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

1. Planejamento de Experimentos <ol><li> Realizar um levantamento da literatura para avaliar o trabalho prévio realizado utilizando o meio de laser de interesse, que para este experimento é CH 2 F 2. Identificar todas as emissões de laser conhecidos, juntamente com todas as informações sobre as linhas, como seu comprimento de onda e frequência. Várias pesquisas de emissões laser conhecidos estão disponíveis 13,31 - 37. </li><li> Compilar todas as investigações espectroscópicos da molécula utilizada como meio de laser com foco em Fourier antes transformar 34 e optoacoustic estudos 38,39. </li></ol> 2. Emissões Geradoras Far-Infrared Laser <ol><li> Visão geral de segurança. <ol><li> Desenvolver um procedimento operacional padrão para o laboratório que inclui a proteção adequada para os olhos quando se trabalha com o sistemas de laser infravermelho distante CO 2 e. </li></ol></li><li> Alinhamento e calibração. <ol><li> Calibrar cada CO 2 laser usando um analisador de espectro grade à base concebido para o laser de CO 2 de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Alinhe os espelhos finais e espelho de acoplamento na cavidade do laser infravermelho distante usando um laser de He-Ne para que a sua radiação é focalizada no detector de diodo MIM. </li><li> Dirigir a radiação do laser de CO 2 de bomba para dentro da cavidade do laser infravermelho distante através de uma janela de cloreto de sódio a um ângulo de aproximadamente 72o em relação ao eixo da cavidade. </li><li> Orientar a radiação dos dois lasers CO 2 de referência seja para a célula de referência respectiva fluorescência de baixa pressão ou co-linearmente sobre o detector de diodo MIM usando divisores de feixe e espelhos adicionais. </li></ol></li><li> A detecção de radiação laser infravermelho distante. <ol><li> Polir a base de níquel cada vários dias usando um polonês de metal padrão. </li><li> Crimp um fio de tungstênio de 25 um em um posto de cobre e dobre o fio no formações doção mostrado na Figura 3. </li><li> Ajustar o comprimento do fio de modo que é entre 10 a 20 comprimentos de onda da radiação a ser medida. </li><li> Electroquimicamente etch a ponta do fio numa solução saturada de hidróxido de sódio (NaOH) por aplicação de uma tensão (cerca de 3,5 a 5 VAC) à solução. </li><li> Re-gravar a ponta com uma tensão baixa (menos de 1 VAC). Isto torna áspera a ponta do fio e melhora o desempenho do diodo. </li><li> Lavar o fio com água destilada. </li><li> Insira o cargo de cobre em habitação do diodo MIM uma vez que o fio está seca. </li><li> Coloque o fio em contacto com a base de níquel utilizando um sistema de parafuso e nível fino. Contactos obtendo-se uma resistência através do diodo entre 100 e 500 Ω são tipicamente usados ​​quando a detecção e medição de radiação laser infravermelho distante. </li></ol></li><li> Geração de radiação laser infravermelho distante. <ol><li> Defina a laser da bomba CO 2 em um em específico a laserissão, por exemplo., 9 P 36. </li><li> Gire o micrômetro sobre o laser de CO 2 bomba para trás e para atingir intensidade máxima no batente feixe. </li><li> Ajuste a inclinação do gradeamento a bomba do laser de CO 2 para atingir intensidade máxima no batente feixe. </li><li> Repita os passos 2.4.2 e 2.4.3 até que a potência de saída para o laser da bomba de CO 2 parece otimizado na parada feixe. </li><li> Remover o batente de feixe a partir do caminho do laser de CO 2 da bomba. </li><li> Ligue e alinhar o helicóptero óptica no caminho do feixe do laser da bomba CO 2. </li><li> Abrir a válvula na CH2F cilindro 2 para introduzir o meio de laser infravermelho distante para dentro da cavidade do laser infravermelho distante. </li><li> Ajustar a válvula de medição na linha de entrada até uma pressão de aproximadamente 10 Pa, é atingida. Nota: Apenas a pressão aproximada é necessário, uma vez que é utilizado como uma forma de sistematicamente digitalizar o laser infravermelho distante cavity. </li><li> Definir a posição do acoplador de saída de tal modo que a sua ponta mais exterior é de cerca de 1 cm a partir do meio da cavidade do laser, tal como indicado por uma escala calibrada do lado de fora da cavidade do laser. Nota: Apenas a localização aproximada é necessário, uma vez que é utilizado como uma forma de sistematicamente a digitalização da cavidade do laser infravermelho distante. </li><li> Ajuste a posição do espelho do laser infravermelho distante móvel em aproximadamente 0,25 mm incrementos por rotação do micrômetro calibrado e para trás. Simultaneamente sintonizar a frequência do laser de CO 2 da bomba através da sua curva de ganho mudando a voltagem aplicada através do transdutor piezoeléctrico a bomba de laser de CO 2 (PZT). </li><li> Se nenhum sinal for observada no mostrador do osciloscópio, repetir o passo 2.4.10 com o acoplador de saída movido para a sua posição seguinte onde a ponta é de cerca de 1,5 cm a partir do meio da cavidade do laser, tal como indicado por uma escala calibrada do lado de fora do laser cavidade. </li><li> Se nenhum sinal for observada no mostrador do osciloscópio, repetir o passo 2.4.10 com o acoplador de saída movido para a sua posição seguinte onde a ponta é de cerca de 2 cm do centro da cavidade do laser, tal como indicado por uma escala calibrada do lado de fora do laser cavidade. </li><li> Se nenhum sinal for observada no mostrador do osciloscópio, repetir os passos através 2.4.9 2.4.12 com uma pressão de laser infravermelho distante de cerca de 19 Pa ajustado com a válvula de medição na linha de entrada. </li><li> Se nenhum sinal for observada no mostrador do osciloscópio, repetir os passos através 2.4.9 2.4.12 com uma pressão de laser infravermelho distante de cerca de 27 Pa ajustado com a válvula de medição na linha de entrada. </li><li> Se nenhum sinal for observada no mostrador do osciloscópio, inserir o batente de feixe para o caminho do laser de CO 2 bomba e fechar a válvula no CH2F 2 do cilindro até que a pressão do laser infravermelho distante é de cerca de 0 Pa. </li><li> Defina a bomba de CO 2laser para a próxima emissão do laser, por exemplo, 9 P 34, e otimizar a potência de saída usando as etapas 2.4.2 através de 2.4.4. </li><li> Repita os passos 2.4.5 através de 2.4.16 até que todas as emissões geradas pelo laser bomba de CO2 são usados. Ao procurar por linhas de laser infravermelho distante, coloque um foco nas emissões de CO 2 a laser de bomba cujas frequências se sobrepõem a quaisquer regiões de absorção identificados na etapa 1.2. </li></ol></li><li> A caracterização das emissões de laser infravermelho distante. <ol><li> Simultaneamente ajustar a pressão do meio de laser de infravermelho distante, a tensão aplicada ao PZT a bomba de laser de CO 2, e a posição do acoplador de saída até que a potência de saída da emissão do laser de infravermelho distante é maximizada (determinada por um pico-a- máximo sinal de pico a partir do detector de díodo MIM como observado no mostrador do osciloscópio, semelhante à da Figura 4). </li><li> Rode o micrómetro até a emissão do laser infravermelho distante é observado nao visor osciloscópio. Grave a posição do micrômetro. </li><li> Rode o micrômetro por mais 20 modos correspondentes à mesma emissão laser infravermelho distante. Grave a posição do micrômetro. </li><li> Subtraia a posição do micrômetro em passos 2.5.2 e 2.5.3. Esta diferença é dividida por 10 para obter o comprimento de onda da emissão do laser de infravermelho distante. </li><li> Repetir passos 2.5.2 2.5.4 através de um total de cinco vezes e fazer a média do comprimento de onda da emissão do laser de infravermelho distante. Comprimentos de onda do laser médios obtidos percorrendo pelo menos 20 modos longitudinais adjacentes tem uma incerteza de um sigma de ± 0,5 mm. </li><li> Medir a polarização da radiação laser infravermelho distante, em relação à radiação bomba de CO 2, utilizando um fio de ouro polarizador-grade (394 linhas / cm) ou um polarizador de Brewster. </li></ol></li></ol> 3. Determinar Far-Infrared Laser Frequencies <ol><li> Identificaring as emissões de CO 2 de laser de referência. <ol><li> Calcule a frequência da emissão de laser infravermelho distante com base em seu comprimento de onda medido. </li><li> Identificar conjuntos de linhas de laser de CO 2 de referência cuja diferença de frequência está dentro de vários GHz da freqüência calculado para a emissão do laser infravermelho distante 40. Uma lista típica usado para tais medições são apresentados na Tabela 1. </li></ol></li><li> Pesquisando para o sinal de batida heterodyne. <ol><li> Identificar o primeiro conjunto de linhas de laser de CO 2 de referência e definir cada laser de CO 2 de referência sobre a respectiva emissão laser. </li><li> Optimizar a potência de saída para cada laser referência CO 2, utilizando passos 2.4.2 e 2.4.4 através do medidor de energia do monitor. <ol><li> Ajustar uma íris, interna ou externa para cada laser de referência, de modo que a energia a partir de cada laser de CO 2 de referência é de aproximadamente 100 mW, conforme medido pelo medidor de energia do monitor mostrado naFigura 2. </li></ol></li><li> Bloquear a radiação do laser de CO 2 da bomba através de uma paragem do feixe de radiação, enquanto o desbloqueio dos lasers de referência CO 2. </li><li> Ligar e alinhar o helicóptero óptica no caminho do feixe de co-linear dos lasers de referência CO 2. </li><li> Optimizar a voltagem máxima de pico-a-pico cada CO 2 de referência de emissão de laser sobre o detector de díodo MIM usando vários espelhos, divisores de feixe, e uma lente plano-convexa com 2,54 cm de distância focal ZnSe, enquanto observando a saída no osciloscópio, semelhante à Figura 5 . </li><li> Bloquear a radiação dos lasers CO 2 de referência, utilizando um feixe de parada enquanto desbloquear a radiação do laser da bomba CO 2. </li><li> Re-optimizar o laser de CO 2 e a bomba a laser infravermelho distante, como necessário, de modo que a emissão de laser infravermelho distante tem uma tensão máxima de pico-a-pico como observado no osciloscópio. </li><li> Desconecte tele MIM saída do detector de diodo do osciloscópio e conectá-lo a um amplificador, cuja produção é observado em um analisador de espectro. </li><li> Desbloquear a radiação de referência os lasers de CO2. </li><li> Remova os helicópteros ópticos modulando o CO 2 bombas e lasers de referência. </li><li> Defina o analisador de espectro em um período de 40 MHz e procurar o sinal de batida em incrementos de 1,5 GHz, digitalizando manualmente esta faixa de freqüência utilizando o botão de ajuste do analisador de espectro. </li><li> Se nenhum sinal de batida é observado, desligue a saída do diodo MIM do amplificador e conecte-o ao osciloscópio. </li><li> Bloquear a radiação dos lasers de referência CO 2 e reinsira o helicóptero óptica no caminho do laser da bomba CO 2. </li><li> Repita os passos através 3.2.2 3.2.13 conforme necessário até que o analisador de espectro tem sido usado para procurar o sinal de batimento entre 0 e 12 GHz. </li><li> Se nenhum sinal de batida é observado, repeem etapas 3.2.2 através de 3.2.14 com um outro conjunto de linhas de laser de CO 2 de referência até que o sinal de batimento é observado ou todos os conjuntos possíveis de linhas de laser de CO 2 de referência estão esgotados. </li></ol></li><li> Estabilizar as freqüências de referência de CO 2. <ol><li> Aplicar uma voltagem entre 0 e 900 V para o PZT do primeiro laser de referência de CO 2, de modo que o sinal do seu respectivo célula de referência de fluorescência está no centro do mergulho Cordeiro, ilustrado na Figura 6 e como vista num osciloscópio como na Figura 7. </li><li> Activa a tensão de retorno aplicada a PZT do primeiro laser de CO 2 de referência usando um amplificador / servo construído sob encomenda lock-in, de modo que ele permanece bloqueado para o centro do mergulho do cordeiro. </li><li> Repita os passos 3.3.1 e 3.3.2 para o segundo laser de CO 2 de referência. </li><li> Visualmente monitorar a saída do pré-amplificador num osciloscópio, como na Figura 7, a PTCertifique-se os lasers de referência permanece bloqueado. </li></ol></li><li> A medição da freqüência de batimento. <ol><li> Centrar o sinal de batimento no visor analisador de espectro e ajustar a sua amplitude para maximizar o seu tamanho no visor. </li><li> Defina o analisador de espectro para ver dois traços simultâneas do sinal de batimento, como na Figura 8, selecionando o recurso Write claro para ambos Traço 1 e 2. Seguir Um traço irá exibir o sinal instantâneo enquanto o outro vai gravar o sinal máximo (usando uma funcionalidade de espera Max no analisador de espectro para o segundo traço). </li><li> Gire o micrômetro na cavidade do laser infravermelho distante e para trás em toda a curva de ganho para um determinado modo de cavidade. </li><li> Use o recurso Vista no analisador de espectro para congelar a segunda (Max Hold) trace uma vez um padrão simétrico é obtido. </li><li> Ligeiramente girar a micrómetro para diminuir o comprimento da cavidade do laser infravermelho distante. Simultaneamente observar os subsequent pequena mudança na frequência de batimento no analisador de espectro devido a este ligeiro aumento da frequência do laser infravermelho distante. </li><li> Coloque marcadores na largura total, a metade pontos máximos do padrão simétrico (trace Max espera), utilizando a função de marcador com o recurso Delta no analisador de espectro. </li><li> Medir a frequência central do sinal de batida usando o recurso Span Pair no analisador de espectro. </li><li> Repita os passos 3.4.1 através de 3.4.7. </li><li> Desengatar o bloqueio no amplificador / servo para cada laser de CO 2 de referência para desbloquear cada laser a partir da sua frequência central e re-otimizar cada laser referência CO 2. </li><li> Re-travar os lasers de referência usando as etapas 3.3.1 através de 3.3.4. </li><li> Repita os passos através 3.4.1 3.4.10 para um total de 6 medições. Uma vez completo, desbloquear cada laser de CO 2 de referência a partir da sua frequência central. </li><li> Calcular a freqüência revista da emissão laser infravermelho distante com estes batida frefre- obter uma previsão precisa para o segundo conjunto de linhas de laser de CO 2 de referência. </li><li> Identificar um conjunto diferente de CO 2 linhas de laser de referência cuja diferença de frequência está dentro de vários GHz da freqüência calculado para a emissão do laser infravermelho distante. </li><li> Otimizar o próximo conjunto de CO 2 linhas de laser de referência no detector de diodo MIM e obter o sinal de batida usando as etapas 3.2.2 através de 3.2.15, conforme necessário. </li><li> Bloquear o novo conjunto de CO 2 linhas de laser de referência usando as etapas 3.3.1 através de 3.3.4. </li><li> Repita os passos através 3.4.1 3.4.10 para um total de 6 medições. Uma vez completo, desbloquear cada laser de CO 2 de referência a partir da sua frequência central. </li><li> Inserir feixe pára nos caminhos dos CO 2 bombas e lasers de referência. </li></ol></li><li> Cálculo da frequência do laser infravermelho distante. <ol><li> Calcule o desconhecido frequência do laser infravermelho distante, ν FIR, usando a ser medidoa frequência através da relação FIR = | vmax CO2 (I) -ν CO2 (II) | ± | batida ν | Eq. 1 onde | vmax CO2 (I) -ν CO2 (II) | é a magnitude da diferença de frequência sintetizados pelos dois lasers de CO 2 e de referência | batida vmax | é a magnitude da freqüência de batimento. O sinal ± na Eq. 1 é determinada experimentalmente a partir do passo 3.4.5. </li><li> Obter uma frequência média e calcular oincerteza. </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.

Há vários passos críticos no âmbito do protocolo que é necessário um debate adicional. Quando se mede o comprimento de onda do infravermelho distante, tal como descrito no passo 2.5.3, é importante para assegurar o mesmo modo da emissão do laser de infravermelho distante está a ser utilizado. Vários modos de um comprimento de onda de laser de infravermelho distante (isto é, 00 TEM, TEM 01, etc.) pode ser gerado dentro da cavidade do laser e, assim, é importante identificar os m...

A medição de freqüências de laser infravermelho distante foi realizada pela primeira vez por Hocker e colegas de trabalho em 1967. Eles mediram as frequências dos 311 e 337 mm emissões da descarga directa de laser cianeto de hidrogênio, misturando-os com harmônicos de alta ordem de um sinal de microondas em um díodo de silício 1. Para medir freqüências mais altas, uma cadeia de lasers e dispositivos de mistura harmônica foram usadas para gerar as harmônicas de laser 2. Eventualmente dois estabilizado dióxido de carbono (CO 2) lasers foram escolhidos para sintetizar a diferença necessária frequências 3,4. Hoje em dia, as frequências de laser infravermelho distante até 4 THz pode ser medido com esta técnica utilizando apenas a primeira harmónica da frequência diferença gerado pelos dois estabilizado lasers de CO 2 de referência. Aumento das emissões de laser de frequência, também pode ser medido usando a segunda harmónica, tal como as emissões de laser 9 THz do isotopólogos metanol CHD 2 OH e CH 3 </sub&gt; 18 OH 5,6 Ao longo dos anos., a medição precisa das frequências de laser tem impactado uma série de experimentos científicos 7,8 e permitiu a adopção de uma nova definição do metro pela Conferência Geral de Pesos e Medidas em Paris em 1983. 9 - 11 Heteródina técnicas, tais como os descritos, têm sido extremamente benéfica na medição das frequências de laser infravermelho distante gerados por lasers moleculares bombeados opticamente. Desde a descoberta do laser bombeado opticamente molecular por Chang e Pontes 12, milhares de emissões de laser bombeado opticamente longe do infravermelho foram gerados com uma variedade de meios de laser. Por exemplo, dif luorometano (CH2F 2) e os seus isotopólogos gerar mais de 250 quando as emissões de laser bombeado opticamente por um laser de CO 2. Seus comprimentos de onda variam de cerca de 95,6 uM para 1714,1 13. - </sup&gt; 15 Cerca de 75% dessas emissões de laser tiveram suas freqüências medida enquanto vários foram spectroscopically atribuído 16-18. Estes lasers, e as suas frequências medidos com precisão, têm desempenhado um papel crucial no avanço da espectroscopia de alta resolução. Eles fornecem informações importantes para estudos espectrais de infravermelhos dos gases laser. Muitas vezes, essas freqüências laser são usados ​​para verificar a análise dos espectros de infravermelho e infravermelho distante, pois fornecem conexões entre os níveis estado vibracional excitado que muitas vezes são inacessíveis diretamente de espectros de absorção 19. Eles também servem como fonte de radiação primária para estudos que investigam transitórios, radicais livres de curta duração com a técnica de ressonância magnética de laser 20. Com esta técnica extremamente sensível, espectros Zeeman rotacional e ro-vibracional em átomos paramagnéticos, moléculas e íons moleculares podem ser recorded e analisado, juntamente com a capacidade para investigar as taxas de reacção utilizadas para criar esses radicais livres. Neste trabalho, um laser bombeado opticamente molecular, mostrado na Figura 1, foi usado para gerar a radiação laser infravermelho distante de difluorometano. Este sistema é composto por uma onda contínua (CW) laser de CO 2 e uma bomba de cavidade do laser infravermelho distante. Um espelho interno para a cavidade do laser infravermelho distante redirecciona o CO 2 radiação laser através do tubo de cobre polido, submetendo-se vinte e seis reflexões antes de terminar na extremidade da cavidade, espalhando qualquer radiação bomba restante. Portanto, o meio laser infravermelho distante está animado usando uma geometria de bombeamento transversal. Para gerar a ação do laser, diversas variáveis ​​são ajustadas, alguns em simultâneo, e todos são, posteriormente, uma vez otimizado radiação laser é observado. Nesta experiência, a radiação laser infravermelho distante é monitorizada por um metal-insulator-de metal (MIM) ponto de contato detector de diodo. O detector de díodo MIM foi usado para medições de frequência de laser desde 1969. 21-23 Em medições de frequência de laser, o detector de díodo MIM é um misturador harmónica entre duas ou mais fontes de radiação incidente sobre o diodo. O detector de diodo MIM consiste de um fio de tungstênio afiadas entrar em contato com uma base de níquel polido opticamente 24. A base de níquel tem uma fina camada de óxido que ocorre naturalmente que é a camada isolante. Uma vez que foi detectada uma emissão de laser, seu comprimento de onda, polarização, força e pressão de operação otimizada foram registrados enquanto sua freqüência foi medida usando a técnica heterodyne de três a laser 25-27 seguindo o método descrito originalmente em Ref. 4. A Figura 2 mostra o laser bombeado opticamente molecular com dois cw lasers de CO 2 de referência adicionais STA tendo frequência independentebilização sistemas que utilizam o mergulho Cordeiro no sinal de fluorescência de 4,3 mm a partir de uma célula de referência de baixa pressão externa, 28. Este manuscrito descreve o processo usado para procurar por emissões de laser infravermelho distante, bem como o método para estimar seu comprimento de onda e em determinar com precisão a sua frequência. Detalhes sobre a técnica heteródino três laser, bem como os vários componentes e parâmetros de operação do sistema pode ser encontrada na Tabela Suplementar A, juntamente com as referências 4, 25-27, 29, e 30.

<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

A geração e subsequente medição da radiação infravermelho distante tem encontrado inúmeras aplicações em espectroscopia de alta resolução, a radioastronomia, e Terahertz imagem. Para cerca de 45 anos, a geração de radiação coerente, longe do infravermelho foi realizada utilizando o laser bombeado opticamente molecular. Uma vez que a radiação laser infravermelho distante é detectado, as frequências destas emissões laser são medidos usando uma técnica heterodyne três laser. Com esta técnica, a frequência desconhecida do laser molecular de bombeamento óptico é misturado com a frequência diferença entre duas freqüências de referência, infravermelho estabilizados. Estas frequências de referência são gerados por lasers de dióxido de carbono independentes, cada estabilizado usando o sinal de fluorescência a partir de uma célula de referência externo, a baixa pressão. A batida resultante entre as freqüências de laser conhecidos e desconhecidos é monitorado por um ponto de contato detector de diodo metal-isolante-metal de cuja produção é observado em uma especificaçãoanalisador trum. A frequência de batimento entre essas emissões laser é posteriormente medidos e combinados com as frequências de referência conhecidos para extrapolar o desconhecido frequência do laser infravermelho distante. A incerteza fracionária resultante de um sigma de frequências de laser medidos com esta técnica é de ± 5 partes em 10 7. Precisão determina a frequência das emissões de laser infravermelho distante é crítica como eles são muitas vezes utilizados como referência para outras medições, como no alto investigações -resolução espectroscópicos de radicais livres usando ressonância magnética laser. Como parte desta investigação, difluorometano, CH2F 2, foi usado como o meio de laser infravermelho distante. Ao todo, oito freqüências de laser infravermelho distante foram medidos pela primeira vez com freqüências variando 0,359-1,273 THz. Três dessas emissões laser foram descobertos durante este inquérito e são relatados com a sua pressão de funcionamento óptimo, a polarização em relação ao CO 2 </sub&gt; bombear a laser, e força.

Como mencionado, a frequência descrita uma emissão laser infravermelho distante é uma média de, pelo menos, doze medições realizadas com, pelo menos, dois conjuntos diferentes de CO linhas de laser 2 de referência. A Tabela 2 resume os dados gravados para a emissão de 235,5 pM de laser quando se utiliza o 9 P 04 laser de CO 2 bomba. Para esta emissão de laser infravermelho distante, foram registrados quatorze medições individuais da frequência de batimento. O p...

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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.

A caracterização das emissões laser Far-infrared e da medição de suas frequências

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

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Vídeo: 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.

Implementação de um interferômetro de Referência para Nanodetection

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

Engenharia

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.

Construção e Caracterização de externas Cavity lasers de diodo para Física Atômica

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

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards understanding its mechanism. Protonation and conformational changes affect the vibration pattern of amino acid side chains and of the peptide bond, respectively, both of which can be probed by infrared (IR) difference spectroscopy. For proteins whose function can be repetitively and reproducibly triggered by light, it is possible to obtain infrared difference spectra with (sub)microsecond resolution over a broad spectral range using the step-scan Fourier transform infrared technique. With ~102-103 repetitions of the photoreaction, the minimum number to complete a scan at reasonable spectral resolution and bandwidth, the noise level in the absorption difference spectra can be as low as ~10-4, sufficient to follow the kinetics of protonation changes from a single amino acid. Lower noise levels can be accomplished by more data averaging and/or mathematical processing. The amount of protein required for optimal results is between 5-100 &#181;g, depending on the sampling technique used. Regarding additional requirements, the protein needs to be first concentrated in a low ionic strength buffer and then dried to form a film. The protein film is hydrated prior to the experiment, either with little droplets of water or under controlled atmospheric humidity. The attained hydration level (g of water / g of protein) is gauged from an IR absorption spectrum. To showcase the technique, we studied the photocycle of the light-driven proton-pump bacteriorhodopsin in its native purple membrane environment, and of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 solubilized in detergent.

Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

Transferência de prótons e Proteína Conformação Dynamics em fotossensíveis Proteínas por Time-resolvido Passo-scan-Fourier Transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

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.

-Ressonância Quasi alta resolução Phonon assistida espectroscopia de fluorescência

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.

Direct Imaging da Laser-driven Ultrafast rotação Molecular

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

Química

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.

Medição de coerências vibracionais ultrarrápidas em cátions de radicais poliatômicos com ionização adiabática de campo forte

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.

Quatro ondas infravermelho degenerada mistura com detecção de Upconversion para detecção de gás quantitativa

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

Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators

Detecting small concentrations of molecules down to the single molecule limit has impact on areas such as early detection of disease, and fundamental studies on the behavior of molecules. Single molecule detection techniques commonly utilize labels such as fluorescent tags or quantum dots, however, labels are not always available, increase cost and complexity, and can perturb the events being studied. Optical resonators have emerged as a promising means to detect single molecules without the use of labels. Currently the smallest particle detected by a non-plasmonically-enhanced bare optical resonator system in solution is a 25 nm polystyrene sphere1. We have developed a technique known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that can surpass this limit and achieve label-free single molecule detection in aqueous solution2. As signal strength scales with particle volume, our work represents a &#62; 100x improvement in the signal to noise ratio (SNR) over the current state of the art. Here the procedures behind FLOWER are presented in an effort to increase its usage in the field.

We have developed a label-free biosensing system based on optical resonator technology known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that is capable of detecting single molecules in solution. Here the procedures behind this work are described and presented.

Único Detecção de Moléculas livre-Label Usando Microtoroid ópticos Resonators

Detecting small concentrations of molecules down to the single molecule limit has impact on areas such as early detection of disease, and fundamental ...

Bioengenharia

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.

Mediçãos de Raman estimuladas do tempo ultrarrápido de sistemas funcionais de πconjugados

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.