィールド断熱イオンとラジカル陽イオン多原子の超高速振動コヒーレンスの測定

定量のガスを検知用アップコン バージョン検知赤外線縮退四光波混合

超高速時間分解型近IR刺激型機能π共役システムのラマン測定

高精細フーリエ病理の改善に向けて赤外（FT-IR）ヒト組織切片の分光イメージングを変換する

多相高分子系を探索するためのナノスケール赤外分光法の進歩

定量のガスを検知用アップコンバージョン検知赤外線縮退四光波混合