Характеризуя Дальнего инфракрасного лазерного выбросов и измерения их частоты
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
Генерация и последующий измерение дальнего инфракрасного излучения нашла многочисленные применения в спектроскопии высокого разрешения, радиоастрономии и томографии терагерцового. Около 45 лет, генерации когерентного, далеко инфракрасного излучения было достигнуто с помощью оптической накачкой молекулярную лазера. После дальнего инфракрасного лазерного излучения определяется, частоты этих лазерного излучения измеряют с использованием методики гетеродинный три лазера. С помощью этого метода, неизвестного частоты от оптической накачкой молекулярной лазера смешивают с разностной частоты между двумя стабилизированными, инфракрасные опорных частот. Эти эталонные частоты генерируются независимыми лазерами двуокиси углерода, каждый стабилизировалась с помощью сигнала флуоресценции от внешнего эталонной ячейке, при низком давлении. Полученную бит между известными и неизвестными частот лазеров контролируется металл-диэлектрик-металл точечного контакта диодного детектора, выход которого наблюдается на спецификациитра анализатора. Частота биений между этими лазерного излучения впоследствии оценивается и в сочетании с известными опорными частотами экстраполировать неизвестную дальнего инфракрасного лазера частоту. В результате один сигма дробно неопределенность для лазерных частот измеряется с этой техникой составляет ± 5 частей в 10 7. Аккуратно определения частоты дальнего инфракрасного лазерного излучения является критическим, поскольку они часто используются в качестве эталона для других измерений, как в высокий -Разрешение спектроскопические исследования свободных радикалов с использованием лазерного магнитного резонанса. В рамках этого расследования, дифторметана, CH 2 F 2, был использован в качестве дальнего инфракрасного лазерного среде. В целом, восемь лазера дальнего ИК диапазона частот были измерены впервые с частотами от 0.359 до 1.273 ТГц. Три из этих лазерного излучения были обнаружены во время этого исследования и, как сообщается с их оптимального рабочего давления, поляризации по отношению к CO 2 </suB> накачки лазера, и силы.
Introduction
Измерение дальнего инфракрасного лазерного частот была впервые исполнена на HÖCKER и сотрудники в 1967 они измерены частоты для 311 и 337 мкм выбросов от цианистого водорода лазера с прямым разряда путем смешивания их с высоких гармоник порядка СВЧ сигнала в кремниевого диода 1. Для измерения более высоких частот, сеть лазеров и гармонических смесительных устройств были использованы для генерации лазерных гармоник 2. В конце концов двое стабилизированного диоксида углерода (СО 2) лазеров были выбраны, чтобы синтезировать необходимое различие частоты 3,4. Сегодня лазера дальнего ИК диапазона частот до 4 ТГц может быть измерена с использованием этой методики только первую гармонику разностной частоты, генерируемого двух стабилизировалась СО 2 эталонных лазеров. Более высокие частоты лазерного излучения также могут быть измерены с помощью второй гармоники, например, 9 ТГц лазерных излучений от метанола изотопологов ИБС 2 ОН и СН 3 </sUB> 18 ОН. 5,6 На протяжении многих лет, точное измерение частот лазеров повлиял ряд научных экспериментов 7,8 и разрешается принятие нового определения метра Генеральной конференции мер и весов в Париже в 1983. 9 – 11
Методы гетеродина, такие как те, что описаны, были чрезвычайно полезным при измерении дальнего инфракрасного лазерного частот, генерируемых с оптической накачкой молекулярных лазеров. С момента открытия оптической накачке лазером молекулярной Чангом и мостов 12 тысячи оптической накачкой дальней инфракрасной лазерное излучение были получены с различными лазерных сред. Например, дифторметан (СН 2 F 2) и его изотопологи генерировать более 250 лазерного излучения при оптической накачке с помощью СО 2 лазера. Их длины волн в диапазоне от приблизительно 95,6 до 1714.1 мкм 13. – </sдо> 15 Почти 75% этих выбросов лазерных имели их частоты измеряется в то время как некоторые из них были назначены спектрально 16 – 18.
Эти лазеры, и их точно измеренные частоты, играют решающую роль в продвижении спектроскопии высокого разрешения. Они обеспечивают важную информацию для инфракрасных спектральных исследований лазерных газов. Часто эти лазерные частоты используются для проверки анализа инфракрасного и дальнего инфракрасного спектров, потому что они обеспечивают связь между колебательных уровней государственных, которые часто напрямую недоступны из спектров поглощения 19. Они также служат в качестве основного источника излучения для исследований следственных переходные, короткоживущие свободные радикалы с лазерной резонансной техники магнитного 20. С этой чрезвычайно чувствительной техники, вращения и ро-колебательного Зеемана спектров в парамагнитных атомов, молекул, ионов и молекул может быть гecorded и проанализированы вместе с возможностью исследовать скорости реакции, используемые для создания этих свободных радикалов.
В этой работе, с оптической накачкой молекулярной лазера, показанного на рисунке 1, была использована для создания дальнего инфракрасного лазерного излучения от дифторметана. Эта система состоит из непрерывной волны (CW) СО 2 лазера накачки и дальнего инфракрасного лазерного резонатора. Зеркало внутреннее к дальней инфракрасной лазерного резонатора перенаправляет лазерного излучения СО 2 вниз полированной медной трубки, проходит двадцать шесть отражений, перед завершением в конце полости, рассеяние оставшуюся излучение накачки. Поэтому далеко инфракрасный лазер среднего возбуждается с помощью поперечной геометрии накачки. Для генерации лазерной генерации, несколько переменных настраиваются, некоторые одновременно, и все они впоследствии оптимизированы раз наблюдается лазерное излучение.
В этом эксперименте, дальнего инфракрасного лазерного излучения контролируется с помощью металлического быстрее полуLATOR-металл (МИМ) точка контакта детектор диод. Детектор диод МИМ был использован для измерения частоты лазера с 1969 года 21 – 23 В частоты измерений лазерных детектор диод МИМ является гармонической смеситель между двумя или более источников излучения, падающего на диод. Детектор диод МИМ состоит из заостренной вольфрамовой проволоки, контактирующей оптически полированный никель основание 24. Никелевую основу имеет естественный слой тонкой оксидной который изолирующий слой.
После того, как лазерное излучение было обнаружено, его длина волны, поляризации, прочность и оптимизированы рабочее давление регистрировали во время его частота была измерена с использованием метода гетеродинный три лазера 25 – 27 в соответствии со способом, первоначально описанной в работе. 4. На рисунке 2 показана оптической накачкой лазер с молекулярной два дополнительных непрерывного СО 2 лазеры, имеющие ссылки на независимую частоту STAлизации системы, которые используют Лэмба окунуться в сигнала флуоресценции 4,3 мкм от опорной ячейки внешней, низкого давления 28. Эта рукопись описывает процесс, используемый для поиска дальнего инфракрасного лазерного излучения, а также метод оценки их длины волны и в точном определении их частоты. Специфические относительно техники трех лазерного гетеродинного а также различные компоненты и рабочие параметры системы могут быть найдены в Дополнительной таблице А наряду со ссылками 4, 25-27, 29 и 30.
Protocol
Representative Results
Discussion
Есть несколько важных шагов в рамках протокола, которые требуют дополнительного обсуждения некоторые. При измерении дальнего инфракрасного лазера длины волны, как показано в шаге 2.5.3, важно обеспечить такой же режим дальнего инфракрасного лазерного излучения используется. Несколько …
Divulgations
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 | ||
| Other | Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc. |
References
- Hocker, L. O., Javan, A., Ramachandra Rao, D., Frenkel, L., Sullivan, T. Absolute frequency measurement and spectroscopy of gas laser transitions in the far infrared. Appl. Phys. Lett. 10 (5), 147-149 (1967).
- Wells, J. S., Evenson, K. M., Day, G. W., Halford, D. Role of infrared frequency synthesis in metrology. Proc. IEEE. 60 (5), 621-623 (1972).
- Whitford, B. G., Siemsen, K. J., Riccius, H. D., Baird, K. A. New frequency measurements and techniques in the 30-THz region. IEEE Trans. Instrum. Meas. 23 (4), 535-539 (1974).
- Petersen, F. R., et al. Far infrared frequency synthesis with stabilized CO2 lasers: Accurate measurements of the water vapor and methyl alcohol laser frequencies. IEEE J. Quantum Elect. 11 (10), 838-843 (1975).
- Uranga, C., Connell, C., Borstad, G. M., Zink, L. R., Jackson, M. Discovery and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions from optically pumped 13CD3OH and CHD2OH. Appl. Phys. B. 88 (4), 503-505 (2007).
- Jackson, M., Milne, J. A., Zink, L. R. Measurement of optically pumped CH318OH laser frequencies between 3 and 9 THz. IEEE J. Quantum Elect. 47 (3), 386-389 (2011).
- Evenson, K. M., et al. Optically pumped FIR lasers: Frequency and power measurements and laser magnetic resonance spectroscopy. IEEE J. Quantum Elect. 13 (6), 442-444 (1977).
- Evenson, K. M., Jennings, D. A., Petersen, F. R. Tunable far-infrared spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 44 (6), 576-577 (1984).
- Evenson, K. M., et al. Speed of light from direct frequency and wavelength measurements of the methane-stabilized laser. Phys. Rev. Lett. 29 (19), 1346-1349 (1972).
- BIPM. . Resolution 1. , 97-98 (1983).
- Giacomo, P. News from the BIPM. Metrol. 20 (1), 25-30 (1984).
- Chang, T. Y., Bridges, T. J. Laser action at 452, 496 and 541 µm in optically pumped CH3F. Opt. Commun. 1 (9), 423-426 (1970).
- Douglas, N. G., Walter, H. . Millimetre and Submillimetre Wavelength Lasers: A Handbook of CW Measurements. 61, (1989).
- Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C., Zink, L. R., Evenson, K. M. 12CH2F2 and 13CH2F2 far-infrared lasers: New lines and frequency measurements. Int. J. Infrared Millim. Waves. 18 (12), 2301-2306 (1997).
- Jackson, M., Alves, H., Holman, R., Minton, R., Zink, L. R. New cw optically pumped far-infrared laser emissions generated with a transverse or ‘zig-zag’ pumping geometry. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 35 (3), 282-287 (2014).
- Danielewicz, E. J., Button, K. J., Inguscio, M., Strumia, F. . The optically pumped difluoromethane far-infrared laser. Reviews of Infrared and Millimeter Waves. 2, 223-250 (1983).
- Deroche, J. C., Benichou, E. K., Guelachvili, G., Demaison, J. Assignments of submillimeter emissions in difluoromethane pumped by 12C18O2 and 12C18O2 lasers. Int. J. Infrared Millim. Waves. 7 (10), 1653-1675 (1986).
- Jackson, M., Zink, L. R., McCarthy, M. C., Perez, L., Brown, J. M. The far-infrared and microwave spectra of the CH radical in the v = 1 level of the X2Π. J. Mol. Spectrosc. 247 (2), 128-139 (2008).
- Zhao, S., Lees, R. M. CH318OH: Assignment of FIR laser lines optically pumped in the in-plane CH3-rocking band. J. Mol. Spectrosc. 168 (1), 67-81 (1994).
- Evenson, K. M., Saykally, R. J., Jennings, D. A., Curl, R. F., Brown, J. M. Far infrared laser magnetic resonance. Chemical and Biochemical Applications of Lasers. 5, 95-138 (1980).
- Hocker, L. O., Sokoloff, D. R., Daneu, V., Szoke, A., Javan, A. Frequency mixing in the infrared and far-infrared using a metal-to-metal point contact diode. Appl. Phys. Lett. 12 (12), 401-402 (1968).
- Daneu, V., Sokoloff, D., Sanchez, A., Javan, A. Extension of laser harmonic-frequency mixing techniques into the 9 μ region with an infrared metal-metal point-contact diode. Appl. Phys. Lett. 15 (12), 398-400 (1969).
- Jennings, D. A., Evenson, K. M., Knight, D. J. E. Optical Frequency Measurements. Proc. IEEE. 74 (1), 168-179 (1986).
- Zink, L. R. . Highly accurate molecular constants for CO, HF, HCl, OH, NaH, MgH, and O2: Rotational transition frequencies measured with tunable far infrared radiation [thesis]. , (1986).
- Xu, L. -. H., et al. Methanol and the optically pumped far-infrared laser. IEEE J. Quantum Elect. 32 (3), 392-399 (1996).
- Jackson, M., Zink, L. R., Garrod, T. J., Petersen, S., Stokes, A., Theisen, M. The generation and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions. IEEE J. Quantum Elect. 41 (12), 1528-1532 (2005).
- Jackson, M., Smith, M., Gerke, C., Barajas, J. M. Measurement of far-infrared laser frequencies from methanol isotopologues. IEEE J. Quantum Elect. 51 (4), 1500105 (2015).
- Freed, C., Javan, A. Standing-wave saturation resonances in the CO2 10.6 μ transitions observed in a low-pressure room-temperature absorber gas. Appl. Phys. Lett. 17 (2), 53-56 (1970).
- DeShano, B., Olivier, K., Cain, B., Zink, L. R., Jackson, M. Using guide wavelengths to assess far-infrared laser emissions. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 36 (1), 13-30 (2015).
- Jackson, M., Nichols, A. J., Womack, D. R., Zink, L. R. First laser action observed from optically pumped CH317OH. IEEE J. Quantum Elect. 48 (3), 303-306 (2012).
- Inguscio, M., Moruzzi, G., Evenson, K. M., Jennings, D. A. A review of frequency measurements of optically pumped lasers from 0.1 to 8 THz. J. Appl. Phys. 60 (12), R161-R191 (1986).
- Pereira, D., et al. A review of optically pumped far-infrared laser lines from methanol isotopes. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (1), 1-44 (1994).
- Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C. Far infrared laser lines produced by methanol and its isotopic species: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (5), 889-933 (1994).
- Moruzzi, G., Winnewisser, B. P., Winnewisser, M., Mukhopadhyay, I., Strumia, F. . Microwave, Infrared and Laser Transitions of Methanol: Atlas of Assigned Lines from 0 to 1258 cm-1. , (1995).
- Weber, M. J. . Handbook of Laser Wavelengths. , (1999).
- De Michele, A., et al. FIR laser lines from CH3OD: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 25 (5), 725-734 (2004).
- De Michele, A., Carelli, G., Moruzzi, G., Moretti, A. Hydrazine far-infrared laser lines and assignments: a review. J. Opt. Soc. Am. B. 22 (7), 1461-1470 (2005).
- Moraes, J. C. S., et al. Experimental investigation of 13CD3OH infrared transitions by means of optoacoustic spectroscopy. Int. J. Infrared Millim. Waves. 13 (11), 1801-1823 (1992).
- Viscovini, R. C., Scalabrin, A., Pereira, D. Infrared optoacoustic spectroscopy of 13CD3OD around the 10R and 10P CO2 laser lines. Int. J. Infrared Millim. Waves. 17 (11), 1821-1838 (1996).
- Maki, A. G., Chou, C. C., Evenson, K. M., Zink, L. R., Shy, J. T. Improved molecular constants and frequencies for the CO2 laser from new high-J regular and hot-band frequency measurements. J. Mol. Spectrosc. 167 (1), 211-224 (1994).
- Douglas, N. G., Krug, P. A. CW laser action in ethyl chloride. IEEE J. Quantum Elect. 18 (10), 1409-1410 (1982).
- Schwaller, P., Steffen, H., Moser, J. F., Kneubühl, F. K. Interferometry of resonator modes in submillimeter wave lasers. Appl. Opt. 6 (5), 827-829 (1967).
- Steffen, H., Kneubühl, F. K. Resonator interferometry of pulsed submillimeter-wave lasers. IEEE J. Quantum Elect. 4 (12), 992-1008 (1968).
- Whitbourn, L. B., Macfarlane, J. C., Stimson, P. A., James, B. W., Falconer, I. S. An experimental study of a cw optically pumped far infrared formic acid vapour laser. Infrared Phys. 28 (1), 7-20 (1988).
- Belland, P., Véron, D., Whitbourn, L. B. Mode study, beam characteristics and output power of a cw 337 μm HCN waveguide laser. J. Phys. D: Appl. Phys. 8 (18), 2113-2122 (1975).
- Inguscio, M., Ioli, N., Moretti, A., Strumia, F., D’Amato, F. Heterodyne of optically pumped FIR molecular lasers and direct frequency measurement of new lines. Appl. Phys. B. 40 (3), 165-169 (1986).
- Carelli, G., et al. CH318OH: FIR laser line frequency measurements and assignments. Infrared Phys. Technol. 35 (6), 743-755 (1994).
- Pearson, J. C., Müller, H. S. P., Pickett, H. M., Cohen, E. A., Drouin, B. J. Introduction to submillimeter, millimeter and microwave spectral line catalog. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 111 (11), 1614-1616 (2010).
- Ehasz, E. J., Goyette, T. M., Giles, R. H., Nixon, W. E. High-resolution frequency measurements of far-infrared laser lines. IEEE J. Quantum Elect. 46 (4), 474-477 (2010).
- Pearson, J. C., Drouin, B. J., Yu, S., Gupta, H. Microwave spectroscopy of methanol between 2.48 and 2.77 THz. J. Opt. Soc. Am. B. 28 (10), 2549-2577 (2011).
- Consolino, L., et al. Phase-locking to a free-space terahertz comb for metrological-grade terahertz lasers. Nat. Commun. 3, Article No. 1040 (2012).
- Bartalini, S., et al. Frequency-comb-assisted terahertz quantum cascade laser spectroscopy. Phys. Rev. X. 4 (2), 021006 (2014).
- Finneran, I. A., Good, J. T., Holland, D. B., Carroll, P. B., Allodi, M. A., Blake, G. A. Decade-spanning high-precision terahertz frequency comb. Phys. Rev. Lett. 114 (16), Article No. 163902 (2015).
- De Natale, P., et al. Quantum cascade laser THz metrology. Proc. SPIE.. , 93701D (2015).
- Dickinson, J. C., Goyette, T. M., Waldman, J. . High resolution imaging using 325 GHz and 1.5 THz transceivers. , 373-380 (2004).
- Vasconcellos, E. C. C., Zerbetto, S. C., Holecek, J. C., Evenson, K. M. Short-wavelength far-infrared laser cavity yielding new lines in methanol. Opt. Lett. 20 (12), 1392-1393 (1995).
