Method Article
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.
Die Erzeugung und anschließende Messung der Fern-Infrarot-Strahlung hat eine Vielzahl von Anwendungen in der hochauflösenden Spektroskopie, Radioastronomie und Terahertz-Bildgebung gefunden. Für etwa 45 Jahren ist die Erzeugung kohärenter, Strahlung im fernen Infrarot mit der optisch gepumpte Moleküllaser erreicht worden. Einmal im fernen Infrarot-Laserstrahlung erfaßt wird, werden die Frequenzen dieser Laseremissionen unter Verwendung eines Drei-Laser-Heterodyn-Technik gemessen. Mit dieser Technik ist die unbekannte Frequenz aus dem optisch gepumpte Moleküllaser gemischt mit der Differenzfrequenz zwischen zwei stabilisierten, Infrarotreferenzfrequenzen. Diese Referenzfrequenzen werden von unabhängigen Kohlendioxidlaser erzeugt wird, stabilisiert die jeweils mit dem Fluoreszenzsignal von einer externen Niederdruck-Referenzzelle. Das resultierende Takt zwischen den bekannten und unbekannten Laserfrequenzen wird durch ein Metall-Isolator-Metall-Punktdiodendetektor, dessen Ausgang auf einem spec beobachtet überwachttrum-Analysator. Die Schwebungsfrequenz zwischen diesen Laseremissionen wird anschließend gemessen und mit den bekannten Referenzfrequenz, um den unbekannten fernen Infrarotlaserfrequenz zu extrapolieren. Das resultierende eint Sigma Fractional Unsicherheit für Laserfrequenzen mit dieser Technik gemessen wird, ist ± 5 Teile in 10. 7 die genaue Bestimmung der Frequenz des fernen Infrarotlaserstrahlung ist kritisch, da sie häufig als eine Referenz für andere Messungen verwendet werden, wie in der Hoch -Auflösung spektroskopische Untersuchungen von freien Radikalen mit Laser-Magnet-Resonanz. Im Rahmen dieser Untersuchung Difluormethan CH 2 F 2, wurde als das im fernen Infrarot-Lasermedium verwendet. Insgesamt wurden acht Ferninfrarot-Laserfrequenzen für die erste Zeit mit Frequenzen im Bereich von 0,359 bis 1,273 THz gemessen. Drei dieser Laseremissionen wurden während dieser Untersuchung festgestellt wurden, und sind mit ihrem optimalen Betriebsdruck, der Polarisation in Bezug auf den CO 2 berichtet
Die Messung des fernen Infrarotlaserfrequenzen wurde zuerst von Hocker geführt und Mitarbeiter 1967 Sie maßen die Frequenzen für die 311 und 337 & mgr; m-Emissionen aus dem Direktentladung Cyanwasserstoff Laser durch Mischen mit hohen Harmonischen eines Mikrowellensignals in einer Siliziumdiode 1. Um höhere Frequenzen zu messen, wurden eine Kette von Lasern und harmonische Mischvorrichtungen verwendet, um die Laser Harmonischen 2 zu erzeugen. Schließlich zwei stabilisierten Kohlendioxid (CO 2) -Laser wurden so gewählt, synthetisieren die notwendige Differenzfrequenzen 3,4. Heute können Fern-Infrarot-Laser-Frequenzen bis 4 THz mit dieser Technik nur unter Verwendung der ersten Harmonischen der Differenzfrequenz von zwei erzeugten Mess stabilisierten CO 2 Referenzlasern. Höherfrequenten Laseremissionen können auch unter Verwendung der zweiten Harmonischen, wie zum Beispiel der 9 THz Laseremissionen aus dem Methanol Isotopologen CHD 2 OH und CH 3 18 OH. 5,6 Im Laufe der Jahre hat sich die genaue Messung der Laserfrequenzen eine Reihe von wissenschaftlichen Experimenten 7,8 wirkt und erlaubt die Annahme einer neuen Definition des Meters von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris 1983 9-11
Heterodyn-Techniken, wie sie beschrieben wird, immens nützlich bei der Messung von Ferninfrarot-Laserfrequenzen von optisch gepumpte Moleküllaser erzeugt worden ist. Seit der Entdeckung des optisch gepumpten Laser Molekular von Chang und Brücken 12, Tausende von optisch gepumpter Ferninfrarot-Laser-Ausstoß mit einer Vielzahl von Lasermedien erzeugt wurden. B. Difluormethan (CH 2 F 2) und ihre Isotopologen erzeugen über 250 Laseremissionen bei optisch durch einen CO 2 -Laser gepumpt. Deren Wellenlängen im Bereich von etwa 95,6 bis 1714,1 & mgr; m. 13 - bis> 15 Fast 75% dieser Laseremissionen haben ihre Frequenzen gemessen, während mehrere wurden spektroskopisch zugeordnet 16-18.
Diese Laser und ihre genau gemessen Frequenzen, haben eine entscheidende Rolle bei der Förderung der hochauflösende Spektroskopie gespielt. Sie liefern wichtige Informationen für die Infrarot-Spektralbereich Untersuchungen der Lasergase. Oft sind diese Laserfrequenzen werden verwendet, um die Analyse der Infrarot-und Fern-Infrarot-Spektren zu überprüfen, weil sie Verbindungen zwischen den angeregten Schwingungszustand Ebenen, die oft direkt aus unzugänglichen Absorptionsspektren 19 geeignet sind. Sie dienen auch als primäre Strahlungsquelle für die Studien, die vorübergehend, kurzlebige freie Radikale mit dem Laser-Magnet-Resonanz-Technik 20. Mit dieser extrem empfindliche Technik, Rotations- und Ro-Schwingungs Zeeman Spektren in paramagnetischen Atomen, Molekülen und Molekülionen kann recorded und zusammen mit der Fähigkeit, die verwendet werden, um diese freien Radikale zu erstellen Reaktionsgeschwindigkeiten zu untersuchen analysiert.
In dieser Arbeit wird eine optisch gepumpte Moleküllaser, in Figur 1 gezeigt, verwendet wurde, um im fernen Infrarot-Laserstrahlung von Difluormethan zu erzeugen. Dieses System besteht aus einer kontinuierlichen Welle (cw) CO 2 Pumplaser und einem Fern-Infrarot-Laser-Resonator. Ein Spiegel innerhalb des fernen Infrarotlaserhohlraum leitet den CO2-Laserstrahlung auf der polierten Kupferrohr, unterzogen sechsundzwanzig Reflexionen vor der Beendigung am Ende des Hohlraums, Verstreuen restliche Pumpstrahlung. Deshalb ist die Fern-Infrarot-Lasermedium wird mit einer transversalen Pumpgeometrie angeregt. Um eine Laserwirkung zu erzeugen, werden verschiedene Variablen eingestellt, etwas gleichzeitig und all anschließend optimiert, wenn Laserstrahlung beobachtet wird.
In diesem Experiment wird im fernen Infrarot-Laserstrahlung von einem metall insu wachtenlator-Metall (MIM) Punktdiodendetektor. MIM-Diode Detektor für die Laserfrequenz-Messungen seit 1969 21 verwendet worden - 23 in der Laserfrequenz-Messungen ist das MIM-Diodendetektor eine harmonische Mischstufe zwischen zwei oder mehreren Strahlungsquellen, das auf die Diode. Die MIM-Dioden-Detektor besteht aus einem geschärften Wolfram: der Draht Kontaktieren eines optisch polierten Nickel Basis 24. Die Nickelbasis eine natürlich vorkommende dünne Oxidschicht, die die isolierende Schicht ist.
Sobald eine Laseremission erkannt wurde, wurden seine Wellenlänge, Polarisation, Stärke und optimierten Betriebsdruck aufgezeichnet, während ihre Frequenz wurde unter Verwendung des Drei-Laser-Heterodyn-Technik 25 gemessen - 27 nach der Methode, die ursprünglich in Ref beschrieben. 4. Abbildung 2 zeigt das optisch gepumpte Moleküllaser mit zwei zusätzlichen cw CO 2 Referenzlasern mit unabhängigen Frequenz stasierung Systeme, die das Lamm Bad im 4,3 um Fluoreszenzsignal von einem externen, Niederdruck-Referenzzelle 28 zu nutzen. Diese Handschrift skizziert die verwendet werden, um für die Fern-Infrarot-Laser-Emissionen sowie die Verfahren zur Abschätzung ihrer Wellenlänge und bei der genauen Bestimmung ihrer Frequenzsuchprozess. Besonderheiten, die drei Laser-Heterodyn-Technik sowie die verschiedenen Komponenten und die Betriebsparameter des Systems kann in Supplemental Tabelle A zusammen mit Referenzen 4, 25-27, 29 und 30 gefunden werden.
1. Planung der Experimente
2. Erstellen von Ferninfrarot-Laser-Emissions
3. Bestimmung Ferninfrarot-Laserfrequenzen
Wie erwähnt, ist die Frequenz für eine Fern-Infrarot-Laseremission berichtet ein Mittelwert von mindestens zwölf Messungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Sätzen von CO 2 Referenzlaserlinien durchgeführt. Tabelle 2 fasst die für die 235,5 & mgr; m-Laseremission bei der Verwendung der aufgezeichneten Daten 9 P 04 CO 2 Pumplaser. Aus diesem fernen Infrarotlaseremission wurden vierzehn einzelnen Messungen der Schwebungsfrequenz erfasst. Der erste Satz von Messungen wurden während der Verwendung der 9 R 10 und 9 P 38 CO 2 Referenzlaseremissionen erfasst. Für Schritt 3.4.5, da das Fern-Infrarot-Laserfrequenz leicht erhöht war, die Überlagerungsfrequenz wurde auch beobachtet, sich zu erhöhen. Dies zeigt den fernen Infrarotlaserfrequenz größer als die Größenordnung der Differenzfrequenz zwischen war die 9 R 10 und 9 P 38 CO 2 Referenzlasern | ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |. Daher das Zeichen of der Schwebungsfrequenz in Gleichung 1 war positiv für diesen Satz von CO 2 Referenzlasern. Umgekehrt ist der zweite Satz von Messungen verwendet, die 9 R 16 und 9 P 34 CO 2 Referenzlaseremissionen. Wenn Schritt 3.4.5 durchgeführt wurde, wurde eine Abnahme in der Schwebungsfrequenz zu beobachten, während die Fern-Infrarot-Laserfrequenz war leicht erhöht. Dies zeigt den fernen Infrarotlaserfrequenz niedriger als die Größenordnung der Differenzfrequenz zwischen 9 R 16 und 9 P 34 CO 2 Referenzlaser war. Daher ist für diesen Satz von CO 2 Referenzlasern das Vorzeichen der Schwebungsfrequenz in Gleichung 1 war negativ. Wie in Tabelle 2, die berechnete fernen Infrarotlaserfrequenz, ν FIR dargestellt ist, für beide Situationen gleich geblieben, innerhalb einer Toleranz von ± 0,12 MHz ein Sigma-Standardabweichung.
Die durchschnittlichen Fern-Infrarot-Laserfrequenzen mit dieser experimentellen Technik bestimmt sind gelistet Tabelle 3 und werden in der Reihenfolge des CO 2 Pumpenleitung angeordnet. Die mittlere Laserfrequenzen werden mit ihren entsprechenden Wellenlänge und Wellenzahl ist, berechnet unter 1 cm -1 = 29 979,2458 MHz angegeben. Alle Fern-Infrarot-Laserfrequenzen wurden unter optimalen Betriebsbedingungen gemessen. In dieser Untersuchung wurden mehrere bereits berichtet Frequenzen gemessen und festgestellt, dass in Übereinstimmung mit den veröffentlichten Werten sein. Die Ein-Sigma Fractional Unsicherheit Δν, von Fern-Infrarot-Laserfrequenzen mit dieser Technik gemessen wird, ist ± 5 · 10-7. Diese Unsicherheit wird aus der Reproduzierbarkeit der bekannten Frequenzen mit diesem System, der Symmetrie und der Breite des verbreiterten Verstärkungskurve des im fernen Infrarot-Laser, und die Präzision der Messungen 4,25,31 abgeleitet.
Die während dieser Untersuchung entdeckt, Fern-Infrarot-Laser-Emissionen wurde beobachtet, dass eine Stärke von "W & haben# 8217; entsprechend einem Bereich in Strom 0,001-0,01 mW. Zum Vergleich wurde der 118,8 & mgr; m Linien von Methanol mit diesem System zu VVS mit einer Leistung leicht über 10 mW bei Verwendung der 9 P 36 CO 2 Pumpe mit einer Leistung von 18 W. Zusätzlich beobachtet Tabelle 3 enthält die Polarisation jedes neuen Fern-Infrarot-Laser-Emission gemessen relativ zu ihrem jeweiligen CO 2 Pumplaser. In den meisten Fällen wurde nur eine Polarisation in der CO 2 Pumplaser beobachtet zu dominieren, entweder eine Polarisation parallel oder senkrecht. Für Situationen, in denen keine dominante Polarisierung zu beobachten war, haben beide Polarisationen gelistet.
Insgesamt wurden acht Fern-Infrarot-Laser-Emissionen um Difluormethan mit Hilfe eines optisch gepumpten molekularen Lasersystem mit einer transversalen Pumpgeometrie erzeugt. Dazu gehört auch die Entdeckung von drei Fern-Infrarot-Laser-Emissionswellenlängen von 235,5, 335,9 und 416,8 & mgr; m. Einmal erkannt,Das Drei Laser-Heterodyn-Technik wurde verwendet, um die Frequenz zu messen, für jede beobachtete Ferninfrarot-Laseremission. Die Frequenzen für diese Laseremissionen reichten von 0,359 bis 1,273 THz und sind mit Bruch Unsicherheiten von ± 5 Teile in 10 7 gemeldet.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der optisch gepumpte Moleküllasersystem, bestehend aus einem Kohlendioxid-Pumplaser und einem Fern-Infrarot-Laser-Resonator. Die fernen Infrarotlasermedium angeregt wird, mit einer Querpumpgeometrie. Mit geringfügigen Änderungen aus Lit.. 15 mit freundlicher Genehmigung von Springer Science and Business Media. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 2 Schematische Darstellung der drei Laser-Heterodyn-Frequenz-Messsystem. Das Heterodyn-System umfasst die optisch gepumpte Moleküllaser unter Verwendung eines transversalen Pumpgeometrie und zwei zusätzliche Kohlendioxid Referenzlasern. Nicht dargestellt sind die elektronischen Systeme zur Überwachung und Stabilisierung der von jedem Laser erzeugten Strahlung. © [2015] IEEE. Nachdruck, mit geringfügigen Änderungen und die Erlaubnis, von Ref. 27. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Die in der MIM Punktdiodendetektor, wie durch eine Lupe betrachtet verwendet Wolframdraht. DieLänge des Drahtes beträgt ungefähr 2 mm. Für optimale Federwirkung, sollten die Winkel in der Kurve in der Nähe von 90 ° und liegen alle in der gleichen Ebene.
Figur 4. Die von der 274,8 & mgr; m-Laseremission optisch gepumpten CH 2 F 2 mit der 9 P 04 CO 2 als Pumplaser auf dem Oszilloskop-Anzeige betrachtet erzeugten Wellenform. Die CO 2 Pumpstrahlung durch einen optischen Unterbrecher, der bei etwa 45 modulierte Hz. Der Widerstand des MIM-Diodendetektor ist etwa 100, und das Signal ist etwa 6 & mgr; V (Spitze-Spitze). Das Oszilloskop-Display basiert auf 10 & mgr; V / Teilung eingestellt.
Abbildung 5. Die links undMittel Fotos zeigen die Ausgabe von jedem CO 2 Referenzlaser, 9 R 16 und 9 P 34 ist dar. Die jeweilige modulierte Signal auf dem Oszilloskop ungefähr 4 mV (Spitze-Spitze) für etwa 100 mW, gemessen der Monitor-Leistungsmesser. Das rechte Bild zeigt die kombinierte Signal aus beiden Referenzlaser auf etwa 7 mV (Spitze-Spitze) mit Angabe der zwei Referenzsignale richtig Mischen auf dem MIM Diodendetektor. Der Widerstand des MIM-Diodendetektor etwa 100 Ω. Das Oszilloskop-Anzeige in jedem Foto ist auf 1 mV / Teilung eingestellt. Die CO 2 Strahlung von einem optischen Unterbrecher, der bei etwa 70 Hz moduliert.
Abbildung 6. Die gesättigte Fluoreszenzsignals im Niederdruck (6 Pa) CO 2 unter Verwendung des 9 R 24 CO 2Laseremission. Diese Kurve wird durch Modulieren des CO 2 Referenzlaseremission über einen externen Chopper bei 52 Hz, während der mit der CO 2 Referenzlasers PZT anliegende Spannung wird von 0 auf ca. 570 V in ca. 13 min hochgefahren erhalten. Die Lock-in-Verstärker an eine 300 ms Zeitkonstante festgelegt ist und eine 200 mV Empfindlichkeits. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7. Die gesättigte Fluoreszenzsignals im Niederdruck (6 Pa) CO 2 unter Verwendung des 9 R 24 CO 2 Laseremission, wie auf einem Oszilloskop betrachtet wird. Das linke Foto zeigt den Oszilloskop-Anzeige, wenn der PZT-Spannung ist weg von der Mitte des Lamb dip, etwa 80 V in thist Foto. Die mittleren und rechten Bilder zeigen die Oszilloskop-Darstellung, wenn der PZT-Spannung ist entweder sofort nach links oder rechts von der Mitte des Lammes dip, etwa 278 bis 295 V bzw. auf diesen Fotos. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
Abbildung 8. Das Schwebungssignal zwischen 235,5 & mgr; m-Laser Emission von optisch gepumpten CH 2 F 2 mit dem 9 P 04 CO 2 Pumplaser und der 9 R 16 und 9 P 34 CO 2 Referenzlasern. Eine Spanne von etwa 25 MHz ist in der Regel benutzt. Die Mehrheit der Schwebungssignale werden innerhalb von ± 5 GHz beobachtet. Es gibt jedoch bestimmte Frequenzbereiche innerhalb dieser Suchparametern, die eine niedrige Signalisierungs habenRausch. Daher ist die Verwendung einen etwas größeren Suchbereich ist manchmal hilfreich waren.
Abbildung 9. Teil eines typischen Laser-Resonator Interferogramm (oder Hohlraum-Scan), die aus einem Satz von diskreten Peaks, die Modi des Resonators entsprechen, von Regionen, in denen keine Lasertätigkeit auftritt getrennt. Dieser Scan zeigt die 511,445 um Laseremission durch optisch gepumpten CH erzeugt 2 F 2 mit dem 9 R 28 CO 2 Pumpe. Eine Abnahme im Mikrometer- Position entspricht einer Abnahme der Länge (Spiegel zu Spiegel-Trennung) des fernen Infrarotlaserhohlraum. MIM-Diode detektiert eine 20 & mgr; V Spitze-zu-Spitze von diesem fernen Infrarotlaseremission erzeugten Maximalsignal. Der Ausgang aus dem Detektor wurde unter Verwendung eines Lock-in-Verstärker aufgezeichnet, auf einem 300 ms Zeitkonstante eingestellt und 20 uV SENSITIVITy, an einen Computer angeschlossen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Tabelle 1: Zusammenfassung der CO2-Referenzlaser, deren Differenzfrequenz in der Nähe der berechneten Frequenz für die 235,5 & mgr; m Laseremission vom optisch gepumpten CH 2 F 2 bei Anregung mit dem 9 P 04 CO 2 Laseremission.
Tabelle 2: Gemessene Schwebungsfrequenzen für die 235,5 & mgr; m Laseremission vom optisch gepumpten CH 2 F 2 bei Anregung mit dem 9 P 04 CO 2 Laseremission. Zwei Sätze von CO 2 Referenzlaser Verwendungd, das bekannte Differenzfrequenz zu erzeugen (| ν CO2 (I) -ν CO2 (II) |).
Tabelle 3: Neue fernen Infrarotlaserfrequenzen von optisch gepumpten CH 2 F 2.
STADT Tabelle A: Technische Details des experimentellen Systems einschließlich einiger relevanten kommerziellen Komponenten.
Es gibt mehrere wichtige Schritte im Protokoll, das einige zusätzliche Diskussion erforderlich. Bei der Messung des fernen Infrarotlaserwellenlänge, wie in Schritt 2.5.3 dargelegt, ist es wichtig, in dem Modus des fernen Infrarotlaserstrahlung verwendet wird, zu gewährleisten. Mehrere Modi eines fernen Infrarot-Laserwellenlänge (dh TEM 00, TEM 01, etc.) innerhalb des Laserhohlraums erzeugt werden und somit ist es wichtig zu erkennen, die entsprechenden benachbarten Hohlraummoden verwendet, um die Wellenlänge zu messen, 13,29, 41. Um bei der Beseitigung von Moden höherer Ordnung zu unterstützen, sind Blenden in jedem Laserhohlraum enthalten. Wenn eine genaue Messung einer Ferninfrarot-Laserfrequenz, ist es unerlässlich, die Laser, insbesondere die CO 2 Referenzlasern arbeiten in ihrer Grund (TEM 00) befindet. Blenden werden auch verwendet, um das Muster von der Fern-Infrarot-Laser auf dem Spektrumanalysator zurückzuführen ist symmetrisch zu gewährleisten. Für Situationen, in denen mehrere weit-Infrarot-Laserwellenlängen von einer bestimmten CO 2 Pumpenleitung erzeugt werden, wie im Fall von 9 P 04 wird ein Satz von Absorptionsfilter, mit der Wellenlänge kalibriert werden verwendet, um bei der Unterscheidung fernen Infrarotlaserwellenlängen zu unterstützen. Sie kann auch verwendet werden, um jede Streu CO2-Laserstrahlung im fernen Infrarotlaserhohlraum austretende dämpfen.
Abschnitt 2.4 beschreibt die Erzeugung von Fern-Infrarot-Laserstrahlung. Über zahlreiche Untersuchungen haben wir festgestellt, dass mehrere verschiedene Wellenlängen können durch den gleichen CO2-Pumplaser-Set bei leicht unterschiedlichen erzeugten Offset-Frequenzen werden. Zum Beispiel die 9 P 04 CO 2 Pumplaser ist in der Lage, die 289,5 und 724,9 & mgr; m Wellenlängen von CH 2 F 2 in einem Pumpenfrequenz, während die verbleibenden Wellenlängen während dieser Untersuchung gemessen wurden unter Verwendung einer etwas anderen Frequenz aus der 9 P 04 erzeugten CO 2 Pumplaser. Dies ist ein köstlichesdurch Ändern der an den PZT, das die Frequenz des CO 2 Pumplaser durch seine verbreiterten Verstärkungskurve (ungefähr ± 45 MHz von seiner Mittenfrequenz in diesem Experiment) abstimmt angelegte Spannung Ished. Obwohl nicht ausdrücklich in Abschnitt 2.4 angesprochen, wir glauben, dies ist ein bemerkenswertes Merkmal bei der Suche nach Fern-Infrarot-Laserstrahlung.
Für Situationen, in denen mehrere Ferninfrarot-Laseremissionen werden durch die gleichen CO 2 Pumplaserlinie zur gleichen Offset-Frequenz erzeugt wird, kann ein Laserresonator Interferogramm (oder Hohlraum scan) durchgeführt, um bei der Identifizierung der verschiedenen fernen Infrarotlaserstrahlung zu unterstützen erzeugt . 9 zeigt einen Teil eines typischen Laserresonator Interferogramms mit der Ausgangsleistung als eine Funktion der abnehmenden fernen Infrarotlaserhohlraumlänge 42 aufgetragen - 45.
Wie in Abschnitt 3.4, zwei verschiedene Sätze von CO 2 umrissenBezugs Laser verwendet werden, um die Fern-Infrarot-Laserfrequenz zu messen. Dies hilft dabei, die Unsicherheit darüber, ob der Schwebungsfrequenz über oder unter der Differenzfrequenz zwischen der CO 2 Referenzlaser erzeugt wird. Zusammen mit der Bereitstellung einer Möglichkeit, unabhängig zu überprüfen, die Fern-Infrarot-Laserfrequenz, es war besonders nützlich bei der Arbeit mit schwachen Schwebungssignale, wo die Beobachtung der leichte Verschiebung der Schwebungsfrequenz als die Fern-Infrarot-Laser-Frequenz erhöht kann eine Herausforderung sein.
Das MIM Diodendetektor ist eine wesentliche Komponente, um diesem experimentellen System aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und eine breite spektrale Abdeckung 23,24. Jedoch gibt es einige Einschränkungen für die MIM Diodendetektor, der mechanischen Instabilität, die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, schlechte Reproduzierbarkeit und eine Grenze für die maximale Leistung ist es erfassen kann unter Beibehaltung ihrer Empfindlichkeit umfassen. Während der Messung Fern-Infrarot-Laser-frequencies, die Empfindlichkeit des MIM Diodendetektor wurde gefunden, daß mit der Zeit schnell zu verringern, wenn die Leistung von jeder CO 2 Referenzlasers 150 mW überschritten.
Über die MIM-Diodendetektor, der Hauptbegrenzung der vorliegenden Technik ist die Stabilität des fernen Infrarotlaser 4,31,46. Eine Einschränkung in die aktuelle Konfiguration des experimentellen Systems ist die Unfähigkeit, die Offset-Frequenz des CO 2 Pumplaser zu messen. Wie erwähnt, ist die Offset-Frequenz als die Differenz zwischen der Frequenz, die vom CO 2 Pumplaser verwendet, um die Fern-Infrarot-Laser-Emission und der CO 2 Pumplasermittenfrequenz zu erzeugen, definiert. Somit stellt es die Differenz zwischen der Absorptionsfrequenz des Fern-Infrarot-Lasermedium und der Mittenfrequenz des CO 2 Pumplaser. Typischerweise wird die Offsetfrequenz leicht gemessen mit jeder CO2-Laserstrahlung, die unbeabsichtigt aus o gestreutef Ferninfrarot-Laserhohlraum. In unserem aktuellen Konfiguration ist jedoch sehr wenig CO 2 -Laser-Strahlung für eine derartige Messung zur Verfügung steht. Andere Verfahren zum Messen der Offset-Frequenz könnte in zukünftigen Iterationen des Projekts eingearbeitet werden. Dies schließt die Verwendung von zusätzlichen Strahlteiler und Spiegel zum Koppeln eines Teils der Pumpstrahlung an das MIM-Diodendetektor. Die Messung einer Offset-Frequenz ist vorteilhaft, wenn die Zuordnung spektroskopischen Gänge zum fernen Infrarotlaseremission 25,34.
Fern-Infrarot-Laserfrequenzen auch durch Überlagerung zweier optisch gepumpter Ferninfrarot-Laser und eine Mikrowellenquelle auf einem MIM Diodendetektor wobei die Frequenz eines der beiden fernen Infrarotlaser ist bekannt und wird als Referenzfrequenz 47 verwendet wurde, gemessen wurde. Die Verwendung von Fern-Infrarot-Frequenzen mit höherer Genauigkeit möglich ist unter Verwendung anderer Techniken, wie zum Beispiel mit THz-Kamm Synthese ähnlich jenen Discuin Refs ssed. 48-54. Messlaserfrequenzen erweitert die Rolle der optisch gepumpten molekularen Lasern in THz-Anwendungen von THz-Bildgebung 55, seine Rolle als Quelle von THz-Strahlung für die hochauflösende Spektroskopie 13,20, und die Unterstützung bei der Analyse der komplexen Spektren mit seiner Laser zugeordnet Medium 19,34,37.
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.
This work was supported in part by the Washington Space Grant Consortium under Award NNX10AK64H.
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. |
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten