A caracterização das emissões laser Far-infrared e da medição de suas frequências

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

A geração e subsequente medição da radiação infravermelho distante tem encontrado inúmeras aplicações em espectroscopia de alta resolução, a radioastronomia, e Terahertz imagem. Para cerca de 45 anos, a geração de radiação coerente, longe do infravermelho foi realizada utilizando o laser bombeado opticamente molecular. Uma vez que a radiação laser infravermelho distante é detectado, as frequências destas emissões laser são medidos usando uma técnica heterodyne três laser. Com esta técnica, a frequência desconhecida do laser molecular de bombeamento óptico é misturado com a frequência diferença entre duas freqüências de referência, infravermelho estabilizados. Estas frequências de referência são gerados por lasers de dióxido de carbono independentes, cada estabilizado usando o sinal de fluorescência a partir de uma célula de referência externo, a baixa pressão. A batida resultante entre as freqüências de laser conhecidos e desconhecidos é monitorado por um ponto de contato detector de diodo metal-isolante-metal de cuja produção é observado em uma especificaçãoanalisador trum. A frequência de batimento entre essas emissões laser é posteriormente medidos e combinados com as frequências de referência conhecidos para extrapolar o desconhecido frequência do laser infravermelho distante. A incerteza fracionária resultante de um sigma de frequências de laser medidos com esta técnica é de ± 5 partes em 10 ^7. Precisão determina a frequência das emissões de laser infravermelho distante é crítica como eles são muitas vezes utilizados como referência para outras medições, como no alto investigações -resolução espectroscópicos de radicais livres usando ressonância magnética laser. Como parte desta investigação, difluorometano, _{CH2F 2,} foi usado como o meio de laser infravermelho distante. Ao todo, oito freqüências de laser infravermelho distante foram medidos pela primeira vez com freqüências variando 0,359-1,273 THz. Três dessas emissões laser foram descobertos durante este inquérito e são relatados com a sua pressão de funcionamento óptimo, a polarização em relação ao CO ₂ </sub> bombear a laser, e força.

Introduction

A medição de freqüências de laser infravermelho distante foi realizada pela primeira vez por Hocker e colegas de trabalho em 1967. Eles mediram as frequências dos 311 e 337 mm emissões da descarga directa de laser cianeto de hidrogênio, misturando-os com harmônicos de alta ordem de um sinal de microondas em um díodo de silício ^1. Para medir freqüências mais altas, uma cadeia de lasers e dispositivos de mistura harmônica foram usadas para gerar as harmônicas de laser ^2. Eventualmente dois estabilizado dióxido de carbono (CO ₂₎ lasers foram escolhidos para sintetizar a diferença necessária frequências ^3,4. Hoje em dia, as frequências de laser infravermelho distante até 4 THz pode ser medido com esta técnica utilizando apenas a primeira harmónica da frequência diferença gerado pelos dois estabilizado _lasers de CO 2 de referência. Aumento das emissões de laser de frequência, também pode ser medido usando a segunda harmónica, tal como as emissões de laser 9 THz do isotopólogos metanol CHD ₂ OH e CH ₃ </sub> ¹⁸ OH ^5,6 Ao longo dos anos., a medição precisa das frequências de laser tem impactado uma série de experimentos científicos ^7,8 e permitiu a adopção de uma nova definição do metro pela Conferência Geral de Pesos e Medidas em Paris em 1983. ^{9 – 11}

Heteródina técnicas, tais como os descritos, têm sido extremamente benéfica na medição das frequências de laser infravermelho distante gerados por lasers moleculares bombeados opticamente. Desde a descoberta do laser bombeado opticamente molecular por Chang e Pontes ^12, milhares de emissões de laser bombeado opticamente longe do infravermelho foram gerados com uma variedade de meios de laser. Por exemplo, dif luorometano _{(CH2F 2)} e os seus isotopólogos gerar mais de 250 quando as emissões de laser bombeado opticamente por um laser de CO _2. Seus comprimentos de onda variam de cerca de 95,6 uM para 1714,1 ^{13. –} </s^up> 15 Cerca de 75% dessas emissões de laser tiveram suas freqüências medida enquanto vários foram spectroscopically atribuído ^16-18.

Estes lasers, e as suas frequências medidos com precisão, têm desempenhado um papel crucial no avanço da espectroscopia de alta resolução. Eles fornecem informações importantes para estudos espectrais de infravermelhos dos gases laser. Muitas vezes, essas freqüências laser são usados ​​para verificar a análise dos espectros de infravermelho e infravermelho distante, pois fornecem conexões entre os níveis estado vibracional excitado que muitas vezes são inacessíveis diretamente de espectros de absorção ^19. Eles também servem como fonte de radiação primária para estudos que investigam transitórios, radicais livres de curta duração com a técnica de ressonância magnética de laser ^20. Com esta técnica extremamente sensível, espectros Zeeman rotacional e ro-vibracional em átomos paramagnéticos, moléculas e íons moleculares podem ser recorded e analisado, juntamente com a capacidade para investigar as taxas de reacção utilizadas para criar esses radicais livres.

Neste trabalho, um laser bombeado opticamente molecular, mostrado na Figura 1, foi usado para gerar a radiação laser infravermelho distante de difluorometano. Este sistema é composto por uma onda contínua (CW) _laser de CO 2 e uma bomba de cavidade do laser infravermelho distante. Um espelho interno para a cavidade do laser infravermelho distante redirecciona o CO ₂ radiação laser através do tubo de cobre polido, submetendo-se vinte e seis reflexões antes de terminar na extremidade da cavidade, espalhando qualquer radiação bomba restante. Portanto, o meio laser infravermelho distante está animado usando uma geometria de bombeamento transversal. Para gerar a ação do laser, diversas variáveis ​​são ajustadas, alguns em simultâneo, e todos são, posteriormente, uma vez otimizado radiação laser é observado.

Nesta experiência, a radiação laser infravermelho distante é monitorizada por um metal-insulator-de metal (MIM) ponto de contato detector de diodo. O detector de díodo MIM foi usado para medições de frequência de laser desde 1969. ^21-23 Em medições de frequência de laser, o detector de díodo MIM é um misturador harmónica entre duas ou mais fontes de radiação incidente sobre o diodo. O detector de diodo MIM consiste de um fio de tungstênio afiadas entrar em contato com uma base de níquel polido opticamente ^24. A base de níquel tem uma fina camada de óxido que ocorre naturalmente que é a camada isolante.

Uma vez que foi detectada uma emissão de laser, seu comprimento de onda, polarização, força e pressão de operação otimizada foram registrados enquanto sua freqüência foi medida usando a técnica heterodyne de três a laser ^25-27 seguindo o método descrito originalmente em Ref. 4. A Figura 2 mostra o laser bombeado opticamente molecular com dois cw _lasers de CO 2 de referência adicionais STA tendo frequência independentebilização sistemas que utilizam o mergulho Cordeiro no sinal de fluorescência de 4,3 mm a partir de uma célula de referência de baixa pressão externa, ^28. Este manuscrito descreve o processo usado para procurar por emissões de laser infravermelho distante, bem como o método para estimar seu comprimento de onda e em determinar com precisão a sua frequência. Detalhes sobre a técnica heteródino três laser, bem como os vários componentes e parâmetros de operação do sistema pode ser encontrada na Tabela Suplementar A, juntamente com as referências 4, 25-27, 29, e 30.

Protocol

1. Planejamento de Experimentos Realizar um levantamento da literatura para avaliar o trabalho prévio realizado utilizando o meio de laser de interesse, que para este experimento é CH 2 F 2. Identificar todas as emissões de laser conhecidos, juntamente com todas as informações sobre as linhas, como seu comprimento de onda e frequência. Várias pesquisas de emissões laser conhecidos estão disponíveis 13,31 – 37. Compilar todas as investi…

Representative Results

Como mencionado, a frequência descrita uma emissão laser infravermelho distante é uma média de, pelo menos, doze medições realizadas com, pelo menos, dois conjuntos diferentes de CO linhas de laser 2 de referência. A Tabela 2 resume os dados gravados para a emissão de 235,5 pM de laser quando se utiliza o 9 P 04 laser de CO 2 bomba. Para esta emissão de laser infravermelho distante, foram registrados quatorze medições individuais da frequência de batimento. O p…

Discussion

Há vários passos críticos no âmbito do protocolo que é necessário um debate adicional. Quando se mede o comprimento de onda do infravermelho distante, tal como descrito no passo 2.5.3, é importante para assegurar o mesmo modo da emissão do laser de infravermelho distante está a ser utilizado. Vários modos de um comprimento de onda de laser de infravermelho distante (isto é, ₀₀ TEM, TEM _01, etc.) pode ser gerado dentro da cavidade do laser e, assim, é importante identificar os m…

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.