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.
La production et l'évaluation ultérieure du rayonnement infrarouge lointain a trouvé de nombreuses applications en spectroscopie de haute résolution, de la radioastronomie, et l'imagerie térahertz. Pour environ 45 ans, la génération d'un rayonnement cohérent, l'infrarouge lointain a été accomplie en utilisant le laser à pompage optique moléculaire. Une fois que le rayonnement laser dans l'infrarouge lointain est détectée, les fréquences de ces émissions laser sont mesurés en utilisant une technique de laser hétérodyne trois. Avec cette technique, la fréquence inconnue du laser à pompage optique moléculaire est mélangée à la fréquence de différence entre les deux fréquences stabilisées de référence à infrarouge. Ces fréquences de référence sont générés par les lasers à dioxyde de carbone indépendantes, chacune stabilisée en utilisant le signal de fluorescence à partir de, une cellule de référence à basse pression externe. Le battement résultant entre les fréquences connues et inconnues laser est surveillée par un détecteur de diode points de contact métal-isolant-métal dont la sortie est observé sur un specanalyseur spectre. La fréquence de battement entre ces émissions laser est ensuite mesuré et combiné avec les fréquences de référence connus pour extrapoler l'inconnu fréquence du laser dans l'infrarouge lointain. Celui-sigma incertitude fractionnée résultant pour les fréquences laser mesurée avec cette technique est de ± 5 parties en 10 7. Déterminer avec précision la fréquence des émissions de laser infrarouge lointain est essentiel car ils sont souvent utilisés comme référence pour d'autres mesures, comme dans la grande enquêtes -resolution spectroscopiques de radicaux libres utilisant la résonance magnétique laser. Dans le cadre de cette étude, le difluorométhane, CH 2 F 2, a été utilisé comme milieu de laser dans l'infrarouge lointain. En tout, huit fréquences laser infrarouge lointain ont été mesurées pour la première fois avec des fréquences allant de 0,359 à 1,273 THz. Trois de ces émissions laser ont été découverts au cours de cette enquête et sont déclarés à leur pression de fonctionnement optimal, la polarisation à l'égard du CO 2 </sub> pomper laser, et la force.
La mesure des fréquences laser infrarouge lointain a été effectuée par Hocker et ses collègues en 1967. Ils ont mesuré les fréquences pour les émissions de la décharge directe laser de cyanure d'hydrogène 311 et 337 um, en les mélangeant avec des harmoniques d'ordre élevé d'un signal de micro-ondes dans une diode au silicium 1. Pour mesurer des fréquences plus élevées, une chaîne de lasers et de dispositifs de mélange harmoniques ont été utilisés pour générer les harmoniques laser 2. Finalement, deux stabilisée de dioxyde de carbone (CO 2) lasers ont été choisis pour la synthèse de la différence nécessaire fréquences 3,4. Aujourd'hui, les fréquences laser infrarouge lointain jusqu'à 4 THz peut être mesurée par cette technique en utilisant seulement la première harmonique de la fréquence de différence générés par deux lasers stabilisés de CO 2 de référence. Émissions laser de fréquences plus élevées peuvent également être mesurées en utilisant le second harmonique, tel que des émissions laser 9 THz isotopologues du méthanol CHD 2 OH et CH 3 </sub> 18 OH. 5,6 fil des ans, la mesure précise des fréquences laser a touché un certain nombre d'expériences scientifiques 7,8 et permis l'adoption d'une nouvelle définition du mètre par la Conférence générale des poids et mesures à Paris en 1983. 9 – 11
Techniques hétérodynes, tels que ceux décrits, ont été extrêmement bénéfique dans la mesure des fréquences laser infrarouges lointains générés par les lasers moléculaires à pompage optique. Depuis la découverte du laser à pompage optique moléculaire par Chang et 12 ponts, des milliers de pompage optique des émissions laser dans l'infrarouge lointain ont été générés avec une variété de milieux de laser. Par exemple, le difluorométhane (CH 2 F 2) et de ses isotopologues génèrent plus de 250 émissions laser à pompage optique lorsque par un laser CO 2. Leurs longueurs d'onde varient d'environ 95,6 à 1714,1 um 13. – </sjusqu'à> 15 Près de 75% de ces émissions laser ont eu leurs fréquences mesurées alors que plusieurs ont été affectés par spectroscopie 16 – 18.
Ces lasers et leurs fréquences mesurées avec précision, ont joué un rôle crucial dans la promotion de la spectroscopie à haute résolution. Ils fournissent des informations importantes pour les études spectrales infrarouges des gaz laser. Souvent, ces fréquences laser sont utilisés pour vérifier l'analyse des spectres infrarouge et de l'infrarouge lointain, car ils fournissent des liens entre les niveaux de l'Etat excité de vibration qui sont souvent directement inaccessibles à partir des spectres d'absorption 19. Ils servent aussi de la source de rayonnement primaire pour des études portant sur transitoires, les radicaux libres de courte durée avec la technique de résonance magnétique laser 20. Avec cette technique extrêmement sensible, spectres Zeeman de rotation et de vibration en ro-atomes, des molécules paramagnétiques, et des ions moléculaires peut être recorded et analysé avec la capacité d'enquêter sur les taux de réaction utilisées pour créer ces radicaux libres.
Dans ce travail, un laser à pompage optique moléculaire, représenté sur la figure 1, a été utilisé pour générer de l'infrarouge lointain rayonnement laser à partir de difluorométhane. Ce système se compose d'une onde continue (cw) CO 2 laser de pompage et une cavité de laser dans l'infrarouge lointain. Un miroir interne à la cavité de laser dans l'infrarouge lointain redirige le rayonnement laser CO 2 dans le tube de cuivre poli, en cours de vingt-six réflexions avant de se terminer à la fin de la cavité, la dispersion tout en restant rayonnement de pompage. Par conséquent, le milieu laser dans l'infrarouge lointain est excité en utilisant une géométrie de pompage transversal. Pour générer l'effet laser, plusieurs variables sont ajustées, une partie à la fois, et ensuite l'ensemble une fois optimisés rayonnement laser est observée.
Dans cette expérience, le rayonnement laser dans l'infrarouge lointain est surveillée par un métal-insulator-métal (MIM) le point de contact détecteur à diode. Le détecteur à diode MIM a été utilisé pour les mesures de fréquence laser depuis 1969. 21 – 23 Dans les mesures de fréquence laser, le détecteur de diode MIM est un mélangeur harmonique entre deux ou plusieurs sources de rayonnement incidente sur la diode. Le détecteur à diode MIM constituée d'un fil de tungstène affûtée en contact avec une base de Nickel poli optiquement 24. La base de nickel comporte une couche d'oxyde naturel qui est la mince couche isolante.
Une fois qu'une émission laser a été détecté, sa longueur d'onde, la polarisation, la force et la pression de fonctionnement optimisés ont été enregistrés pendant que sa fréquence est mesurée en utilisant la technique du laser hétérodyne trois 25 – 27 suivant le procédé décrit à l'origine dans la réf. 4. La figure 2 montre le laser à pompage optique moléculaire avec deux cw laser CO 2 de référence supplémentaires ayant sta de fréquence indépendantsystèmes de bilisation qui utilisent le plongeon de Lamb dans le signal de fluorescence de 4,3 um à partir d'une cellule, à faible pression externe référence 28. Ce manuscrit décrit le processus utilisé pour rechercher des émissions laser infrarouge lointain ainsi que la méthode d'estimation de leur longueur d'onde et à déterminer avec précision leur fréquence. Des détails concernant la technique de laser hétérodyne à trois, ainsi que les divers composants et paramètres de fonctionnement du système peuvent être trouvés dans le tableau A supplémentaire avec les références 4, 25-27, 29 et 30.
Il ya plusieurs étapes critiques dans le protocole qui exige une discussion supplémentaire. Lors de la mesure la longueur d'onde du laser dans l'infrarouge lointain, tel que décrit dans l'étape 2.5.3, il est important d'assurer le même mode de l'émission laser dans l'infrarouge lointain est utilisé. Plusieurs modes de la longueur d'onde du laser dans l'infrarouge lointain (c.-à-TEM 00 TEM 01, etc.) peuvent être générés à l'intérieur de la c…
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. |