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

1. Planung der Experimente <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 2. Erstellen von Ferninfrarot-Laser-Emissions <ol><li> Sicherheit Übersicht. <ol><li> Entwickeln Sie eine Standardarbeitsanweisung für das Labor, das richtige Augenschutz umfasst bei der Arbeit mit dem CO 2 und Fern-Infrarot-Lasersystemen. </li></ol></li><li> Ausrichtung und Kalibrierung. <ol><li> Kalibrieren Sie jeden CO 2 laser mit einem gitterbasierte Spektrumanalysator für den CO 2 -Laser ausgebildet gemäß dem Protokoll des Herstellers. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Detektion von Fern-Infrarot-Laserstrahlung. <ol><li> Polieren Sie die Nickel-Basis alle paar Tage mit einem Standard-Metallpolitur. </li><li> Crimp einen 25 &amp; mgr; m Wolframdraht in eine Kupfer Post und biegen Sie den Draht in die Konfiguation in Abbildung 3 dargestellt. </li><li> Die Länge des Drahtes, so dass es zwischen 10 bis 20 Wellenlängen der Strahlung gemessen wird. </li><li> 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. </li><li> Re-ätzen die Spitze mit einer niedrigen Spannung (weniger als 1 VAC). Diese raut die Spitze des Drahtes und verbessert die Leistung der Diode. </li><li> Spülen Sie den Draht mit destilliertem Wasser. </li><li> Legen Sie die Kupfer Beitrag in das Gehäuse des MIM-Diode, wenn der Draht trocken ist. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Erzeugung von Fern-Infrarot-Laserstrahlung. <ol><li> Stellen Sie den CO 2 Pumplaser auf einem bestimmten Laser emission, z. B. 9 P 36. </li><li> Drehen Sie die Messuhr an der CO 2 Pumplaser und zurück, um maximale Intensität auf die Strahlblende zu erreichen. </li><li> Stellen Sie die Neigung des CO2 Pumplaser des Gitters, um eine maximale Intensität auf der Strahlblende zu erreichen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 und 2.4.3 bis die Ausgangsleistung für den CO 2 Pumplaser erscheint auf der Strahlblende optimiert. </li><li> Entfernen Sie die Strahlblende aus dem Weg des CO 2 Pumplaser. </li><li> Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in den Strahlengang des CO 2 Pumplaser. </li><li> Öffnen des Ventils an der CH 2 F 2 Zylinder das Fern-Infrarot-Lasermedium in die Fern-Infrarot-Laserhohlraum einzuführen. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Charakterisierung von Fern-Infrarot-Laser-Emissionen. <ol><li> 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). </li><li> Drehen Sie die Messuhr Uhrzeigersinn, bis die Fern-Infrarot-Laseremission auf beobachtetdas Oszilloskop-Display. Notieren Sie die Position der Messuhr. </li><li> Drehen Sie den Mikrometer-Ring nach rechts für weitere 20 Betriebsarten entsprechend dem gleichen Fern-Infrarot-Laseremission. Notieren Sie die Position der Messuhr. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. Bestimmung Ferninfrarot-Laserfrequenzen <ol><li> Identifizierening die CO 2 Referenzlaser-Emissionen. <ol><li> Berechnen der Frequenz des Ferninfrarot-Laseremission auf der Grundlage ihrer gemessenen Wellenlänge. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Die Suche nach dem Heterodyn-Schwebungssignals. <ol><li> Identifizieren Sie den ersten Satz von CO 2 Referenzlaserlinien und stellen jedes CO 2 Referenzlaser auf ihren jeweiligen Laseremission. </li><li> Optimieren Sie die Leistung für jeden CO 2 Referenzlaser mit Schritte 2.4.2 bis 2.4.4 und den Monitor-Leistungsmesser. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Blockieren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern. </li><li> Einzuschalten und Ausrichten der optischen Unterbrecher in die kollineare Strahlengang der CO 2 Referenzlasern. </li><li> 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, . </li><li> Blockieren der Strahlung von der CO 2 Referenzlaser mit einem Strahlstopp beim Entsperren der Strahlung von der CO 2 Pumplaser. </li><li> 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. </li><li> Trennen ter MIM Ausgangsdiode Detektors vom Oszilloskop und schließen Sie es an einen Verstärker, dessen Ausgang auf einem Spektrum-Analysator beobachtet. </li><li> Entsperren der Strahlung von den CO 2 Referenzlasern. </li><li> Entfernen Sie das optische Chopper Modulieren der CO 2 Pumpe und Referenzlaser. </li><li> 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. </li><li> Wenn kein Überlagerungssignal beobachtet wird, trennen Sie den Ausgang des MIM-Diode des Verstärkers und schließen Sie es an das Oszilloskop. </li><li> Blockieren die Strahlung von den CO 2 Referenzlaser und setzen Sie die optischen Unterbrecher in den Lauf von der CO 2 Pumplaser. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Stabilisierung der CO 2 Referenzfrequenzen. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.3.1 und 3.3.2 für die zweite CO2-Referenzlaser. </li><li> Den Ausgang der Vorverstärker auf einem Oszilloskop visuell zu überwachen, wie in Figur 7, ENsicher, dass die Referenz-Laser bleibt gesperrt. </li></ol></li><li> Messung der Schwebungsfrequenz. <ol><li> Zentrieren Sie das Schwebungssignal auf der Spektrum-Analysator-Anzeige und stellen Sie die Amplitude seiner Größe auf dem Display zu maximieren. </li><li> 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). </li><li> Drehen Sie die Messuhr an der Fern-Infrarot-Laser-Resonator hin und her über die Verstärkungskurve für eine gegebene Hohlraummode. </li><li> Verwenden Sie die Ansicht-Funktion auf dem Spektrum-Analysator, um die zweite (Max Hold) Spur einfrieren, wenn eine symmetrische Muster erhalten wird. </li><li> 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. </li><li> Zeigen Marker an der Halbwertsbreite Punkte des symmetrischen Muster (Max Hold-Trace) mit der Marker-Funktion mit der Delta-Funktion auf dem Spektrum-Analysator. </li><li> Messen Sie die Mittenfrequenz des Überlagerungssignals mit dem Span Pair-Funktion auf dem Spektrum-Analysator. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.4.1 bis 3.4.7. </li><li> 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. </li><li> Re-Sperren der Referenzlaser mit Schritte 3.3.1 bis 3.3.4. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Identifiziert eine andere Gruppe CO 2 Referenzlaser, deren Frequenzdifferenz innerhalb einigen GHz der berechneten Frequenz für die Fern-Infrarot-Laser-Emission. </li><li> 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. </li><li> Verriegeln Sie den neuen Satz von CO 2 Referenzlaserlinien unter Verwendung der Schritte 3.3.1 bis 3.3.4. </li><li> 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. </li><li> Legen Strahl stoppt in den Wegen der CO 2 Pumpe und Referenzlaser. </li></ol></li><li> Berechnung des fernen Infrarotlaserfrequenz. <ol><li> 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. </li><li> Erhalten mittlere Frequenz und die Berechnung derUnsicherheit. </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.

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 &amp; 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.

Die Messung des fernen Infrarotlaserfrequenzen wurde zuerst von Hocker geführt und Mitarbeiter 1967 Sie maßen die Frequenzen für die 311 und 337 &amp; 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 </sub&gt; 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 &amp; mgr; m. 13 - </sbis&gt; 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.

<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

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 </sub&gt; Pumplaser, und Stärke.

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 &amp; 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 <strong&gt; 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 &quot;W &amp; haben# 8217; entsprechend einem Bereich in Strom 0,001-0,01 mW. Zum Vergleich wurde der 118,8 &amp; 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 &amp; 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. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig1.jpg" /> 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. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53399/53399fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 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. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53399/53399fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig3.jpg" /> 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. <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig4.jpg" /> Figur 4. Die von der 274,8 &amp; 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 &amp; mgr; V (Spitze-Spitze). Das Oszilloskop-Display basiert auf 10 &amp; mgr; V / Teilung eingestellt. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig5.jpg" /> 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. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig6.jpg" /> 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. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53399/53399fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig7.jpg" /> 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. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53399/53399fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .</a> <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig8.jpg" /> Abbildung 8. Das Schwebungssignal zwischen 235,5 &amp; 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. <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/53399/53399fig9.jpg" /> 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 &amp; 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. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53399/53399fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Tabelle 1" src="/files/ftp_upload/53399/53399table1.jpg" /> Tabelle 1: Zusammenfassung der CO2-Referenzlaser, deren Differenzfrequenz in der Nähe der berechneten Frequenz für die 235,5 &amp; mgr; m Laseremission vom optisch gepumpten CH 2 F 2 bei Anregung mit dem 9 P 04 CO 2 Laseremission. <img alt="Tabelle 2" src="/files/ftp_upload/53399/53399table2.jpg" /> Tabelle 2: Gemessene Schwebungsfrequenzen für die 235,5 &amp; 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) |). <img alt="Tabelle 3" src="/files/ftp_upload/53399/53399table3.jpg" /> Tabelle 3: Neue fernen Infrarotlaserfrequenzen von optisch gepumpten CH 2 F 2. <img alt="Tabelle 4" src="/files/ftp_upload/53399/53399table4.jpg" /> STADT Tabelle A: Technische Details des experimentellen Systems einschließlich einiger relevanten kommerziellen Komponenten.

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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.

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

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

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12.0K Aufrufe.  Central Washington University. We describe the generation of far-infrared radiation using an optically pumped molecular laser along with the measurement of their frequencies with heterodyne techniques. The experimental system and techniques are demonstrated using difluoromethane (CH2F2) as the laser medium whose results include three new laser emissions and eight measured laser frequencies.

Serie: 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.

Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

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.

Protonen-Transfer und Protein-Zustände Dynamics in Lichtempfindliche Proteine, die durch zeitaufgelöste Step-Scan Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie

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.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

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 von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation

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

Chemie

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.

Messung der ultraschnellen Schwingungs Zusammenhänge in polyatomaren radikale kationen mit Strong-Feld adiabatische Ionisation

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.

Infrarot-entartete vier-Welle mischen mit Großbildschirmen Erkennung für Quantitative Gassensorik

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

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

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

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

Ultraschnelle zeitaufgelöste Near-IR Stimulated Raman Messungen von funktionalen -konjugatsystemen

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.

Neben einem HD-Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR) Spektroskopische Bildgebung der menschlichen Gewebeschnitte in Richtung Verbesserung der Pathologie

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

Medizin

Erforschung mehrphasiger polymerer Systeme mittels nanoskaliger Infrarotspektroskopie

Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems

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

Autor im Rampenlicht: Fortschritte in der nanoskaligen Infrarotspektroskopie zur Erforschung mehrphasiger polymerer Systeme  

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

Fortschritte in der nanoskaligen Infrarotspektroskopie zur Erforschung mehrphasiger Polymersysteme

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