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.
Generering og påfølgende måling av langt infrarød stråling har funnet en rekke programmer i høyoppløselig spektroskopi, radio astronomi, og Terahertz bildebehandling. For omtrent 45 år har dannelsen av sammenhengende, langbølget infrarød stråling er oppnådd ved anvendelse av det optisk pumpede molekylær laser. Når langt infrarød laserstråling blir detektert, blir de frekvenser av disse laser utslipp målt ved anvendelse av en tre-laser heterodyne teknikk. Med denne teknikken er det kjent frekvens fra det optisk pumpet laser molekyl blandet med differansefrekvensen mellom to stabiliserte, infrarøde referansefrekvenser. Disse referansefrekvenser blir generert av uavhengige karbondioksid lasere som hver stabilisert ved hjelp av fluorescens-signalet fra en ytre, lavtrykks-referansecelle. Den resulterende takten mellom de kjente og ukjente laserfrekvensene er overvåket av en metall-isolator-metall-punkts kontakt diodedetektor hvis utgang er observert på et spectrum analysator. Beat frekvens mellom disse laser utslippene blir deretter målt, og kombinert med de kjente referansefrekvenser for å ekstrapolere den ukjente langt infrarød laserfrekvensen. Den resulterende ett-sigma fraksjonert usikkerhet for laser frekvenser måles med denne teknikken er ± 5 deler i 10 7. Nøyaktig å bestemme frekvensen av langbølget infrarød laser-utslipp er kritisk fordi de ofte er brukt som en referanse for andre målinger, som i høy -Oppløsning spektroskopiske undersøkelser av frie radikaler ved hjelp av laser magnetisk resonans. Som en del av denne undersøkelsen, difluormetan, CH2F 2, ble anvendt som den fjerne infrarød laser-medium. I alt ble åtte langt infrarød laser frekvenser målt for første gang med frekvenser som spenner 0,359 til 1,273 THz. Tre av disse laser utslippene ble oppdaget i løpet av denne undersøkelsen og er angitt med sitt optimale driftstrykk, polarisasjon med hensyn til CO 2 </sub> pumpelaser og styrke.
Målingen av langt infrarød laser frekvenser ble urfremført av Hocker og medarbeidere i 1967. De målte frekvensene for 311 og 337 mikrometer utslipp fra direkte utslipp hydrogencyanid laser ved å blande dem med høyere ordens harmoniske av en mikrobølgeovn signal i en silisiumdiode 1. For å måle høyere frekvenser, ble en kjede av lasere og harmoniske blande enheter brukes til å generere laser harmoniske 2. Til slutt to stabilisert karbondioksid (CO 2) lasere ble valgt til å syntetisere den nødvendige forskjellen frekvenser 3,4. Dag, kan langt infrarød laser frekvenser opp til 4 THz måles med denne teknikken ved å bruke kun den første harmoniske av differansefrekvensen som genereres av to stabilisert CO 2 referanse lasere. Høyere frekvens laser-utslipp kan også måles ved hjelp av den andre harmoniske, slik som 9 THz laser utslipp fra metanol isotopologues CHD 2 OH og CH 3 </sub> 18 OH. 5,6 Gjennom årene har nøyaktig måling av laser frekvenser påvirket en rekke vitenskapelige eksperimenter 7,8 og tillatt vedtakelsen av en ny definisjon av måleren av Generalkonferansen for mål og vekt i Paris i 1983. 9 – 11
Heterodyn-teknikker, slik som de som er beskrevet, har vært uhyre fordelaktig ved måling av langt infrarød laser frekvenser som genereres av optisk pumpet molekyl lasere. Siden oppdagelsen av den optisk pumpet molekylære laser ved Chang og Bridges 12, tusenvis av optisk pumpet langt infrarød laser utslippene har blitt generert med en rekke laser medier. For eksempel difluoromethane (CH2F 2) og dets isotopologues generere over 250 laser utslipp når optisk pumpet av en CO 2 laser. Deres bølgelengder varierer fra ca 95,6 til 1714,1 mikrometer 13. – </sopp> 15 Nesten 75% av disse laser utslippene har hatt sine frekvenser målt mens flere har blitt spektroskopisk tildelt 16 – 18.
Disse lasere, og deres nøyaktig målte frekvenser, har spilt en avgjørende rolle i å fremme høy oppløsning spektroskopi. De gir viktig informasjon for infrarøde spektrale studier av lasergasser. Ofte disse laser frekvensene brukes til å verifisere analyse av infrarød og langt infrarød spek fordi de gir forbindelser mellom den opphissede vibrasjons statlige nivåer som er ofte direkte utilgjengelig fra absorpsjonsspektra 19. De kan også brukes som den primære strålingskilde for studier som undersøker transiente kort levetid frie radikaler med lasers magnetisk resonansteknikk 20. Med denne ekstremt følsom teknikk, rotasjons og vibrasjons Zeeman ro-spektra i paramagnetiske atomer, molekyler og ioner kan være molekylære recorded og analysert sammen med evnen til å undersøke reaksjonshastigheter brukes til å lage disse frie radikaler.
I dette arbeidet, en optisk pumpet laser molekyl, vist i figur 1, er blitt brukt til å generere langt infrarød laserstråling fra difluormetan. Dette systemet består av en kontinuerlig bølge (cw) CO to pumpelaser og et langt infrarød laserhulrom. Et speil internt i den langbølget infrarød laserhulrom omdirigerer CO to laserstrålingen nedover polert kobberrøret, gjennomgår tjueseks refleksjoner før terminering ved enden av hulrommet, spredning eventuelle gjenværende pumpestråling. Derfor er langt infrarød laser medium er begeistret ved hjelp av en tverrgående pumping geometri. For å generere laser handling, er flere variabler justeres, noen samtidig, og alle senere blir optimalisert når laserstråler er observert.
I dette eksperimentet er langt infrarød laserstråling overvåkes av en metall-Insulator-metal (MIM) punkts kontakt diode detektor. Den MIM diodedetektoren har vært brukt for laserfrekvensmålinger siden 1969. 21 – 23 På laserfrekvensmålinger, er den MIM diodedetektoren en harmonisk blander mellom to eller flere strålingskilder er innfallende på diode. Den MIM diode detektoren består av en skjerpet Wolfram ledning kontakter en optisk polert nikkel basen 24. Den nikkelbasis har en naturlig forekommende tynt oksydlag som er det isolerende laget.
Når en laseremisjons ble detektert, ble dens bølgelengde, polarisering, styrke og optimalisert driftstrykk registreres mens frekvensen ble målt ved bruk av tre-laser heterodyne teknikk 25-27 følge den metode som opprinnelig er beskrevet i Ref. 4. Figur 2 viser det optisk pumpet laser molekyl med to ekstra cw CO 2 lasere som har uavhengige referansefrekvens stabilization systemer som benytter Lammet dukkert i 4,3 mikrometer fluorescens signal fra en ekstern, lavtrykk referansecelle 28. Dette manuskriptet skisserer fremgangsmåten som brukes for å søke etter langt infrarød laser-utslipp, så vel som fremgangsmåte for å estimere deres bølgelengde og i nøyaktig bestemmelse av deres frekvens. Nærmere om de tre-laser heterodyn teknikk samt de ulike komponenter og driftsparametere i systemet kan bli funnet i Opplysning tabell A sammen med referanser 4, 25-27, 29 og 30.
Det er flere viktige skritt i protokollen som krever litt ekstra omtale. Ved måling av langbølget infrarød laser-bølgelengde, som beskrevet i trinn 2.5.3, er det viktig å sikre at den samme modusen av den fjerne infrarød laseremisjons blir brukt. Flere moduser av et langbølget infrarød laser-bølgelengde (dvs. TEM 00, TEM 01, etc.) kan genereres innenfor laserhulrommet, og derfor er det viktig å identifisere den aktuelle tilstøtende hulromsmodi som brukes til å måle bølgelengd…
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 | ||
Other | Other materials include magnetic bases, base plates, base clamps, XYZ translation stage, etc. |