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Ingeniería

원적외선 레이저 방출 및 그들의 주파수의 측정을 특성화

Published: December 18, 2015
doi:
10.3791/53399
,
1Department of Physics,Central Washington University, 2Department of Physics,University of Wisconsin-La Crosse, 3College of Science and Technology,Millersville University

Summary

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.

Abstract

발생 및 원적외선의 후속 측정은 고해상도 분광법, 전파 천문 및 테라 헤르츠 촬상 수많은 응용을 발견했다. 약 45 년 동안, 코 히어 런트, 원적외선 방사의 생성은 광 펌핑 레이저를 이용하여 분자 달성되었다. 원적외선 레이저 방사선이 검출되면,이 레이저 방출 주파수는 세 레이저 헤테로 다인 기법을 사용하여 측정된다. 이 기술에 의해, 광학적으로 펌핑 된 분자 레이저로부터 알 두 주파수 안정화 적외선 기준 주파수 간의 차이 주파수와 혼합된다. 이 기준 주파수는 독립적 이산화탄소 레이저에 의해 생성 된 각각 외부 저압 기준 셀로부터의 형광 신호를 이용하여 안정화. 알려 지거나 알려지지 않은 레이저 주파수 사이 결과 비트는 그 출력 스펙에 관찰되는 금속 – 절연체 – 금속 점 접촉 다이오드 검출기에 의해 모니터링된다TRUM 분석기. 이러한 레이저 배출량 간의 비트 주파수는이어서 측정 알려지지 원적외선 레이저 주파수를 추정하기 위해 공지 된 기준 주파수와 결합된다. 이 방법으로 측정 레이저 주파수 수득 한 시그마 분수 불확실성 정확하게 원적외선 레이저 방출의 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 107에서 ± 5 중량 부이다들은 종종 다른 측정 기준으로서 사용되는 바와 같이 높은 같이 중요 레이저 자기 공명을 이용하여 자유 라디칼 -resolution 분광 조사. 이 조사, 디 플루오로 메탄, CH 2 F 2의 일부로서, 원적외선 레이저 매체로서 사용 하였다. 모두에서, 여덟 원적외선 레이저 주파수는 0.359에서 1.273 테라 헤르츠 주파수 범위와 처음으로 측정 하였다. 이러한 레이저 방출의 세이 조사 중에 발견되었고 CO 2에 대하여 최적의 작동 압력, 분극보고 </suB> 레이저 강도를 펌프.

Introduction

원적외선 레이저 주파수의 측정은 제 Hocker 수행하고 1967 년 동료들은 마이크로파 신호의 고차 고조파들을 혼합하여 직접 방전 시안화 수소 레이저로부터의 311 및 337 μm의 배출을위한 주파수를 측정했다 실리콘 다이오드 (1). 더 높은 주파수를 측정하기 위해, 레이저 및 고조파 혼합 장치의 체인은 레이저 2 고조파를 생성하기 위해 사용되었다. 결국 두 레이저는 필요한 차이가 어떤 주파수 합성 3,4-을 위해 선택되었다 (CO 2) 이산화탄소를 안정화. 오늘날, 4 테라 헤르츠까지 원적외선 레이저 주파수가 두 생성 차 주파수의 1 차 고주파를 이용하여이 기술로 측정 할 수는 CO 2 기준 레이저 안정화. 고주파 레이저 방출은 또한 메탄올 isotopologues CHD의 2 내지 9 테라 헤르츠 방출 레이저, 제 2 고조파를 사용하여 측정 할 수 OH 및 CH 3 </sUB> 18 OH. 수년에 걸쳐 5,6, 레이저 주파수의 정확한 측정은 과학 실험 7,8의 숫자를 영향과 파리에서 도량형 총회에 의해 미터의 새로운 정의의 채택을 허용했다 1983 년 9-11

이러한 기술 된 바와 같은 헤테로 다인 기법은 광학적으로 펌핑 레이저에 의해 생성 된 분자 원적외선 레이저의 주파수 측정에있어서 대단히 유익한왔다. 장과 브리지 (12)에 의한 광 펌핑 레이저 분자의 발견 이래, 광학적 수천 원적외선 레이저 방출 레이저 다양한 매체와 함께 생성 된 펌핑. 광학적 CO 2 레이저에 의해 펌핑 될 때, 예를 들면, 디 플루오로 메탄 (CH 2 F 2)와 그 위에 isotopologues 250 레이저 방출을 생성한다. . 그 파장은 약에서 95.6 1714.1 μm의 13의 범위 – </s18 -> 15까지 이러한 레이저 배출량의 약 75 %는 여러 가지가 광학적으로 16 할당 된 동안 자신의 주파수를 측정 있었다.

이러한 레이저, 그들의 정확하게 측정 주파수는 고해상도 분광법의 발전에 중요한 역할을 해왔다. 이들은 레이저 가스의 적외선 스펙트럼 연구에 중요한 정보를 제공한다. 종종 이러한 레이저 주파수들은 종종 흡수 스펙트럼 (19)로부터 직접 액세스 할 수없는 상태로 여기 된 진동 레벨 사이의 연결을 제공하기 때문에, 적외선 및 원적외선 스펙트럼 분석을 확인하기 위해 사용된다. 또한 레이저 자기 공명 기술 (20) 과도 단명 자유 라디칼을 조사하는 연구 차 방사선 소스로서 작용한다. 이 매우 민감한 기술, 상자성 원자, 분자의 회전 및 RO-진동 제만 스펙트럼, 분자 이온 될 수 있습니다 R로ecorded 이러한 자유 라디칼을 생성하는 데 사용되는 반응 속도를 조사 할 수있는 능력과 함께 분석 하였다.

도 1에 도시 된 작업이, 광학적 펌핑 레이저 분자에, 디 플루오로 메탄으로부터 원적외선 레이저 방사선을 생성하는데 사용되어왔다. 이 시스템은 연속파 (CW) CO 2 펌프 레이저와 원적외선 레이저 공동 이루어져있다. 원적외선 레이저 공동 내부 미러는, 공동의 단부에 종결 나머지 펌프 방사선 산란 전에 스물여섯 반사를 겪고, 연마 동관 다운 CO 2 레이저 방사선을 리디렉션. 따라서 원적외선 레이저 매질은 횡 펌핑 기하학을 이용하여 여기된다. 레이저 동작을 생성하기 위해 여러 개의 변수 일부 동시에 조정하고, 레이저 방사선이 관찰되면 모든 후속 최적화된다.

이 실험에서는, 원적외선 레이저 방사는 금속 INSU 의해 모니터링LATOR 금속 (MIM) 점 접촉 다이오드 검출기. MIM 다이오드 검출기는 1969 년 21 이후 레이저 주파수 측정을 위해 사용되었다 – 레이저 주파수 측정 23, MIM 다이오드 검출기는 다이오드에 두 개 이상의 방사선원 입사 간의 고조파 믹서이다. MIM 다이오드 검출기는 광학적으로 연마 된 니켈베이스 (24)를 접촉하는 날카롭게 텅스텐 와이어로 구성되어 있습니다. 니켈베이스는 절연 층 인 천연 얇은 산화물 층을 갖는다.

본래 참고 문헌에 기재된 방법에 따라 27 – 레이저 방출이 검출되면 해당 주파수 세 레이저 헤테로 다인 기법 (25)를 사용하여 측정하면서, 그 파장, 편광, 세기, 및 최적화 된 작동 압력이 기록되었다. 4. 그림 2는 두 개의 추가 CW CO 2 참조 레이저는 독립적 인 주파수 역을 갖는 광 펌핑 분자 레이저를 보여줍니다외부, 저압 기준 셀 (28)에서 4.3 μm의 형광 신호의 어린 양 딥을 활용 bilization 시스템. 이 원고는 원적외선 레이저 방출뿐만 아니라 파장을 정확하게 추정하기위한 빈도를 결정하는 방법을 검색하는 데 사용되는 프로세스를 설명. 세 레이저 헤테로 다인 기법에 관한 세부 사항뿐만 아니라, 다양한 컴포넌트와 시스템의 작동 매개 변수는 참조 4, 25-27, 29, 및 30와 함께 기업의 표에서 찾아 볼 수있다.

Protocol

실험 1. 계획 이 실험에서 F 2 CH 2 관심 레이저 매질을 사용하여 수행 이전 작업을 평가 문헌의 조사를 실시. 이러한 자신의 파장과 주파수로 라인에 관한 모든 정보와 함께 모든 알려진 레이저 배출량을 확인합니다. 37 – 알려진 레이저 배출량의 여러 조사 13,31 사용할 수 있습니다. 종래 푸리에에 초점을 맞춘 레이저 매질로서 사용 분자의 모…

Representative Results

언급 한 바와 같이, 원적외선 레이저 발광보고 빈도는 CO 2 기준 레이저 라인의 적어도 두 개의 상이한 세트로 수행 적어도 열두 측정의 평균이다. 표 2는 사용시 235.5 ㎛의 레이저 발광을 위해 기록 된 데이터를 설명 9 P 04 CO 2 펌프 레이저. 이 원적외선 레이저 발광을 위해, 비트 주파수의 열네 개별 측정을 기록 하였다. R 9 10 38 9 P CO 2 기준 ?…

Discussion

몇 가지 추가 논의를 필요로하는 프로토콜 내에서 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 원적외선 레이저 파장을 측정 할 때 단계 2.5.3에서 설명 된 바와 같이, 이는 사용되는 원적외선 레이저 발광의 동일한 모드를 보장하는 것이 중요하다. , 원적외선 레이저 파장의 여러 가지 모드 (즉, TEM 00 등 TEM 01) 레이저 공동 내에 생성 될 수 있고, 따라서, 해당 인접 캐비티 모드 ?…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

Vacuum pump Leybold Trivac D4A HE-175 oil; Quantity = 3
Vacuum pump Leybold Trivac D8B or D16B Fomblin Fluid; Quantity = 1 of each
Vacuum pump Leybold Trivac D25B HE-175 oil; Quantity = 1
Optical chopper with controller Stanford Research Systems SR540
Lock-in amplifier Stanford Research Systems SR830
Spectrum analyzer Agilent E4407B ESA-E Series, 9 kHz to 26.5 GHz Spectrum Analyzer
Amplifier  Miteq AFS-44 Provides amplification of signals between 2 and 18 GHz. The amplifier is powered by a Hewlett Packard triple output DC power supply, model E3630A.
Amplifier  Avantek AWL-1200B Provides amplification of signals less than 1.2 GHz.
Power supply Hewlett Packard E3630A Low voltage DC power supply for amplifier.
Power supply Glassman KL Series High voltage power supply for the CO2 lasers; Quantity = 2; negative polarity
Power supply Fluke 412B High voltage power supply used with the NIST Asymmetric HV Amp
Detector Judson Infrared Inc J10D For fluorescence cell; Quantity = 2
CO2 laser spectrum analyzer Optical Engineering  16-A Currently sold by Macken Instruments Inc.
Thermal imaging plates with UV light Optical Engineering  Primarily used for aligning the CO2 reference lasers. Currently sold by Macken Instruments Inc.
Resistors Ohmite  L225J100K 100 kW, 225 W. Between 4 to 6 resistors are used in each ballast system. Each CO2 laser has its own ballast system. Fans are used to cool the resistors.
HV relay, SPDT CII Technologies H-17 Quantity = 3; one for each CO2 laser
Amplifier  Princeton Applied Research PAR 113 Used with fluorescence cell; Quantity = 2
Oscilloscope Tektronix 2235A Similar models are also used; Quantity = 2
Oscilloscope/Differential amplifier Tektronix 7903 oscilloscope with 7A22 differential amplifier
Power meter with sensor Coherent 200 For use below 10 W.  This is the power meter shown in Figure 2.
Power meter with sensor Scientech, Inc Vector S310 For use below 30 W
Multimeter Fluke 73III Similar models are also used; Quantity = 3
Data acquisition National Instruments NI cDAQ 9174 chassis with NI 9223 input module Uses LabVIEW software
Simichrome polish Happich GmbH Polish for the Nickel base used in the MIM diode detector. Although the Nickel base can be used immediately after polishing, a 12 hour lead time is typically recommended.
Pressure gauge Wallace and Tiernan 61C-1D-0050 Series 300; for CO2 laser; Quantity = 3
Pressure gauge with controller Granville Phillips Series 375 For far-infrared laser
Zirconium Oxide felt Zircar Zirconia ZYF felt Used as a beam stop
Zirconium Oxide board Zircar Zirconia ZYZ-3 board Used as a beam stop; Quantity = 4
Teflon sheet Scientific Commodities, Inc BB96312-1248 1/32 inch thick; used for the far-infrared laser output window
Polypropylene C-Line sheet protectors 61003 used for the far-infrared laser output window
Vacuum grease Apiezon
Power supply Kepco NTC 2000 PZT power supply
PZT tube Morgan Advanced Materials 1 inch length, 1 inch outer diameter, 0.062 inch thickness, reverse polarity (positive voltage on outside); Quantity = 3
ZnSe (AR coated) II-VI Inc CO2 laser window (Quantity = 3), lens, and beam splitter (Quantity 3)
NaCl window Edmond Optics Quantity = 1
CaF window Edmond Optics Quantity = 2
Laser mirrors and gratings Hyperfine, Inc Gold-coated; includes positioning mirrors
Glass laser tubes and reference cells Allen Scientific Glass
MIM diode detector Custom Microwave, Inc
Otro Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc.
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Referencias

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Jackson, M., Zink, L. R. Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies. J. Vis. Exp. (106), e53399, doi:10.3791/53399 (2015).
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