Summary

Karakterisera Far-infraröd laser Utsläpp och mätning av deras frekvenser

Published: December 18, 2015
doi:

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

Genereringen och efterföljande mätning av infraröd strålning har ett antal användningsområden i hög upplösning spektroskopi, radioastronomi och Terahertz avbildning. För ungefär 45 år, har generering av sammanhängande, långt infraröd strålning åstadkommits med hjälp av optiskt pumpade molekylär laser. När infraröd laserstrålning detekteras, är frekvensen av dessa laser utsläppen mäts med en tre-laser heterodyn teknik. Med denna teknik är den okänd frekvens från den optiskt pumpade molekyllaser blandat med frekvensskillnaden mellan två stabiliserade, infraröda referensfrekvenser. Dessa referensfrekvenser genereras av oberoende koldioxidlasrar, var och stabiliseras med användning av fluorescenssignalen från en extern, lågtrycksreferenscell. Den erhållna svävningen mellan de kända och okända laserfrekvenser övervakas av en metall-isolator-metall punktkontakt dioddetektor, vars utsignal observeras på en spectrum analysator. Svävningsfrekvensen mellan dessa laser utsläpp värderas därefter och kombineras med de kända referensfrekvenser för att extrapolera den okända infraröd laserfrekvensen. Den resulterande en-sigma fractional osäkerhet för laserfrekvenser mäts med denna teknik är ± 5 delar i 10 7. Exakt bestämma frekvensen av infraröd laser utsläpp är viktigt eftersom de ofta används som referens för andra mätningar, som i hög -resolution spektroskopiska undersökningar av fria radikaler med hjälp av laser magnetisk resonans. Som ett led i denna undersökning, difluormetan, CH2F 2, användes som infraröd lasermediet. Totalt har åtta infraröd laserfrekvenser mätas för första gången med frekvenser som sträcker sig från 0,359 till 1,273 THz. Tre av dessa laser utsläpp upptäcktes under denna undersökning och redovisas med sin optimala arbetstryck, polarisering med avseende på CO2 </sub> pumplasern och styrka.

Introduction

Mätningen av infraröd laserfrekvenser uruppfördes av Hocker och medarbetare i 1967. De mätte frekvenserna för 311 och 337 um utsläpp från direkturladdningsvätecyanid laser genom att blanda dem med höga övertoner av en mikrovågsugn signal i en kiseldiod 1. För att mäta högre frekvenser har en kedja av lasrar och harmoniska blandningsanordningar används för att generera laser övertoner 2. Så småningom två stabiliserade koldioxid (CO 2) lasrar valdes för att syntetisera den nödvändiga skillnaden frekvenser 3,4. Idag kan infraröd laserfrekvenser upp till 4 THz mätas med denna teknik med användning av endast den första övertonen för frekvensskillnaden som genereras av två stabiliserade CO2 referenslasrar. Högre frekvens laser utsläpp kan också mätas med användning av den andra övertonen, såsom 9 THz laser utsläpp från metanol isotopologues CHD 2 OH och CH 3 </sub> 18 OH. 5,6 Under årens lopp har en noggrann mätning av laserfrekvenser påverkade ett antal vetenskapliga experiment 7,8 och tillät antagandet av en ny definition av mätaren genom generalkonferens vikt och mått i Paris 1983. 9-11

Heterodyn tekniker, såsom de som beskrivits, har varit oerhört fördelaktigt vid mätning av infraröd laserfrekvenser som genereras av optiskt pumpade molekyl lasrar. Sedan upptäckten av den optiskt pumpade molekylär laser av Chang och Bridges 12, tusentals optiskt pumpade infraröd laser utsläppen har genererats med en rad olika laser media. Till exempel, difluorometan (CH2F 2) och dess isotopologues genererar mer än 250 laser utsläpp när optiskt pumpas av en CO2-laser. Deras våglängder varierar från cirka 95,6 till 1714,1 im 13. </supp> 15 Nästan 75% av dessa laser utsläppen har haft deras frekvenser mätt medan flera har spektroskopiskt tilldelats 16-18.

Dessa lasrar och deras exakt uppmätta frekvenserna, har spelat en avgörande roll i utvecklingen av högupplösta spektroskopi. De ger viktig information för infraröda spektrala studier av lasergaser. Ofta är dessa laserfrekvenser används för att verifiera analysen av infraröd och bortre infraröda spektra, eftersom de ger kopplingar mellan de exciterade vibrations state-nivåer som ofta direkt oåtkomliga från absorptionsspektra 19. De tjänar också som den primära strålningskälla för studier som undersöker gående, kortlivade fria radikaler med lasermagnetresonansteknik 20. Med denna extremt känslig teknik, roterande och ro-vibrations Zeeman spektra i paramagnetiska atomer, molekyler och molekylära joner kan vara recorded och analyseras tillsammans med förmågan att undersöka reaktionshastigheterna som används för att skapa dessa fria radikaler.

I detta arbete, ett optiskt pumpad molekylär laser, som visas i figur 1, har använts för att generera infraröd laserstrålning från difluormetan. Detta system består av en kontinuerlig våg (cw) CO 2 pumplaser och en infraröd laserkaviteten. En spegel internt för infraröd laserkaviteten omdirigeringar CO 2 laserstrålningen ner den polerade kopparröret, genomgår tjugo sex reflektioner innan slutar vid änden av håligheten, spridning eventuellt återstående pumpstrålning. Därför infraröd lasermediet exciteras med hjälp av en tvärgående pumpgeometri. För att generera laserverkan, är flera variabler justeras en del samtidigt, och alla därefter optimeras när laserstrålning observeras.

I detta experiment är det bortre infraröda laserstrålning övervakas av en metall-Insulator-metall (MIM) punktkontakt dioddetektor. MIM dioddetektor har använts för mätningar laserfrekvens sedan 1969. 21-23 I lasermätningar frekvens, är dioddetektorn MIM en harmonisk mixer mellan två eller flera strålningskällor som infaller på dioden. MIM dioddetektor består av en vässad Volfram tråd i kontakt ett optiskt polerat Nickel bas 24. Nickel basen har en naturligt förekommande tunt oxidskikt som är det isolerande skiktet.

När väl en laseremission detekterades, var dess våglängd, polarisation, styrka, och optimerad drifttryck registrerades under det att dess frekvens mättes med användning av tre-laser heterodyn teknik 25 27 genom att följa förfarandet som ursprungligen beskrevs i ref. 4. Figur 2 visar den optiskt pumpade molekylär laser med två extra cw CO 2 referens lasrar har oberoende frekvens stabilization system som använder lamm dopp i 4,3 fim fluorescenssignalen från en extern, lågtrycksreferenscell 28. Detta manuskript beskriver den process som används för att söka efter infraröd laser utsläpp samt metod för att uppskatta deras våglängd och exakt fastställa deras frekvens. Specifikt när det gäller tre-laser heterodyn tekniken liksom de olika komponenterna och driftparametrar för systemet kan återfinnas i Supple Tabell A tillsammans med referenser 4, 25-27, 29 och 30.

Protocol

1. Planering av experiment Genomföra en undersökning av litteraturen för att utvärdera tidigare arbete utförs med lasermediet av intresse, vilket för detta experiment är CH2F 2. Identifiera alla kända laser utsläpp tillsammans med all information om linjer som deras våglängd och frekvens. Flera undersökningar av kända laser utsläppen finns 13,31 – 37. Sammanställa alla spektroskopiska undersökningar av molekylen används som lase…

Representative Results

Som nämnts, är frekvensen rapporterats för en infraröd laseremissionen i genomsnitt minst tolv mätningar utfördes med åtminstone två olika uppsättningar av CO 2 referenslaserlinjer. Tabell 2 beskriver de uppgifter som registrerats för 235,5 pm laseremissions när du använder 9 P 04 CO 2 pumplasern. För detta infraröd laseremissionen, var fjorton individuella mätningar av svävningsfrekvensen registreras. Den första uppsättningen av mätningar registrerades …

Discussion

Det finns flera viktiga steg i protokollet som kräver lite extra diskussion. Vid mätning av infraröd laser våglängd, som beskrivs i steg 2.5.3, är det viktigt att se samma läge av infraröd laseremission används. Flera former av ett infraröd laservåglängden (dvs TEM 00, TEM 01, etc.) kan alstras inom laserkaviteten och således är det viktigt att identifiera de lämpliga intilliggande kavitetsmoder som används för att mäta våglängden 13,29, 41. För att underlä…

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

  1. Hocker, L. O., Javan, A., Ramachandra Rao, D., Frenkel, L., Sullivan, T. Absolute frequency measurement and spectroscopy of gas laser transitions in the far infrared. Appl. Phys. Lett. 10 (5), 147-149 (1967).
  2. Wells, J. S., Evenson, K. M., Day, G. W., Halford, D. Role of infrared frequency synthesis in metrology. Proc. IEEE. 60 (5), 621-623 (1972).
  3. Whitford, B. G., Siemsen, K. J., Riccius, H. D., Baird, K. A. New frequency measurements and techniques in the 30-THz region. IEEE Trans. Instrum. Meas. 23 (4), 535-539 (1974).
  4. Petersen, F. R., et al. Far infrared frequency synthesis with stabilized CO2 lasers: Accurate measurements of the water vapor and methyl alcohol laser frequencies. IEEE J. Quantum Elect. 11 (10), 838-843 (1975).
  5. Uranga, C., Connell, C., Borstad, G. M., Zink, L. R., Jackson, M. Discovery and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions from optically pumped 13CD3OH and CHD2OH. Appl. Phys. B. 88 (4), 503-505 (2007).
  6. Jackson, M., Milne, J. A., Zink, L. R. Measurement of optically pumped CH318OH laser frequencies between 3 and 9 THz. IEEE J. Quantum Elect. 47 (3), 386-389 (2011).
  7. Evenson, K. M., et al. Optically pumped FIR lasers: Frequency and power measurements and laser magnetic resonance spectroscopy. IEEE J. Quantum Elect. 13 (6), 442-444 (1977).
  8. Evenson, K. M., Jennings, D. A., Petersen, F. R. Tunable far-infrared spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 44 (6), 576-577 (1984).
  9. Evenson, K. M., et al. Speed of light from direct frequency and wavelength measurements of the methane-stabilized laser. Phys. Rev. Lett. 29 (19), 1346-1349 (1972).
  10. BIPM. . Resolution 1. , 97-98 (1983).
  11. Giacomo, P. News from the BIPM. Metrol. 20 (1), 25-30 (1984).
  12. Chang, T. Y., Bridges, T. J. Laser action at 452, 496 and 541 µm in optically pumped CH3F. Opt. Commun. 1 (9), 423-426 (1970).
  13. Douglas, N. G., Walter, H. . Millimetre and Submillimetre Wavelength Lasers: A Handbook of CW Measurements. 61, (1989).
  14. Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C., Zink, L. R., Evenson, K. M. 12CH2F2 and 13CH2F2 far-infrared lasers: New lines and frequency measurements. Int. J. Infrared Millim. Waves. 18 (12), 2301-2306 (1997).
  15. Jackson, M., Alves, H., Holman, R., Minton, R., Zink, L. R. New cw optically pumped far-infrared laser emissions generated with a transverse or ‘zig-zag’ pumping geometry. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 35 (3), 282-287 (2014).
  16. Danielewicz, E. J., Button, K. J., Inguscio, M., Strumia, F. . The optically pumped difluoromethane far-infrared laser. Reviews of Infrared and Millimeter Waves. 2, 223-250 (1983).
  17. Deroche, J. C., Benichou, E. K., Guelachvili, G., Demaison, J. Assignments of submillimeter emissions in difluoromethane pumped by 12C18O2 and 12C18O2 lasers. Int. J. Infrared Millim. Waves. 7 (10), 1653-1675 (1986).
  18. Jackson, M., Zink, L. R., McCarthy, M. C., Perez, L., Brown, J. M. The far-infrared and microwave spectra of the CH radical in the v = 1 level of the X2Π. J. Mol. Spectrosc. 247 (2), 128-139 (2008).
  19. Zhao, S., Lees, R. M. CH318OH: Assignment of FIR laser lines optically pumped in the in-plane CH3-rocking band. J. Mol. Spectrosc. 168 (1), 67-81 (1994).
  20. Evenson, K. M., Saykally, R. J., Jennings, D. A., Curl, R. F., Brown, J. M. Far infrared laser magnetic resonance. Chemical and Biochemical Applications of Lasers. 5, 95-138 (1980).
  21. Hocker, L. O., Sokoloff, D. R., Daneu, V., Szoke, A., Javan, A. Frequency mixing in the infrared and far-infrared using a metal-to-metal point contact diode. Appl. Phys. Lett. 12 (12), 401-402 (1968).
  22. Daneu, V., Sokoloff, D., Sanchez, A., Javan, A. Extension of laser harmonic-frequency mixing techniques into the 9 μ region with an infrared metal-metal point-contact diode. Appl. Phys. Lett. 15 (12), 398-400 (1969).
  23. Jennings, D. A., Evenson, K. M., Knight, D. J. E. Optical Frequency Measurements. Proc. IEEE. 74 (1), 168-179 (1986).
  24. Zink, L. R. . Highly accurate molecular constants for CO, HF, HCl, OH, NaH, MgH, and O2: Rotational transition frequencies measured with tunable far infrared radiation [thesis]. , (1986).
  25. Xu, L. -. H., et al. Methanol and the optically pumped far-infrared laser. IEEE J. Quantum Elect. 32 (3), 392-399 (1996).
  26. Jackson, M., Zink, L. R., Garrod, T. J., Petersen, S., Stokes, A., Theisen, M. The generation and frequency measurement of short-wavelength far-infrared laser emissions. IEEE J. Quantum Elect. 41 (12), 1528-1532 (2005).
  27. Jackson, M., Smith, M., Gerke, C., Barajas, J. M. Measurement of far-infrared laser frequencies from methanol isotopologues. IEEE J. Quantum Elect. 51 (4), 1500105 (2015).
  28. Freed, C., Javan, A. Standing-wave saturation resonances in the CO2 10.6 μ transitions observed in a low-pressure room-temperature absorber gas. Appl. Phys. Lett. 17 (2), 53-56 (1970).
  29. DeShano, B., Olivier, K., Cain, B., Zink, L. R., Jackson, M. Using guide wavelengths to assess far-infrared laser emissions. J. Infrared, Millim., Terahertz Waves. 36 (1), 13-30 (2015).
  30. Jackson, M., Nichols, A. J., Womack, D. R., Zink, L. R. First laser action observed from optically pumped CH317OH. IEEE J. Quantum Elect. 48 (3), 303-306 (2012).
  31. Inguscio, M., Moruzzi, G., Evenson, K. M., Jennings, D. A. A review of frequency measurements of optically pumped lasers from 0.1 to 8 THz. J. Appl. Phys. 60 (12), R161-R191 (1986).
  32. Pereira, D., et al. A review of optically pumped far-infrared laser lines from methanol isotopes. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (1), 1-44 (1994).
  33. Zerbetto, S. C., Vasconcellos, E. C. C. Far infrared laser lines produced by methanol and its isotopic species: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 15 (5), 889-933 (1994).
  34. Moruzzi, G., Winnewisser, B. P., Winnewisser, M., Mukhopadhyay, I., Strumia, F. . Microwave, Infrared and Laser Transitions of Methanol: Atlas of Assigned Lines from 0 to 1258 cm-1. , (1995).
  35. Weber, M. J. . Handbook of Laser Wavelengths. , (1999).
  36. De Michele, A., et al. FIR laser lines from CH3OD: A review. Int. J. Infrared Millim. Waves. 25 (5), 725-734 (2004).
  37. De Michele, A., Carelli, G., Moruzzi, G., Moretti, A. Hydrazine far-infrared laser lines and assignments: a review. J. Opt. Soc. Am. B. 22 (7), 1461-1470 (2005).
  38. Moraes, J. C. S., et al. Experimental investigation of 13CD3OH infrared transitions by means of optoacoustic spectroscopy. Int. J. Infrared Millim. Waves. 13 (11), 1801-1823 (1992).
  39. Viscovini, R. C., Scalabrin, A., Pereira, D. Infrared optoacoustic spectroscopy of 13CD3OD around the 10R and 10P CO2 laser lines. Int. J. Infrared Millim. Waves. 17 (11), 1821-1838 (1996).
  40. Maki, A. G., Chou, C. C., Evenson, K. M., Zink, L. R., Shy, J. T. Improved molecular constants and frequencies for the CO2 laser from new high-J regular and hot-band frequency measurements. J. Mol. Spectrosc. 167 (1), 211-224 (1994).
  41. Douglas, N. G., Krug, P. A. CW laser action in ethyl chloride. IEEE J. Quantum Elect. 18 (10), 1409-1410 (1982).
  42. Schwaller, P., Steffen, H., Moser, J. F., Kneubühl, F. K. Interferometry of resonator modes in submillimeter wave lasers. Appl. Opt. 6 (5), 827-829 (1967).
  43. Steffen, H., Kneubühl, F. K. Resonator interferometry of pulsed submillimeter-wave lasers. IEEE J. Quantum Elect. 4 (12), 992-1008 (1968).
  44. Whitbourn, L. B., Macfarlane, J. C., Stimson, P. A., James, B. W., Falconer, I. S. An experimental study of a cw optically pumped far infrared formic acid vapour laser. Infrared Phys. 28 (1), 7-20 (1988).
  45. Belland, P., Véron, D., Whitbourn, L. B. Mode study, beam characteristics and output power of a cw 337 μm HCN waveguide laser. J. Phys. D: Appl. Phys. 8 (18), 2113-2122 (1975).
  46. Inguscio, M., Ioli, N., Moretti, A., Strumia, F., D’Amato, F. Heterodyne of optically pumped FIR molecular lasers and direct frequency measurement of new lines. Appl. Phys. B. 40 (3), 165-169 (1986).
  47. Carelli, G., et al. CH318OH: FIR laser line frequency measurements and assignments. Infrared Phys. Technol. 35 (6), 743-755 (1994).
  48. Pearson, J. C., Müller, H. S. P., Pickett, H. M., Cohen, E. A., Drouin, B. J. Introduction to submillimeter, millimeter and microwave spectral line catalog. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 111 (11), 1614-1616 (2010).
  49. Ehasz, E. J., Goyette, T. M., Giles, R. H., Nixon, W. E. High-resolution frequency measurements of far-infrared laser lines. IEEE J. Quantum Elect. 46 (4), 474-477 (2010).
  50. Pearson, J. C., Drouin, B. J., Yu, S., Gupta, H. Microwave spectroscopy of methanol between 2.48 and 2.77 THz. J. Opt. Soc. Am. B. 28 (10), 2549-2577 (2011).
  51. Consolino, L., et al. Phase-locking to a free-space terahertz comb for metrological-grade terahertz lasers. Nat. Commun. 3, Article No. 1040 (2012).
  52. Bartalini, S., et al. Frequency-comb-assisted terahertz quantum cascade laser spectroscopy. Phys. Rev. X. 4 (2), 021006 (2014).
  53. Finneran, I. A., Good, J. T., Holland, D. B., Carroll, P. B., Allodi, M. A., Blake, G. A. Decade-spanning high-precision terahertz frequency comb. Phys. Rev. Lett. 114 (16), Article No. 163902 (2015).
  54. De Natale, P., et al. Quantum cascade laser THz metrology. Proc. SPIE.. , 93701D (2015).
  55. Dickinson, J. C., Goyette, T. M., Waldman, J. . High resolution imaging using 325 GHz and 1.5 THz transceivers. , 373-380 (2004).
  56. Vasconcellos, E. C. C., Zerbetto, S. C., Holecek, J. C., Evenson, K. M. Short-wavelength far-infrared laser cavity yielding new lines in methanol. Opt. Lett. 20 (12), 1392-1393 (1995).
check_url/53399?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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).

View Video