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Engenharia

Caractérisation des émissions laser infrarouge lointain et la mesure de leurs fréquences

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

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Planification d'expériences Mener une enquête de la littérature pour évaluer le travail préalable effectué en utilisant le moyen de laser d'intérêt, qui, pour cette expérience est CH 2 F 2. Identifier toutes les émissions de laser connues ainsi que toutes les informations sur les lignes telles que leur longueur d'onde et la fréquence. Plusieurs enquêtes d'émissions de laser connues sont disponibles 13,31 – 37. Com…

Representative Results

Comme mentionné, la fréquence rapportée pour une émission laser dans l'infrarouge lointain est une moyenne d'au moins douze mesures effectuées avec au moins deux ensembles différents de lignes laser de référence 2 CO. Le tableau 2 présente les données enregistrées pour l'émission 235,5 um de laser pour l'utilisation de la 9 P 04 CO 2 pompe laser. Pour cette émission laser dans l'infrarouge lointain, quatorze mesures individuelles de la fré…

Discussion

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…

Declarações

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
Outro Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc.
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Referências

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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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