Caratterizzare lontano infrarosso Emissioni laser e la misurazione delle loro frequenze

L'obiettivo generale di questa procedura è generare una radiazione laser nell'infrarosso lontano e misurare le frequenze delle emissioni laser prodotte mediante una tecnica eterodina a tre laser. Questo risultato si ottiene innanzitutto inviando una radiazione laser al biossido di carbonio all'interno di una cavità laser per l'infrarosso lontano. Il secondo passaggio consiste nel variare i parametri operativi di entrambe le cavità laser per generare una radiazione laser nell'infrarosso lontano e osservare la radiazione rilevata mediante un oscilloscopio.

Successivamente, la radiazione nell'infrarosso lontano viene mescolata con due frequenze di riferimento di un laser al biossido di carbonio. Quindi viene identificata la frequenza di battimento risultante. L'ultimo passaggio consiste nel misurare più frequenze di battimento per calcolare la frequenza del laser nell'infrarosso lontano.

In definitiva, durante questa indagine, la tecnica eterodina a tre laser viene utilizzata per misurare otto frequenze laser nell'infrarosso lontano generate dal metano Diora. Per la prima volta, tuttavia, i risultati ottenuti con questo metodo possono fornire informazioni sulla spettroscopia della molecola laser. Il metodo può inoltre essere applicato a sistemi che richiedono frequenze precise, come la spettroscopia ad alta risoluzione, l'astronomia radio e l'imaging in banda terahertz.

Immagini Prepararsi a lavorare con radiazioni laser potenzialmente dannose indossando un'adeguata protezione oculare. Questa parte del protocollo utilizzerà un laser a biossido di carbonio e una cavità laser a infrarossi lontani in rame lucidato. Questo schema fornisce una panoramica del modo in cui i due componenti sono disposti.

Il laser a biossido di carbonio pomperà la cavità del laser a infrarossi lontani, che sarà riempita con metano diluito. Per questo esperimento, l'uscita del laser a infrarossi lontani verrà rilevata mediante un rivelatore DDE a contatto puntiforme metallo-isolante-metello. Iniziare lavorando con il laser a biossido di carbonio impostato su una transizione laser desiderata, in questo caso la riga 9 R 28.

Posizionare un blocco del fascio all'uscita del laser. Ruotare ora la manopola micrometrica del laser per massimizzare l'intensità del fascio sul blocco. Inoltre, regolare l'inclinazione del reticolo del laser per ottenere l'intensità massima.

Continuare a regolare il micrometro DIO e il grading finché la potenza in uscita del laser a biossido di carbonio non appare ottimizzata. Al termine, rimuovere il blocco del fascio dal percorso. Quindi accendere e allineare un chopper ottico nel percorso del fascio del laser di pompaggio.

Successivamente, iniziare. Per preparare la cavità del laser a infrarossi lontani, aprire la valvola della bombola di difluorometano per introdurla come mezzo all'interno della cavità. Regolare la valvola di misurazione sulla linea di ingresso in modo da raggiungere una pressione di circa 10 pascal o 75 millitorr.

Passare a regolare lo specchio di accoppiamento in uscita della cavità. Utilizzare un'asta esterna collegata allo specchio per posizionare lo specchio a circa un centimetro dal centro della cavità, in base alla scala calibrata. Successivamente, assicurarsi che l'uscita del rivelatore sia collegata a un oscilloscopio.

Quindi prepararsi a cercare la radiazione laser nell'infrarosso lontano sulla cavità per l'infrarosso lontano. Utilizzare il quadrante micrometrico calibrato per regolare lo specchio laser mobile all'interno. Controllare contemporaneamente la tensione applicata al trasduttore piezoelettrico del laser a biossido di carbonio per sintonizzare la frequenza del laser.

Quando si osserva un'emissione laser, l'onda visualizzata sull'oscilloscopio passerà da una forma piatta, che rappresenta l'assenza di emissione, a un'onda quadra. Dopo aver rilevato la presenza di un'emissione laser nell'infrarosso lontano, si dovrà ottimizzare la potenza del segnale prima di procedere. Successivamente, registrare la posizione della particolare modalità della cavità sul quadrante del micrometro.

Ruotare la ghiera del micrometro in senso orario per individuare la modalità successiva. Osservare il tracciato dell'oscilloscopio appiattirsi. Quindi mostrare un'altra onda quadra.

Continuare a ruotare la manopola in senso orario fino a quando non sono stati individuati un totale di 21 modi. Registrare la posizione finale della manopola e utilizzarla per determinare la lunghezza d'onda dell'emissione. Per determinare le frequenze del laser a infrarosso lontano, utilizzare due laser a biossido di carbonio come riferimento.

Questo schema rappresenta l'intera configurazione con i due laser di riferimento, il laser pompa e la cavità a infrarosso lontano. La configurazione è destinata a una tecnica eterodina a tre laser, e i due laser di riferimento sono regolati in modo che la loro differenza di frequenza sia entro alcuni gigahertz dalla frequenza a infrarosso lontano calcolata a partire dalla lunghezza d'onda misurata. Iniziare posizionando un blocco del fascio sul percorso collineare dei laser di riferimento.

Lavorare con l'uscita di un laser di riferimento e misurarla con un misuratore di potenza. Spostare lentamente il micrometro del laser osservando la lettura della potenza e regolarlo sulla posizione corrispondente alla potenza massima. Una volta impostata, utilizzare una chiave esagonale per effettuare regolazioni fini modificando l'inclinazione della griglia.

Alterna tra i due per ottimizzare la potenza in uscita. Dopo aver ottimizzato la potenza in uscita di ciascun laser di riferimento, regola ogni diaframma del laser. Ciascun laser dovrebbe fornire circa 100 milliwatt di potenza al misuratore di potenza nel percorso del fascio.

Continuare bloccando il fascio del laser pompa. Quindi sostituire il blocco del fascio nel percorso condiviso dei laser di riferimento con un chopper ottico. Ora monitorare il segnale dell'oscilloscopio e agire per massimizzare la radiazione focalizzata sul rivelatore.

Dai laser di riferimento. Bloccare il secondo laser di riferimento e utilizzare una lente piano-convessa per focalizzare il fascio del primo laser di riferimento sul rivelatore. Successivamente, bloccare il primo fascio di riferimento e sbloccare il secondo fascio di riferimento.

Regolare lo splitter del fascio per massimizzare il segnale proveniente dal secondo laser di riferimento sul rivelatore. Per ogni caso, osservare l'oscilloscopio e fermarsi. Una volta ottimizzato il segnale massimo, riposizionare lo schermo del fascio sul percorso del laser di riferimento colineare.

Rimuovere il blocco del fascio dal laser di pompaggio. Ora monitorare l'uscita di potenza dell'emissione nell'infrarosso lontano sull'oscilloscopio. In questo caso, la potenza è già stata ottimizzata.

Una volta ottimizzata la potenza, scollegare il rivelatore a diodo metallo-isolante-metello dall'oscilloscopio. Collegare il rivelatore, tramite un amplificatore, a un analizzatore di spettro. A questo punto, rimuovere tutti i fermi del fascio e i chopper ottici dai percorsi del fascio di pompaggio e di riferimento.

Successivamente, iniziare a cercare il segnale di battimento utilizzando l'analizzatore di spettro, impostare l'analizzatore su una larghezza di banda di 40 megahertz e cercare il segnale di battimento a incrementi di 1,5 gigahertz. Fermarsi quando viene trovato un segnale di battimento. Quando il segnale viene individuato, iniziare a stabilizzare le frequenze di riferimento.

Concentrarsi su un laser di riferimento e applicare una tensione compresa tra zero e 900 volt al suo trasduttore piezoelettrico in modo da posizionare il segnale della sua cella di riferimento a fluorescenza al centro della depressione di Lamb; attivare un amplificatore a sincronismo per mantenere il segnale al centro della depressione di Lamb. Ripetere le stesse operazioni per il secondo laser di riferimento al fine di misurare la frequenza di battimento. Centrare il segnale di battimento sull'analizzatore di spettro e regolarne l'ampiezza per massimizzarne le dimensioni sul display.

Impostare l'analizzatore di spettro in modo da mostrare contemporaneamente il segnale istantaneo in blu e il segnale massimo in giallo per una data modalità della cavità. Ruotare avanti e indietro la manopola micrometrica della cavità del laser a infrarosso lontano. Osservare la curva di guadagno prodotta sull'analizzatore di spettro.

Una volta che il segnale è simmetrico, utilizzare la funzione di visualizzazione per congelare la traccia del segnale massimo e determinare il segno della frequenza di battimento. Osservare lo spostamento della frequenza di battimento mentre la manopola del micrometro viene ruotata leggermente in senso orario. Per misurare la frequenza centrale del segnale di battimento, posizionare dei marcatori ai punti corrispondenti alla larghezza a metà altezza massima del modello simmetrico prodotto dalla traccia del massimo.

Quindi utilizzare la funzione di coppia di picchi dell'analizzatore di spettro. Di seguito sono riportate le frequenze medie del laser a infrarosso lontano misurate per la prima volta con questo protocollo e utilizzando metano difluorato nella cavità a infrarosso lontano. Le medie sono calcolate su almeno 12 misurazioni effettuate con almeno due diversi insiemi di linee laser di riferimento al biossido di carbonio.

Le righe evidenziate corrispondono a nuove emissione laser scoperte di recente. La valutazione delle incertezze intrinseche del sistema e il confronto con le frequenze precedentemente riportate suggeriscono un'incertezza frazionaria a una sigma di cinque parti su 10 milioni. Si è osservato che le nuove emissioni laser hanno una potenza compresa tra 1/1000 e 1/100 di milliwatt una volta ottimizzate.

Questa tecnica può essere utilizzata per determinare con precisione la frequenza di emissioni laser intense in circa un'ora o due. Non dimenticare che lavorare con laser a infrarossi e a infrarossi esterni può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario adottare precauzioni che includano una corretta protezione oculare, ventilazione adeguata e ispezioni ripetute dell'attrezzatura, con particolare attenzione ai rischi elettrici e idrici.