Sub-Doppler precision laser spectroscopy of trifluoromethane at 8.6 micrometer

This experimental thesis describes the spectroscopy in the sub-Doppler regime of trifluoromethane, CHF3, in the medium infrared spectral region (vibrational band ν5) by a single-mode quantum cascade laser at 8.6 μm. Measurements were perform using a middle-infrared optical frequency comb generated by frequency difference, which was frequency stabilized respect to a Rb clock referenced to the GPS. In particular, two different methodologies are presented. The first one con- sists on the QCL frequency stabilization against a saturated absorption of the CHF3 and on the absolute measure of the line center frequencies through the mid-infrared comb. The second involves the QCL locking to an optical frequency comb tooth and spectroscopic registration of saturated absorption by tuning the comb repetition frequency. This first methodology showed relative precision at level of 10−12 (corresponding to 3 · 103 Hz) in determining the central absorption frequencies. By the second technique, the line broadening for pressure and the saturation intensities of CHF3 to 8.6 μm were also measured.

Questa tesi sperimentale descrive la spettroscopia in regime di saturazione (sub- Doppler) del trifluorometano, CHF3, nella regione del medio infrarosso (banda vibrazionale ν5) mediante laser a cascata quantica con emissione in singolo modo e una lunghezza d’onda di 8.6 μm. Le misure sono state effettuate utilizzando un pettine di frequenza ottico nel medio infrarosso generato per differenza di frequenza, stabilizzato in frequenza rispetto ad un orologio al Rb asservito al GPS. In particolare sono presentate due differenti metodologie di misure. La prima consiste nello stabilimento in frequenza del QCL rispetto ad un assorbimento saturo del CHF3 e le misura assoluta delle frequenze del centro riga mediante il pettine nel medio infrarosso. La seconda prevede invece l’aggancio in fase del QCL ad un dente del pettine di frequenza e la registazione spettroscopica degli assorbi- menti saturi mediante la sintonizzazione della frequenza di ripetizione del pettine. La prima metodologie ha dimostrato precisoni relative di 10−12 (corrispondenti a 3 · 10 3 Hz) nella determinazione delle freqeunze centrali degli assorbimenti. Mediante la seconda tecnica, sono state misurate anche gli allargamenti di riga per pressione e potenza e le intensit di saturazione del CHF3 a 8.6 μm.