Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laseremissionen und die Messung ihrer Frequenzen

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

1. Führen Sie eine Überblick über die Literatur zum Stand der Arbeiten zu bewerten unter Verwendung des Lasermediums von Interesse, die für dieses Experiment ist _CH 2 F _2. Identifizieren Sie alle bekannten Laseremissionen zusammen mit allen Informationen zu den Linien, wie ihre Wellenlänge und Frequenz. Mehrere Erhebungen der bekannten Laseremissionen sind ^{13,31 - 37.}
2. Kompilieren Sie alle spektroskopischen Untersuchungen des Moleküls als das Lasermedium mit einem Schwerpunkt auf dem Stand der Fourier-Transformation ^{34 und} optoakustischen Studien ^38,39.

2. Erstellen von Ferninfrarot-Laser-Emissions

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

3. Bestimmung Ferninfrarot-Laserfrequenzen

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

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.