सुदूर इन्फ्रारेड लेजर उत्सर्जन और उनके आवृत्तियों का मापन निस्र्पक
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
पीढ़ी और दूर अवरक्त विकिरण के बाद माप उच्च संकल्प स्पेक्ट्रोस्कोपी, रेडियो खगोल विज्ञान, और Terahertz इमेजिंग में कई आवेदन मिल गया है। लगभग 45 वर्षों के लिए, सुसंगत, दूर अवरक्त विकिरण की पीढ़ी ऑप्टिकली पंप आणविक लेजर का उपयोग कर पूरा कर दिया गया है। दूर अवरक्त लेजर विकिरण का पता चला है, एक बार इन लेजर उत्सर्जन की आवृत्तियों एक तीन लेजर heterodyne तकनीक का उपयोग मापा जाता है। इस तकनीक के साथ, ऑप्टिकली पंप आणविक लेजर से अज्ञात आवृत्ति दो स्थिर, अवरक्त संदर्भ आवृत्तियों के बीच अंतर आवृत्ति के साथ मिलाया जाता है। ये संदर्भ आवृत्तियों स्वतंत्र कार्बन डाइऑक्साइड लेसरों द्वारा उत्पन्न कर रहे हैं, प्रत्येक एक बाहरी, कम दबाव संदर्भ सेल से प्रतिदीप्ति संकेत का उपयोग कर स्थिर हो। ज्ञात और अज्ञात लेजर आवृत्तियों के बीच परिणामस्वरूप हरा जिसका उत्पादन एक कल्पना पर मनाया जाता है एक धातु इन्सुलेटर धातु बिंदु संपर्क डायोड डिटेक्टर द्वारा नजर रखी हैTrum विश्लेषक। इन लेजर उत्सर्जन के बीच हरा आवृत्ति बाद में मापा जाता है और अज्ञात दूर अवरक्त लेजर आवृत्ति एक्सट्रपलेशन के लिए जाना जाता संदर्भ आवृत्तियों के साथ संयुक्त है। इस तकनीक के साथ मापा लेजर आवृत्तियों के लिए जिसके परिणामस्वरूप एक-सिग्मा आंशिक अनिश्चितता सही दूर अवरक्त लेजर उत्सर्जन की आवृत्ति का निर्धारण। 10 7 में ± 5 भागों है कि वे अक्सर अन्य मापन के लिए एक संदर्भ के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं के रूप में उच्च के रूप में महत्वपूर्ण है, लेजर चुंबकीय अनुनाद का उपयोग कर मुक्त कण के संकल्प स्पेक्ट्रोस्कोपी जांच। इस जांच, difluoromethane, सीएच 2 एफ 2 के भाग के रूप में, दूर अवरक्त लेजर माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया गया था। सभी में, आठ दूर अवरक्त लेजर आवृत्तियों 0.359 से 1,273 THz को लेकर आवृत्तियों के साथ पहली बार के लिए मापा गया। इन लेजर उत्सर्जन में से तीन इस जांच के दौरान पता चला रहे थे और सीओ 2 के लिए सम्मान के साथ उनके इष्टतम ऑपरेटिंग दबाव, ध्रुवीकरण के साथ रिपोर्ट कर रहे हैं </sub> लेजर, और शक्ति पंप।
Introduction
दूर अवरक्त लेजर आवृत्तियों की माप पहले Hocker द्वारा प्रदर्शन किया और 1967 में सह कार्यकर्ताओं वे एक माइक्रोवेव संकेत के उच्च आदेश harmonics के साथ उन्हें मिश्रण से प्रत्यक्ष-मुक्ति हाइड्रोजन साइनाइड लेजर से 311 और 337 माइक्रोन उत्सर्जन के लिए आवृत्तियों मापा गया था एक सिलिकॉन डायोड 1 में। उच्च आवृत्तियों मापने के लिए, लेजर और हार्मोनिक मिश्रण उपकरणों की एक श्रृंखला लेजर harmonics 2 उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया गया। आखिरकार दो लेज़रों आवश्यक अंतर 3,4 आवृत्तियों के संश्लेषण के लिए चुने गए हैं (सीओ 2) कार्बन डाइऑक्साइड स्थिर हो। आज, 4 THz अप करने के लिए दूर अवरक्त लेजर आवृत्तियों दो द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति की केवल पहली हार्मोनिक का उपयोग कर इस तकनीक के साथ मापा जा सकता है सीओ 2 संदर्भ लेज़रों स्थिर हो। उच्च आवृत्ति लेजर उत्सर्जन भी ऐसे मेथनॉल आइसोटोपोलोग्स सीएचडी 2 से 9 THz लेजर उत्सर्जन के रूप में, दूसरे हार्मोनिक का उपयोग करके मापा जा सकता है, ओह, और सीएच 3 </sयूबी> 18 ओह। इन वर्षों में 5,6, लेजर आवृत्तियों का सही माप वैज्ञानिक प्रयोगों 7.8 के एक नंबर पर असर पड़ा है और पेरिस में बाट और माप के आम सम्मेलन द्वारा मीटर की एक नई परिभाषा की गोद लेने की इजाजत दे दी है 1983 के 9-11
ऐसे में वर्णित उन लोगों के रूप heterodyne तकनीक, ऑप्टिकली पंप आणविक लेसरों द्वारा उत्पन्न दूर अवरक्त लेजर आवृत्तियों की माप में बेहद फायदेमंद रहा है। चांग और पुल 12 से ऑप्टिकली पंप आणविक लेजर की खोज के बाद से, ऑप्टिकली के हजारों दूर अवरक्त लेजर उत्सर्जन लेजर मीडिया के एक किस्म के साथ उत्पन्न किया गया है पंप। ऑप्टिकली सीओ 2 लेजर द्वारा पंप करते हैं, उदाहरण के लिए, difluoromethane (सीएच 2 एफ 2) और उसके आइसोटोपोलोग्स 250 से अधिक लेजर उत्सर्जन उत्पन्न करते हैं। । उनके तरंग दैर्ध्य लगभग से 95.6 1714.1 माइक्रोन 13 तक होती है – </s18 -> 15 तक इन लेजर उत्सर्जन का लगभग 75% कई स्पैक्ट्रोस्कोप 16 आवंटित किया गया है, जबकि उनके आवृत्तियों मापा पड़ा है।
ये लेजर, और उनके सही मापा आवृत्तियों, उच्च संकल्प स्पेक्ट्रोस्कोपी की उन्नति में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। वे लेजर गैसों की अवरक्त वर्णक्रम के अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करते हैं। अक्सर इन लेजर आवृत्तियों वे अक्सर अवशोषण स्पेक्ट्रा 19 से सीधे दुर्गम हैं कि उत्साहित कंपन राज्य स्तर के बीच कनेक्शन प्रदान क्योंकि अवरक्त और दूर अवरक्त स्पेक्ट्रा के विश्लेषण को सत्यापित करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। उन्होंने यह भी लेजर चुंबकीय अनुनाद तकनीक 20 के साथ क्षणिक, अल्पकालिक मुक्त कण की जांच के अध्ययन के लिए प्राथमिक विकिरण स्रोत के रूप में काम करते हैं। इस बेहद संवेदनशील तकनीक, समचुंबक परमाणु, अणु में बारी-बारी से और RO-कंपन Zeeman स्पेक्ट्रा, और आणविक आयनों हो सकता है आर के साथecorded और इन मुक्त कण बनाने के लिए इस्तेमाल प्रतिक्रिया दरों जांच करने की क्षमता के साथ-साथ विश्लेषण किया।
चित्र 1 में दिखाया इस काम है, एक ऑप्टिकली पंप आणविक लेजर, में, difluoromethane से दूर अवरक्त लेजर विकिरण उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। इस प्रणाली के एक निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) सीओ 2 लेजर पंप और एक दूर अवरक्त लेजर गुहा के होते हैं। दूर अवरक्त लेजर गुहा के लिए आंतरिक एक दर्पण, गुहा के अंत में समाप्त किसी भी शेष पंप विकिरण बिखरने से पहले छब्बीस प्रतिबिंब के दौर से गुजर, पॉलिश तांबे ट्यूब नीचे सीओ 2 लेजर विकिरण पुनर्निर्देश। इसलिए दूर अवरक्त लेजर मध्यम एक अनुप्रस्थ पम्पिंग ज्यामिति का उपयोग उत्साहित है। लेजर कार्रवाई उत्पन्न करने के लिए, कई चर कुछ एक साथ समायोजित कर रहे हैं, और लेजर विकिरण मनाया जाता है एक बार सब बाद में अनुकूलित कर रहे हैं।
इस प्रयोग में, दूर अवरक्त लेजर विकिरण एक धातु insu द्वारा नजर रखी हैlator धातु (एमआईएम) के बिंदु संपर्क डायोड डिटेक्टर। एमआईएम डायोड डिटेक्टर 1969 21 के बाद से लेजर आवृत्ति माप के लिए इस्तेमाल किया गया है – लेजर आवृत्ति माप में 23, एमआईएम डायोड डिटेक्टर डायोड पर दो या दो से अधिक विकिरण स्रोतों घटना के बीच एक हार्मोनिक मिश्रक है। एमआईएम डायोड डिटेक्टर एक ऑप्टिकली पॉलिश निकल आधार 24 से संपर्क एक तेज टंगस्टन तार के होते हैं। निकल आधार इन्सुलेट परत है कि एक स्वाभाविक रूप से पतली परत ऑक्साइड है।
मूल रूप से रेफरी में वर्णित विधि के बाद 27 – एक लेजर उत्सर्जन का पता चला था एक बार इसकी आवृत्ति तीन लेजर heterodyne तकनीक का उपयोग करते हुए 25 मापा गया था, जबकि इसकी तरंग दैर्ध्य, ध्रुवीकरण, शक्ति, और अनुकूलित ऑपरेटिंग दबाव दर्ज किया गया। 4. चित्रा 2 दो अतिरिक्त सीडब्ल्यू सीओ 2 संदर्भ लेज़रों स्वतंत्र आवृत्ति स्टेशन होने के साथ ऑप्टिकली पंप आणविक लेजर शोएक बाहरी, कम दबाव संदर्भ सेल 28 से 4.3 माइक्रोन प्रतिदीप्ति संकेत में मेमने डुबकी उपयोग कि bilization सिस्टम। यह पांडुलिपि दूर अवरक्त लेजर उत्सर्जन के साथ ही उनके तरंगदैर्ध्य के आकलन के लिए और सही ढंग से उनकी आवृत्ति निर्धारित करने में विधि के लिए खोज करने के लिए इस्तेमाल की प्रक्रिया की रूपरेखा। तीन लेजर heterodyne तकनीक के बारे में बारीकियों के साथ ही विभिन्न घटकों और इस प्रणाली के संचालन मानकों को संदर्भ के 4, 25-27, 29, और 30 के साथ पूरक टेबल ए में पाया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
कुछ अतिरिक्त चर्चा की आवश्यकता है कि प्रोटोकॉल के भीतर कई महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। दूर अवरक्त लेजर तरंग दैर्ध्य जब मापने कदम 2.5.3 में उल्लिखित के रूप में, यह प्रयोग किया जा रहा है दूर अवरक्त लेजर उत्सर्ज?…
Disclosures
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
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