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.
De generatie en de daaropvolgende meting van ver-infrarode straling heeft tal van toepassingen in hoge-resolutie spectroscopie, radioastronomie, en Terahertz imaging gevonden. Voor ongeveer 45 jaar, heeft het genereren van coherent, ver-infrarode straling bewerkstelligd met de optisch gepompte moleculaire laser. Zodra ver-infrarode laserstraling wordt gedetecteerd, worden de frequenties van deze laser, gemeten met een drie-laser heterodyne techniek. Met deze techniek, de onbekende frequentie van de optisch gepompte laser molecuulgewicht wordt gemengd met de verschilfrequentie tussen twee gestabiliseerde, infrarood referentiefrekwenties. Deze referentiefrequenties worden gegenereerd door onafhankelijke kooldioxidelasers elk gestabiliseerd met het fluorescentiesignaal uit een externe lagedruk referentiecel. De resulterende ritme tussen de bekende en onbekende laserfrequenties wordt bewaakt door een metaal-isolator-metaal punt contact diode detector waarvan de uitgang is waargenomen op plukjeTrum analyzer. De slagfrequentie tussen deze laseremissies wordt vervolgens gemeten en gecombineerd met de bekende referentiefrekwenties de onbekende verre-infrarode laser frequentie extrapoleren. De resulterende één sigma fractionele onzekerheid voor laserfrequenties gemeten met deze techniek is ± 5 delen 10 7. Nauwkeurig bepalen van de frequentie van verre-infrarode laser emissie is kritiek omdat ze vaak worden gebruikt als referentie voor andere metingen, zoals in high -Resolutie spectroscopische onderzoeken van vrije radicalen met behulp van laser magnetische resonantie. Als onderdeel van dit onderzoek, difluormethaan, CH2F 2, werd gebruikt als het verre-infrarode laser medium. In totaal werden acht ver-infrarood laser frequenties gemeten voor de eerste keer met frequenties variërend 0,359-1,273 THz. Drie van deze laseremissies werden ontdekt bij het onderzoek en worden gemeld bij hun optimale werkdruk, polarisatie ten opzichte van de CO 2 </sub> pomplaser en sterkte.
De meting van ver-infrarood laser frequenties werd voor het eerst uitgevoerd door Hocker en collega's in 1967. Zij gemeten de frequenties voor de 311 en 337 micrometer emissies van de directe lozing waterstofcyanide laser door ze te mengen met een hoge orde harmonischen van een magnetron signaal in een silicium diode 1. Om hogere frequenties te meten, werd een reeks van lasers en harmonische menginrichtingen gebruikt om de laser 2 harmonischen genereren. Uiteindelijk twee gestabiliseerde kooldioxide (CO 2) lasers gekozen synthetiseren noodzakelijke verschilfrequenties 3,4. Tegenwoordig kunnen ver-infrarode laser frequenties tot 4 THz gemeten worden met deze techniek met alleen de eerste harmonische van de verschilfrequentie opgewekt door twee gestabiliseerde CO2 lasers referentie. Hogere emissies frequentie laser kan ook worden gemeten met de tweede harmonische, zoals 9 THz laseremissies van methanol isotopologen CHD 2 OH en CH3 </sub> 18 OH. 5,6 Door de jaren heen, de nauwkeurige meting van de laser frequenties heeft een aantal wetenschappelijke experimenten 7,8 beïnvloed en mogen de invoering van een nieuwe definitie van de meter door de Algemene Conferentie voor maten en gewichten in Parijs 1983. 9 – 11
Heterodyne technieken, zoals beschreven, hebben enorm gunstig bij het meten van verre-infrarode laser frequenties gegenereerd door optisch gepompte lasers moleculaire geweest. Sinds de ontdekking van de moleculaire optisch gepompte laser door Chang en bruggen 12, duizenden optisch gepompte verre-infrarode laser emissie werden gemaakt met verschillende lasermedia. Bijvoorbeeld, difluormethaan (CH 2 F 2) en de isotopologen genereren dan 250 laseremissies als optisch gepompt door een CO2 laser. De golflengten variëren van ongeveer 95,6 urn om 1.714,1 13. – </sup> 15 Bijna 75% van deze laser-uitstoot hebben hun frequenties gemeten terwijl een aantal zijn spectroscopisch toegewezen 16-18.
Deze lasers, en hun nauwkeurig gemeten frequenties, hebben een cruciale rol gespeeld in de vooruitgang van de hoge-resolutie spectroscopie. Ze bieden belangrijke informatie voor infrarode spectrale studies van de laser gassen. Vaak laserfrequenties gebruikt om de analyse van de nabije en verre infrarood spectra geverifieerd omdat zij verbindingen tussen de aangeslagen vibratiestaat niveaus die vaak rechtstreeks toegankelijk vanuit absorptiespectra 19. Ze dienen ook als de bron primaire straling voor studies die van voorbijgaande aard, van korte duur vrije radicalen met de laser magnetische resonantie techniek 20. Met deze uiterst gevoelige techniek, rotatie en ro-vibratie Zeeman spectra in paramagnetische atomen, moleculen en moleculaire ionen kunnen worden recorded en samen met de mogelijkheid om de reactiesnelheden gebruikt om deze vrije radicalen te creëren onderzoeken geanalyseerd.
In dit werk, een optisch gepompte laser moleculaire zie figuur 1, is gebruikt om verre-infrarode laser straling uit difluormethaan genereren. Dit systeem bestaat uit een continue golf (cw) CO 2 pomplaser en een ver-infrarood laser holte. Een spiegel intern in de verre-infrarode laser holte leidt de CO 2 laserstraling door het gepolijste koperen buis 20 6 reflecties ondergaat alvorens eindigt aan het einde van de holte, verstrooiing resterende pompstraling. Daarom is het ver-infrarood lasermedium wordt aangeslagen met een dwarse pompen geometrie. Om laserwerking te genereren, worden meerdere variabelen aangepast, wat tegelijk, en al vervolgens geoptimaliseerd eenmaal laserstraling waargenomen.
In dit experiment wordt ver-infrarode laserstraling gevolgd door een metaal-insulator-metaal (MIM) punt contact diode detector. De MIM diode detector werd gebruikt voor laser frequentiemetingen sinds 1969. 21 – 23 In laser frequentiemetingen, het MIM diode detector een harmonisch menger tussen twee of meer stralingsbronnen invallend op de diode. De MIM diode detector bestaat uit een scherp Tungsten draad contact een optisch gepolijst Nikkel basis 24. De nikkel basis heeft een natuurlijk voorkomend dunne oxidelaag die de isolerende laag.
Zodra een laser emissie werd waargenomen, zijn golflengte, polarisatie, sterkte en geoptimaliseerde werkdruk werden opgenomen terwijl de frequentie werd gemeten met de drie heterodyne laser techniek 25 – 27 volgens de werkwijze die oorspronkelijk beschreven in Ref. 4. Figuur 2 toont de optisch gepompte moleculaire laser met twee extra cw CO 2 verwijzing lasers met onafhankelijke frequentie stabilization systemen die het Lam duik in de 4.3 micrometer fluorescentie-signaal te gebruiken van een externe, lage druk celverwijzing 28. Dit manuscript beschrijft de werkwijze voor het zoeken naar verre-infrarode laser emissie alsook de methode voor het schatten van de golflengte en het nauwkeurig bepalen van de frequentie. Bijzonderheden over de drie heterodyne laser-techniek en de verschillende componenten en de bedrijfsparameters van het systeem is te vinden in tabel A brief tezamen met referenties 4, 25-27, 29 en 30.
Er zijn verschillende kritische stappen in het protocol dat wat extra overleg nodig. Bij het meten van het verre-infrarode laser golflengte, zoals in stap 2.5.3, is het belangrijk om dezelfde modus van het verre-infrarode laser emissie wordt gebruikt waarborgen. Meerdere vormen van een verre-infrarode laser golflengte (bijv TEM 00, TEM 01, etc.) kan worden opgewekt binnen de laserholte en dus is het belangrijk om de juiste identificatie aangrenzende holte modi worden gebruikt om de golflen…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported in part by the Washington Space Grant Consortium under Award NNX10AK64H.
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 | ||
その他 | Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc. |