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Engineering

Caracterización de Emisiones láser infrarrojo lejano y la medición de sus frecuencias

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 generación y la posterior medición de la radiación de infrarrojo lejano ha encontrado numerosas aplicaciones en alta resolución de la espectroscopia, la radioastronomía y las imágenes Terahertz. Durante unos 45 años, la generación de radiación coherente, de infrarrojo lejano se ha logrado usando el láser bombeado ópticamente molecular. Una vez que se detecta la radiación láser de infrarrojo lejano, las frecuencias de estas emisiones láser se miden utilizando una técnica heterodina de tres láser. Con esta técnica, la frecuencia desconocido del láser bombeado ópticamente molecular se mezcla con la diferencia de frecuencia entre dos frecuencias de referencia, infrarrojos estabilizadas. Estas frecuencias de referencia son generados por los láseres de dióxido de carbono independientes, cada uno estabilizado utilizando la señal de fluorescencia de una, célula de referencia de baja presión externa. El ritmo resultante entre las frecuencias de láser conocidos y desconocidos se controla mediante un punto de contacto detector de diodo metal-aislante-metal cuya salida se observa en un specanalizador trum. La frecuencia de batido entre estas emisiones láser se mide y se combina con las frecuencias de referencia conocidos para extrapolar la frecuencia del láser de infrarrojo lejano desconocido posteriormente. El sigma-incertidumbre fraccionada resultante para frecuencias láser medido con esta técnica es de ± 5 partes en 10 7. Determinar con precisión la frecuencia de las emisiones de láser de infrarrojo lejano es crítico ya que se utilizan a menudo como una referencia para otras mediciones, como en el alto investigaciones espectroscópicas -Resolución de radicales libres utilizando resonancia magnética láser. Como parte de esta investigación, difluorometano, CH 2 F 2, fue utilizado como el medio de láser infrarrojo lejano. En total, se midieron ocho frecuencias láser de infrarrojo lejano para la primera vez con frecuencias que van desde 0,359 a 1.273 THz. Tres de estas emisiones láser fueron descubiertos durante esta investigación y se reportan con su presión óptima de funcionamiento, la polarización con respecto a las emisiones de CO 2 </sub> bombear láser, y la fuerza.

Introduction

La medición de frecuencias láser infrarrojo lejano se realizó por primera vez por Hocker y compañeros de trabajo en 1967. Se midió las frecuencias para los 311 y 337 m de las emisiones de la descarga directa de láser cianuro de hidrógeno mezclándolos con altos armónicos de orden de una señal de microondas en un diodo de silicio 1. Para medir las frecuencias más altas, una cadena de láser y dispositivos de mezcla de armónicos se utiliza para generar los armónicos láser 2. Eventualmente de dos estabilizada de dióxido de carbono (CO 2) láseres fueron elegidos para sintetizar la diferencia necesaria frecuencias de 3,4. Hoy en día, las frecuencias de láser de infrarrojo lejano hasta 4 THz se puede medir con esta técnica utilizando sólo la primera armónica de la frecuencia diferencia generado por dos estabilizado láseres de CO2 de referencia. Emisiones láser de frecuencia más altas también se pueden medir utilizando el segundo armónico, tales como las emisiones de láser 9 THz de la isotopólogos metanol CHD 2 OH y CH 3 </sub> 18 OH. 5,6 Con los años, la medición precisa de frecuencias láser ha impactado una serie de experimentos científicos 7,8 y permitido la adopción de una nueva definición del metro por la Conferencia General de Pesos y Medidas de París en 1983. 9-11

Heterodino técnicas, tales como los descritos, han sido muy beneficioso en la medición de las frecuencias de láser de infrarrojo lejano generados por los láseres bombeados ópticamente moleculares. Desde el descubrimiento del láser molecular bombeado ópticamente por Chang y los puentes 12, miles de bombeo óptico emisiones láser de infrarrojo lejano se han generado con una variedad de medios de comunicación por láser. Por ejemplo, difluorometano (CH 2 F 2) y sus isotopólogos generan más de 250 emisiones láser cuando se bombea ópticamente por un láser de CO 2. Sus longitudes de onda van desde aproximadamente 95.6 a 13 micras 1714,1. – </shasta> 15 Casi el 75% de estas emisiones láser han tenido midieron sus frecuencias, mientras que varios han sido espectroscópicamente asignado 16 – 18.

Estos láseres y sus frecuencias medidas con precisión, han jugado un papel crucial en el avance de la espectroscopia de alta resolución. Proporcionan información importante para los estudios espectrales de infrarrojos de los gases de láser. A menudo, estas frecuencias láser se utilizan para verificar el análisis de los espectros de infrarrojo y de infrarrojo lejano, ya que proporcionan conexiones entre los niveles estatales vibracionales excitados que a menudo son directamente inaccesibles desde espectros de absorción 19. También sirven como fuente de radiación principal de los estudios que investigan transitorios, los radicales libres de corta duración con la técnica de resonancia magnética láser 20. Con esta técnica extremadamente sensibles, los espectros de Zeeman de rotación y ro-vibracional en los átomos paramagnéticos, moléculas, iones moleculares y puede ser recorded y analizado junto con la capacidad para investigar las velocidades de reacción utilizados para crear estos radicales libres.

En este trabajo, un láser bombeado ópticamente molecular, que se muestra en la Figura 1, se ha utilizado para generar la radiación láser de infrarrojo lejano de difluorometano. Este sistema consiste en una onda continua (cw) CO 2 láser de bombeo y una cavidad láser de infrarrojo lejano. Un espejo interno a la cavidad del láser de infrarrojo lejano redirige la radiación láser CO 2 hacia abajo el tubo de cobre pulido, de someterse a veintiséis reflexiones antes de terminar en el extremo de la cavidad, dispersando cualquier radiación de bombeo restante. Por lo tanto el medio de láser infrarrojo lejano se excita mediante una geometría de bombeo transversal. Para generar la acción del láser, varias variables se ajustan, algunos de forma simultánea, y todos están optimizados posteriormente una vez que se observa la radiación láser.

En este experimento, la radiación láser de infrarrojo lejano es monitoreado por un metal insu-lador de metal (MIM) el servicio del detector de diodo. El detector de diodo MIM ha sido utilizado para las mediciones de frecuencia del láser desde 1969. 21-23 En mediciones de frecuencia láser, el detector de diodo MIM es un mezclador armónico entre dos o más fuentes de radiación incidente sobre el diodo. El detector de diodo MIM consiste en un alambre de tungsteno afilado en contacto con una base ópticamente níquel pulido 24. La base de níquel tiene una delgada capa de óxido natural que es la capa aislante.

Una vez que se detecta una emisión de láser, su longitud de onda, la polarización, la fuerza y la presión de funcionamiento optimizado se registraron mientras que su frecuencia se midió utilizando la técnica heterodina de tres láser 25 – 27 siguiendo el método descrito originalmente en la Ref. 4. La Figura 2 muestra el láser bombeado ópticamente molecular con dos cw láseres de CO2 de referencia adicionales que tiene sta independiente de la frecuenciasistemas estabiliza- que utilizan el chapuzón Cordero en la señal de fluorescencia de 4,3 micras de una celda de referencia externa, baja presión 28. Este manuscrito describe el proceso utilizado para buscar emisiones láser de infrarrojo lejano, así como el método para estimar su longitud de onda y en la determinación con precisión su frecuencia. Dan detalles sobre la técnica heterodina de tres láser, así como los diversos componentes y los parámetros de funcionamiento del sistema se pueden encontrar en la Tabla Suplementaria A, junto con las referencias 4, 25-27, 29, y 30.

Protocol

1. Planificación de Experimentos Llevar a cabo una revisión de la literatura para evaluar el trabajo previo realizado utilizando el medio de láser de interés, que para este experimento es CH 2 F 2. Identificar todas las emisiones láser conocidos, junto con toda la información acerca de las líneas como su longitud de onda y frecuencia. Varias encuestas de emisiones láser conocidos están disponibles 13,31 – 37. Compilar todas las investig…

Representative Results

Como se ha mencionado, la frecuencia informado para una emisión de láser infrarrojo lejano es un promedio de al menos doce mediciones realizadas con al menos dos conjuntos diferentes de CO líneas de láser 2 de referencia. La Tabla 2 resume los datos registrados para la emisión 235,5 micras de láser cuando se utiliza el 9 P 04 CO 2 láser de bombeo. Por esta emisión láser de infrarrojo lejano, se registraron catorce mediciones individuales de la frecuencia de batido…

Discussion

Hay varios pasos críticos en el protocolo que requiere alguna discusión adicional. Cuando se mide la longitud de onda de láser de infrarrojo lejano, como se indica en el paso 2.5.3, es importante para garantizar el mismo modo de la emisión láser de infrarrojo lejano se está utilizando. Múltiples modos de una longitud de onda de láser de infrarrojo lejano (es decir, TEM 00, TEM 01, etc.) pueden ser generados dentro de la cavidad láser y por lo tanto es importante identificar los mo…

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.
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References

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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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