Rev. Phys. Appl. (Paris) 9, 285-292 (1974)
DOI: 10.1051/rphysap:0197400901028500

Spectral analysis of a phase locked laser at 891 GHz, an application of Josephson junctions in the far infrared

J.S. Wells, D.G. McDonald, A.S. Risley, S. Jarvis et J.D. Cupp

Quantum Electronics Division, Cryogenics Division Time and Frequency Division, Institute for Basic Standards National Bureau of Standards, Boulder, Colorado 80302, USA

Abstract
We have used a Josephson junction to investigate the spectral purity of an HCN laser which is used in an infrared frequency synthesis chain. To obtain a narrower linewidth from the laser it has been phase locked to a multiplied microwave reference chain. A calculated value for this linewidth was based upon the measured noise spectrum of the microwave source and a theory due to Middleton. One can take advantage of the unique properties of the Josephson junction as a frequency multiplier and mixer for use in measuring this linewidth. The Josephson junction is driven by an X-band signal which is derived from a specially designed cavity stabilized klystron system of high spectral purity. The 92nd harmonic of the X-band signal is generated in the Josephson junction. In addition, the Josephson junction acts as a mixer of the harmonic signals and the 891 GHz output of the HCN laser. The 92nd harmonic beat signal is taken from the Josephson junction, amplified, and sent to a spectrum analyzer for frequency domain analysis. Details of the experiment, results, and relation to predicted linewidths are presented.

Résumé
Nous avons utilisé une jonction Josephson pour étudier la pureté spectrale d'un laser HCN utilisé dans une chaîne de synthèse de fréquence infrarouge. Pour obtenir une largeur de raie du laser plus étroite, on le synchronise avec une onde hyperfréquence issue d'une chaîne de multiplication de fréquence. Une valeur calculée de cette largeur de raie est obtenue à l'aide d'une mesure du spectre de bruit de la source hyperfréquence, et d'une théorie due à Middleton. Les propriétés caractéristiques des jonctions Josephson en tant que mélangeur et multiplicateur de fréquences permettent de les utiliser pour mesurer cette largeur de raie. La jonction Josephson est excitée par un signal en bande X, issu d'un générateur à klystron stabilisé par une cavité spéciale, de haute pureté spectrale. La jonction génère le 92e harmonique et effectue le mélange avec le signal à 891 GHz issu du laser HCN. Le battement est amplifié puis envoyé dans un analyseur de spectre. On présente les détails de l'expérience, les résultats et on indique la relation qui permet de calculer la largeur de raie.

PACS
4260J - Beam characteristics: profile, intensity, and power; spatial pattern formation.
8525C - Josephson devices.

Key words
Phase locked oscillators -- Molecular laser -- Infrared laser -- Josephson junctions -- Spectral analysis -- Laser frequency stability -- Line widths -- HCN lasers