Name: 外腔半导体激光器的原子物理的构建与鉴定 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-24T13:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: 学习外腔半导体激光器的构建与鉴定方法，掌握光学元件对准、饱和吸收光谱及激光线宽测量技术。本视频演示原子物理实验中ECDL的完整组装流程与频率调谐技巧。

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1. 组件选择
<ol>
	<li>为感兴趣的原子选择合适波长的激光二极管。所选二极管必须是单模（sm）并具有足够输出功率以满足应用需求，这一点至关重要。推荐使用带有抗反射涂层的二极管，这类二极管在无外腔的情况下不会产生激光，专为外腔二极管激光器（ECDL）操作而设计，性能显著更优，尤其适用于需要扫描激光波长的应用场景。本实验所用激光二极管详见材料清单（List of Materials）。 
	与 MacAdam 中相同&#160;等3，ECDL 必须设计为与激光二极管和准直透镜紧密贴合。机械稳定性和热接触对于激光器的良好运行至关重要。为便于加工并尽量减少机械加工步骤，使用带集成透镜管的激光二极管支架（材料列表）已取得成功。</li>
	<li>选择一个透镜来准直激光二极管。重要的是，透镜的数值孔径应与激光二极管的数值孔径相当或更大，否则将产生显著的光损耗。大多数激光二极管具有较高的数值孔径（&#62;0.5），否则像差将导致反馈效率极低。确保所用透镜在工作波长处具有抗反射涂层，选择长焦距透镜以增大光栅上的光束尺寸，并选择设计波长接近工作波长的透镜以减小像差。有关演示系统中所用透镜的详细信息，请参见材料列表。</li>
	<li>为激光二极管的频率范围和光栅调谐臂中心角选择合适的外置光栅。在利特罗（Littrow）配置中，一级衍射光的波长由下式给出 λ = 2dsin(θ），其中 d 是光栅线间距， θ 是入射光的光栅角 λ 波长21 (图1B）。衍射光栅主要有两种类型：全息光栅和刻划光栅，两者均可为闪耀型或非闪耀型。根据光栅类型的不同，衍射功率可能会有显著差异。建议选用衍射效率在20%–30%之间的全息光栅。有关演示系统中所用光栅的具体信息，请参见材料列表。</li>
	<li>采用可实现的最简设计——复杂性通常意味着不稳定性。尽管外腔二极管激光器（ECDL）的设计方案众多，但最简单的是利特罗（Littrow）结构。3,5,7,22阅读相关论文，确定对于具体应用而言，较大的无模式跳变调谐范围（即激光二极管可在不突然跳至不同频率的情况下连续调谐的频率范围）、极窄的线宽，或减小的指向漂移中哪一项最为重要。在开始设计外腔二极管激光器（ECDL）之前，应尽可能获取充分信息。在原子物理应用中，光栅型ECDL通常已完全满足需求。</li>
	<li>需要认识到，外腔二极管激光器（ECDL）的性能在很大程度上取决于驱动激光二极管电流和稳定激光器温度的电子控制系统。若缺乏性能优良的电子控制设备，即使机械设计再精良，整体性能也会大打折扣。文中包含对不同类型电流与温度控制器的比较 表1电流噪声越低，激光器的性能越好23.</li>
</ol>
2. 组装
<ol>
	<li>本文所述的ECDL组装起点为一个完整的ECDL机械系统，该系统已安装在热电冷却器（TEC）上，但未包含频率选择组件即 光栅和激光二极管）</li>
	<li>首先将激光二极管放入相应的安装孔中，并使用其固定环进行固定。注意不要过度拧紧固定环，应确保其贴合但不紧固。</li>
	<li>在将激光二极管连接至电流电源之前，应查阅二极管规格说明书，确认阳极、阴极和接地引脚的对应关系。不同二极管的引脚定义可能不同，若电流反向通过二极管，将导致其损坏。
	<ol>
		<li>激光二极管是低压器件，通常为5-10 V&#160;最大值，且必须注意确保不会向其释放静电。在处理二极管时，建议佩戴接地腕带，并安装保护电路（例如 图2为防止高电压，需在激光二极管引脚间采取保护措施。二极管的外壳（can）和接地引脚应永久接地，使用细导线有助于减少机械振动的耦合。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据二极管规格表中的数值，在二极管控制器上设置最高和最低温度，以及最大二极管电流和TEC电流限制。如果最低工作温度低于实验室的露点温度，则将最低温度设置为约2℃ °高于露点温度。这可以避免冷凝。</li>
	<li>二极管规格书通常提供在给定二极管电流下的波长与温度关系图。请以此图作为参考，初步设定二极管的温度（和电流），以匹配目标波长。若无温度与波长关系图，可将设定温度调整至室温。</li>
	<li>打开温度控制器，并等待温度稳定。</li>
	<li>打开二极管，逐渐增大电流，直至输出光束可通过观察卡清晰看到。使用红外卡观察光束。</li>
	<li>插入非球面准直透镜，并通过调节激光二极管与透镜之间的间距来准直激光。为确保良好的准直效果，应保证光束具有清晰的传播路径，理想情况下 &#62;3 米，并调整透镜位置，直至外腔二极管激光器（ECDL）出口处与光路末端的光束直径相同，同时确保检查光束在传播路径中任意位置均未发生聚焦。</li>
	<li>检查二极管激光器的偏振方向是否处于衍射光栅所需的方向（S偏振或P偏振）。大多数情况下，二极管激光的偏振方向沿椭圆形光束形状的短轴方向，但建议使用偏振分光棱镜检查偏振轴方向以确认。
	<ol>
		<li>如果光束轴不在理想平面内，可松开激光二极管安装环，并旋转二极管直至达到合适的取向。某些外腔二极管激光器（ECDL）设计允许在激光开启并连接电流源的情况下进行此操作，而其他设计则不允许。如果必须拆除电流源导线才能旋转二极管，则应先在控制盒处关闭电流源，再拆除导线。此过程中ECDL的温度控制可保持开启状态。操作二极管时务必始终佩戴接地腕带。</li>
		<li>如果需要重新定位二极管，则重复上一步骤以重新准直二极管。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光栅的衍射平面通常由制造商用一个箭头标记，该箭头垂直于光栅刻线并指向闪耀反射的方向。可通过观察宽带光源（如白炽灯）的反射光随角度的变化来验证此标记是否正确。
	<ol>
		<li>若将光栅以箭头指向观察者自身、上方放置宽谱光源的方式持握，反射光的颜色将随光栅角度的变化而改变。</li>
		<li>将光栅安装，使箭头指向背离二极管的方向，从而通过调节光栅角度来改变反射回二极管的波长（图1A 和&#160;1B).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确认光栅方向后，使用快干胶（如Loctite）将光栅粘附在ECDL调谐臂上。</li>
</ol>
3. 反馈对齐
<ol>
	<li>将一张观察卡对准ECDL输出光束，用于在调整衍射光束指向时监测激光功率。也可使用功率计，但其响应速度较慢。</li>
	<li>调节二极管控制箱上的设定电流至恰好 以下 反射式前 facet 激光二极管的阈值电流，以及增透膜（AR）镀膜二极管增益芯片最大电流的1/3。反射式前 facet 激光二极管在其规格书或数据表中会提供阈值电流，而增透膜（AR）镀膜增益芯片则无此参数。</li>
	<li>调节光栅臂的水平和垂直角度，使衍射光束重新导入激光二极管，从而形成一个外部反馈谐振腔。当光束被导入激光二极管时，输出功率将显著增加，可在观察卡上看到明显的亮斑或闪光，或通过功率计或光电二极管测量到功率的急剧上升。
	<ol>
		<li>观察卡并非一种对功率的精确定量测量手段，因此可能需要逐步降低激光二极管电流并重新调整反馈光束，直至在尽可能低的电流下仍能观察到上述现象。</li>
		<li>调节准直透镜的焦点或轴向位置以优化在激光二极管端面的聚焦，可进一步降低阈值并提高输出功率，此后需重新优化光栅的水平和垂直角度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 初始频率选择
<ol>
	<li>为了进行激光器的初始频率校准，需要对波长进行绝对测量，精度应优于&#60;1 nm，理想情况下优于&#60;0.1 nm。这种粗略的频率测量将大大简化后续步骤中将激光频率调谐至原子跃迁的过程。可选方法包括使用波长计、光谱分析仪、光谱仪，或配备相机的单色仪。应确保使用经过校准的高精度设备，或例如利用氦氖激光器对设备的校准状态进行验证。作为替代方案，通常也可通过调节光栅角度和驱动电流，同时让激光器进行扫描，直至观察到蒸气参考池的吸收或荧光信号，从而实现粗略的频率调节。
	<ol>
		<li>通常使用玻璃楔形棱镜或λ/2波片与偏振分束器从主光束中分出一束次级光束，作为波长计的输入。该光学装置如图1D所示。有关本实验所用材料，请参见材料列表。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调节外腔二极管激光器（ECDL），直至获得所需的输出波长。激光频率受二极管驱动电流、温度、光栅角度以及外腔长度的共同影响24（图3）。
	<ol>
		<li>首先通过手动或压电陶瓷调节光栅角度，然后调节二极管电流。</li>
		<li>若目标频率位于光栅扫描范围的蓝移方向，则应降低二极管温度；反之，若目标波长位于红移方向，则应升高温度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 精细频率调节与频率锁定
<ol>
	<li>使用图示配置在ECDL输出端建立饱和吸收光谱 图1F 3,14,17激光器后立即使用光隔离器至关重要（图1C）。必须避免光返回到激光器中，否则会引起激光器的不稳定。使用含有目标原子的参考气室进行饱和吸收光谱测量，是一种将激光器锁定到窄原子跃迁的简单方法。25.
	<ol>
		<li>确保参考单元处于一定角度，以避免背向反射，并使镜面后向反射的光束以最大重叠度穿过蒸气池。当扫描ECDL波长时，可利用光电二极管监测双程透射功率。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>大多数二极管控制器都内置有扫描功能，可通过调节光栅压电电压，从而改变光栅角度和外腔长度，或通过调制二极管电流来实现波长扫描。应调节扫描宽度、扫描偏移以及激光器的温度和电流，直至在连接至光电探测器的示波器上观察到吸收信号。当激光扫描经过原子跃迁时，应可通过肉眼或红外观察仪看到激光束在蒸气池中的路径产生荧光或闪烁。</li>
	<li>饱和吸收光谱参考光束的单位面积功率必须达到或超过原子跃迁的饱和光强。使用 λ在偏振分束器前使用1/2波片以增加功率，直至观察到清晰的吸收信号。饱和强度的计算可参见Foot16.</li>
	<li>当激光扫描经过780 nm铷原子跃迁时，应观察到一个宽度约为5 GHz的宽多普勒展宽吸收信号，其中嵌有若干宽度约为10 MHz的尖锐跃迁峰16 (图4）。为了减少功率展宽并产生更尖锐的吸收特征以实现稳频锁定，需尽量降低用于生成饱和吸收信号的激光功率。</li>
	<li>为了锁定ECDL频率，需要一个误差信号。通过将线圈放置在参考气室周围，如 图510 通过振荡磁场，塞曼能级以及相应的跃迁频率被调制。在此情况下，通过塞曼线圈的电流以约250 kHz的频率进行调制，幅度约为~1 G。</li>
	<li>将饱和吸收光电探测器的吸收信号与函数发生器的调制信号进行混频。当在示波器上观察混频器的输出时，应得到一个类似于 图4误差信号的大小取决于两个混合信号之间的相对相位。旋转 λ在蒸气池前使用/4分束器以调节相位。</li>
	<li>逐步缩小扫描范围，并调整偏移量，使扫描范围居中于目标跃迁峰，且不包含其他跃迁峰。</li>
	<li>比例-积分-微分（PID）电路（例如参见 MacAdam&#160;等3) 随后可用于利用误差信号锁定外腔二极管激光器（ECDL）的波长。应通过观察误差信号中是否存在调制来降低PID增益，直至消除振铃现象。例如 使用频谱分析仪或对误差信号轨迹进行傅里叶变换）。</li>
</ol>
6. 线宽测量
<ol>
	<li>为了获得准确的线宽测量结果，需要具备以下条件之一：已知的窄线宽光源（另一台线宽明显小于外腔二极管激光器（ECDL）的激光器）、两台相同的ECDL，或一条长度远大于ECDL相干长度的延迟线。此处将通过使两台ECDL发生干涉来测量线宽。或者，也可以选择将激光锁定到由原子跃迁或法布里-珀罗腔产生的共振上，并对锁定环路带宽以上的噪声进行拟合。</li>
	<li>将两台激光器分别锁定到不同的超精细跃迁上，理想情况下频率偏移约为100 MHz。这将最大限度地减小电子噪声的影响。</li>
	<li>对两束光进行模式、功率和偏振匹配，并使用50/50非偏振分束镜将其干涉合并。将产生的光束准直到光电探测器上。光电探测器输出的信号应为频率等于两台激光器频率差的正弦波。可能需要衰减或散焦输出光束，以避免损坏或使光电二极管饱和。
	<ol>
		<li>在进行线宽测量时，示波器上观察到的干涉条纹对比度取决于两束拍频光的重叠程度。如果条纹对比度较差，应额外花时间优化光束在分束镜和探测器上的模式匹配与空间重叠。一种有效的方法是使用两个相距较远（约1 m）的光阑或针孔来实现两束光的重叠。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在示波器上难以分辨频率波动。为了获得最佳测量结果，应使用频谱分析仪，其将显示一个以拍频为中心、线宽为 Δf的Voigt线型轮廓，该线宽等于两台激光器线宽的卷积结果（图6）。在良好的近似下，可将谱线拟合为高斯线型，并从拟合结果中提取线宽。测得的噪声或线宽值将依赖于采集或积分时间，该时间可通过调节频谱分析仪的分辨率带宽来设定。因此，在报告测得的线宽时，必须同时注明积分时间。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。文中对特定产品和公司的引用仅用于说明目的，并不表示作者对此类产品或公司的认可。

本文展示了如何从一个拆解的外腔二极管激光器（ECDL）出发，经过准直和频率锁定，最终实现激光线宽的测量。机械设计以及电子器件的设计，例如PID伺服控制器、激光二极管驱动器和温度控制器，专业性较强，此处不作详细讨论，但在参考文献中已有全面阐述1,3,5。
尽管外腔二极管激光器（ECDL）已成为原子物理实验室中的常用设备，但这些装置可覆盖的原子种类及跃迁波长范围仍有限。虽然基于二极管的激光器在拓展波长范围方面已取得显著进展，但目前仍存在许多波段空白，尤其是在紫外（UV）区域。ECDL系统的输出功率限制继续制约其应用。单模二极管裸芯片的输出功率范围为 &#181;瓦特至数百毫瓦。此外，可在外腔二极管激光器（ECDL）系统中添加锥形放大器，以将单模总激光功率提升至瓦特量级。若需要远高于瓦特的单模功率或其他波长，则需采用其他类型的激光器架构，例如光纤激光器。26，固体激光器27 例如 TiSaph 激光器，或依赖于非线性频率转换过程27 例如拉曼激光器、四波混频、和频生成或光学参量振荡器。
本文重点介绍一种依赖于原子气室的锁频机制。在原子物理的许多应用中，本文所讨论的简单玻璃气室可能无法获得，例如镱（Yb）等原子种类即属此情况。已有多种技术被用于获取包含不同原子种类的参考样品，例如热原子束、放电灯、缓冲气体气室、碘气室以及溅射气室等。
该激光系统设计本质上受限于线宽 &#8776;30 kHz 28 通常更接近 100 kHz。如果应用需要更窄的线宽，则需采用其他稳频技术或替代的激光器设计26 是必需的。
在使用光学系统时，清洁至关重要。初次接触和操作光学元件时，应佩戴手套，以防止意外触碰光学表面。若光学元件出现划痕，则不应在激光系统中使用。大多数情况下，带有指纹或灰尘的光学元件可分别用丙酮或压缩空气进行清洁。光学表面的任何缺陷都可能并确实会引入系统损耗和潜在噪声。光学元件支架应始终固定在光学平台上，并在定位后牢固地用螺栓固定。
在调整波片和偏振分束器等光学元件时，应确保光束近似垂直入射到光学表面，同时避免反射光返回激光器。当入射角偏离90°时，这些光学元件的性能会逐渐偏离理想状态。为减小像差并最大化数值孔径，光束应始终通过透镜中心，并垂直于透镜表面。相反，为避免产生法布里-珀罗（etalon）效应，气室应相对于入射光束略微倾斜放置。因此，许多气室被制造成端面不平行的结构。
此处使用的激光器属于3B类。即使是杂散反射光也可能对眼睛造成损伤。此类激光器的操作应仅由经过培训且熟悉激光危害的人员进行。应始终佩戴激光防护眼镜。切勿直接注视任何激光束的光路以进行光学对准，并需特别注意避免光学元件产生有害的镜面反射。务必使用光束吸收器对光束路径进行明确终止。

测量和操控原子的量子态是原子物理学的核心，需要能够针对原子电子态之间的特定跃迁进行操作。例如，考虑铷原子，这是一种典型且被广泛使用的碱金属原子。在此原子中，耦合基态与第一激发态的光波长约为 780 nm（384 THz），由于自发辐射导致的激发态寿命约为 26 纳秒，因而吸收线宽为 6 MHz 4因此，要可靠地激发该跃迁，需要频率稳定性至少达到108分之一的光源。
在可调谐外腔二极管激光器（ECDLs）发展之前，原子物理实验通常使用染料激光器和钛宝石激光器。这些系统体积庞大、成本高昂且结构复杂，但可在较宽的带宽范围内提供光学增益，因而能够调谐至与原子跃迁波长重叠。早在20世纪80年代初，人们就认识到，有望用一种带隙与目标波长匹配的廉价、简单的二极管激光器来替代这些增益介质。1,2到20世纪90年代初，能够实现100 kHz线宽的简单且易于构建的设计已被充分理解并广泛应用。3,5,6已展示出多种不同的结构和设计，每种都有其优缺点。其中最常见的结构可能是利特罗（Littrow）3,5,7,8 以及 Littman 9 的构型。本讨论聚焦于其中最简单的构型，即所示的 Littrow 构型 图1A.
为实现激光频率的高精度，需同时采用多种调谐机制。首先，所选用的激光二极管其带隙必须能够在可实现的工作温度下，在目标波长处产生足够的增益。典型的激光二极管在数纳米（太赫兹量级）范围内具有增益。其次，通过调节反射衍射光栅的角度，使其在目标波长处向激光二极管提供光学反馈。根据光栅、激光二极管、所用聚焦透镜及其对准情况的不同，光栅通常会选择一个50–100 GHz的频率范围。激光将在外腔（即激光二极管后端面与光栅之间）的共振波长处振荡。通过调节该谐振腔长度覆盖一个波长范围，可使激光在光栅增益峰值附近的自由光谱范围（c/(2L)）内进行调谐，其中c为光速，L为腔长，通常为1–5 cm（FSR 3–15 GHz）。当两个腔模与光栅反馈峰值波长的距离相近时，激光可能以多模方式运行。当振荡的腔模偏离增益峰值的程度大于其相邻模式时，激光将发生模式跳变，从而限制调谐范围。腔模相对于光栅模式的行为如图3所示。无模式跳变的调谐范围是外腔二极管激光器（ECDL）的一项关键性能指标。通过同时调节光栅角度和腔长，可以在多个自由光谱范围内连续调谐而避免模式跳变，从而更易于定位并锁定光谱特征8。可通过压电执行器调节光栅角度/位置（图1A）（扫描带宽约1 kHz），以及调节激光二极管电流（主要调制二极管的折射率）（扫描带宽≥100 kHz），来实现对腔内光程长度的电子调谐，以实现锁定。使用激光二极管而非抗反射（AR）镀膜增益芯片作为增益介质，会引入额外的复杂性，即需考虑激光二极管内部腔体的响应，其典型的自由光谱范围为100–200 GHz。在此情况下，必须通过温度调谐使外腔与光栅响应相匹配。若使用激光二极管而非AR镀膜增益芯片，除非能够同步调节二极管电流或温度，否则将显著减小无模式跳变的调谐范围。最后，为实现优于100 kHz的线宽，必须仔细消除其他噪声源。这要求精密的机械设计以最小化声学振动，温度稳定至mK量级，二极管电流的均方根（rms）稳定性达到≤30 nA水平，并精细调节所有锁定回路的增益10。为特定应用选择合适的电子器件，与激光器和光学设计同等重要。二极管控制器及其技术参数列表见表1。
一旦实现稳定的激光输出，下一步需要将激光频率锁定到某个参考源上，例如原子跃迁、光学腔或另一台激光器。这可以消除缓慢漂移（如微小温度波动）带来的影响，实质上在锁定环路带宽内的频率范围内消除了噪声。目前已发展出多种用于获取误差信号的锁定技术，每种技术适用于特定的参考系统。通过在分束器上混合两束激光，可以获得用于相位锁定两台激光器的误差信号。Pound-Drever Hall11 或倾斜锁定（tilt-locking）12 方法可用于将激光锁定到光学腔上。为了将激光频率锁定到原子吸收线上，可采用 DAVLL13 或结合电流调制10、塞曼调制10 或倾斜锁定15 的饱和吸收光谱技术3,14。
本文将描述如何利用蒸气池中饱和吸收的塞曼调制，将外腔二极管激光器（ECDL）锁定在铷原子跃迁上。当一束低强度激光在室温下穿过铷蒸气池，并将其频率调谐至780 nm原子跃迁附近时，观测到的将是若干个约500 MHz宽的多普勒展宽吸收峰，而非6 MHz宽的自然线宽（自然线宽与多普勒线宽的计算可参见Foot16）。然而，若将该光束反射回原路，则第二次通过时在共振频率处的吸收会减弱，因为具有零纵向速度的原子在第一次通过时已被部分激发17。其他频率的光在每次通过时会被不同速度群的原子吸收，因此不会发生饱和吸收。通过这种方式，可在多普勒展宽吸收谱线上获得一个宽度接近自然线宽的表观透射峰。这提供了一个尖锐的绝对频率参考点用于锁定。可通过塞曼效应调制原子跃迁频率，即在参考池中对磁场强度进行微扰调制。合适的均匀磁场可通过如图5所示的螺线管装置产生。将调制后的波形信号与饱和吸收透射信号进行电子混频，可生成误差信号，该信号可用于调节二极管电流，并通过积分调节压电陶瓷电压。因此，无需调制激光频率即可实现激光器对原子跃迁频率的锁定。
ECDL 的线宽通常通过将两个同类型且频率锁定的激光器在分束器上进行干涉来测量18。然后使用快速光电二极管和射频（RF）频谱分析仪测量激光器之间的拍频信号。对锁定环路带宽以外的噪声谱进行Voigt线型（高斯函数与洛伦兹函数的卷积）拟合。不同激光器的噪声以平方和方式叠加。当两个激光器性能相同时，拟合得到的线宽为单个激光器线宽的√(2)倍。如果存在一个已知线宽远小于待测ECDL线宽、且处于ECDL调谐范围内的激光器，则可使用该激光器替代。另一种常用的线宽测量方法是延迟自外差法19,20，该方法将部分光束送入一段光纤等光学延迟线，再与原始激光在分束器上混合。该技术要求延迟长度超过待测激光的相干长度。这种方法适用于噪声较大的激光器，但对于线宽为100 kHz的激光器，其相干长度约为3 km，已开始变得不切实际。此外，也可利用饱和吸收池中的原子跃迁或法布里-珀罗腔作为频率参考来测量激光线宽。在此系统中，激光频率需稳定在饱和吸收或法布里-珀罗共振曲线的线性区域，而非进行频率扫描。通过测量光电二极管上的信号噪声并结合已知的共振线宽，可推导出频率噪声。此时，线宽测量的下限由透射共振曲线的斜率决定。
可通过射频谱分析仪观察自由光谱范围频率处的强度噪声，或使用扫描法布里-珀罗干涉仪或分辨率优于外腔二极管激光器（ECDL）自由光谱范围的光谱分析仪，来检测是否存在高阶激光模式。粗调谐范围可通过调节光栅使激光器在其波长极限范围内调谐，同时利用波长计、单色仪或光谱分析仪测量输出功率随波长的变化来确定。无模式跳变的调谐范围通常采用扫描法布里-珀罗腔进行测量，模式跳变可表现为频率上的不连续跃变。

<table><tbody><tr><td>激光二极管&lt;br/&gt; （铷，780 nm）</td><td>Roithner</td><td>ADL-78901TX</td><td>提供多种波长、功率、外壳尺寸和增透膜选项（Thor Labs、Eagle Yard Photonics、Rothnier）</td></tr><tr><td>衍射光栅&lt;br/&gt; （铷，780 nm）</td><td>Newport</td><td>&lt;a href="http://search.newport.com/?q=*&amp;x2=sku&amp;q2=05HG1800-500-1">05HG1800-500-1 &lt;/a&gt;</td><td>全息或刻划光栅&lt;br/&gt; &amp;nbsp;（可选闪耀角）&lt;br/&gt; （Thor Labs、Newport）</td></tr><tr><td>红外观察卡</td><td>Thor Labs</td><td>VRC5</td><td>用于红外光观察</td></tr><tr><td>二极管&amp;nbsp;透镜</td><td>Thor Labs</td><td>C330TME-B</td><td>针对780 nm波长镀膜</td></tr><tr><td>玻璃楔形板</td><td>Thor Labs</td><td>PS814</td><td>10&amp;deg;楔角</td></tr><tr><td>半波片</td><td>Thor Labs</td><td>WPH10M-780</td><td>适用于780 nm</td></tr><tr><td>四分之一波片</td><td>Thor Labs</td><td>WPQ10M-780</td><td>适用于780 nm</td></tr><tr><td>旋转调节架</td><td>Thor Labs</td><td>RSP1C</td><td></td></tr><tr><td>偏振分束立方体（PBS）</td><td>Thor Labs</td><td>PBS252</td><td>适用于780 nm</td></tr><tr><td>光隔离器</td><td>Thor Labs</td><td>IO-5-780-HP</td><td></td></tr><tr><td>蒸气池</td><td>Thor Labs</td><td>&lt;a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=GC25075-RB">GC25075-RB&lt;/a&gt;</td><td>含铷&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>光电探测器</td><td>Moglabs</td><td>PDD-001-400-1100-&amp;lambda;</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>波长计</td><td>Yokogawa</td><td>AQ-6515A</td><td>我们使用的是光谱分析仪，但更便宜的波长计也足够使用。</td></tr><tr><td>电子频谱分析仪</td><td>Agilent</td><td>E4411B</td><td></td></tr><tr><td>红外观察仪</td><td>FJW Optical Systems Inc</td><td>84499A-5</td><td>红外成像设备</td></tr></tbody></table>

用于原子物理的外腔二极管激光器的构建与表征

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

自20世纪80年代末问世以来，廉价且可靠的外腔二极管激光器（ECDL）已取代复杂而昂贵的传统染料激光器和钛宝石激光器，成为原子物理实验室中的主力激光器1,2。由于其在吸收光谱和激光冷却等原子物理应用中具有广泛的适用性和广泛使用1,2，新进学生必须牢固掌握这些激光器的实际操作原理。本文在Wieman的开创性工作基础上3，更新了相关组件，并提供了视频教程。文中将详细描述ECDL的搭建、频率锁定及性能表征过程，内容包括：组件选型、激光二极管与光栅的正确安装、影响谐振腔内模式选择的因素、实现最佳外部反馈的准直调节、用于粗略和精细频率敏感测量的光学系统设置、激光锁定技术的简要概述，以及激光线宽测量方法。

外腔二极管激光器（ECDL）的频率对准、锁频及线宽表征主要包括五个关键步骤：从光栅获取反馈，并利用该反馈通过波长计粗略设定ECDL频率；观察参考气室中的激光吸收现象；在饱和吸收光谱系统中观测分辨率达到自然线宽量级的原子跃迁；获取目标跃迁附近的误差信号并实现锁定；最后，观测两束激光的拍频信号并测量激光线宽。第一步在波长计读数对应目标原子跃迁波长时即可较为简便地完成。当尝试在参考气室中实现吸收时，若激光频率扫过跃迁频率，使用红外观察仪可在气室内的光路中看到荧光信号；若ECDL正在进行扫描，气室将出现闪烁现象。在初次调节时，饱和吸收信号可能较难识别，因为其透射谱线深度通常远小于多普勒加宽的吸收峰。当能够观察到与图4所示相似的谱峰时，表明饱和吸收系统已正常工作。通过调节相位和扫描参数，应获得与图4所示相似的误差信号。为测量ECDL线宽，需获得两束光之间的拍频信号。随着两束光重叠程度逐渐提高，光电探测器连接的示波器上将开始出现正弦波形。持续调节光路，直至波形的波节与波腹之间对比度达到最大。当该拍频信号输入电子频谱分析仪后，应观察到与图6相似的信号，由此信号可测量激光线宽。完整的光学系统装置如图1所示。
<img alt="激光二极管、光栅、反射镜构成的光学激发系统示意图；用于测量光的衍射。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 完整的光学系统装置。 这是本文所讨论的外腔二极管激光器（ECDL）系统的完整光学装置示例。A： 显示ECDL的利特罗（Littrow）构型。入射到光栅上的光束中，通常有20–30%被衍射回激光二极管中。衍射角与反射角相等。光栅安装在调谐平台上，通过压电陶瓷（piezo）控制光栅角度。B： 激光二极管输出的光束以角度θ入射到光栅上，0级衍射光被反射，而1st级衍射光沿入射光路返回。在利特罗构型中，衍射光的波长由公式λ = 2dsin(θ)给出。C： 光学隔离器的位置和取向，用于减少对激光二极管的不必要反馈。D： 激光器输出的光束依次通过一个λ/2波片和偏振分束器（PBS），并准直到波长计上。通过旋转波片可调节反射光束和透射光束中的功率。E： 用于实验的光路。该光路将包含激光的大部分功率。F： 将一束参考光以等于或高于饱和光强的强度通过偏振分束器（PBS）、λ/4波片、参考气体池，并将其原路返回至PBS。确保两束光良好重叠对于获得正确的饱和光谱至关重要。波片可确保返回光束的偏振方向相对于入射光束旋转90°，从而使其从分束器的另一端口输出。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" target="_blank">点击此处查看大图。</a>
<img alt="电源电路图；R1、C1、D1、D2 用于电压调节；电子原理图。" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig2highres.jpg" width="200" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2. 激光二极管保护电路。 该电路为激光二极管电流的示例保护电路。R1 和 C1 构成一个基本的RC电路，可滤除高频噪声。D1 和 D2 分别为肖特基二极管和稳压二极管。肖特基二极管响应时间较快，用于防止反向电压；稳压二极管响应时间较慢，设计用于在电流超过激光二极管最大工作电压时导通，从而避免激光二极管受损。各元件的典型取值为：R1 = 1 Ω，C1 = 1 mF，D1 = 30 V，D2 = 6 V。所选R1和C1的取值将限制二极管的电流调制带宽。若采用电流调制而非本文讨论的塞曼调制来生成误差信号，则此带宽可能不够理想。
<img alt="光频谱分析；图表；强度与频率关系；光子学；发射。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 外腔二极管激光器（ECDL）中的竞争模式。 绿色： 光栅衍射级次的线宽，约为 50 GHz，具体取决于所用光栅。红色实线： 激光二极管的内腔模式，线宽约为 10 MHz，自由光谱范围约为 80 GHz。红色虚线： 带有抗反射涂层的二极管内腔模式，此类二极管的线宽在纳米量级。蓝色： 外腔模式，线宽约为 500 kHz，自由光谱范围约为 5 GHz，对应一个长度为 3 cm 的外腔。调节光栅角度会改变绿色曲线的中心位置，同时改变外腔长度，从而导致蓝色曲线发生相应移动；调节二极管的电流和温度则会使红色曲线发生位移。
<img alt="显示分子跃迁（MHz 范围）的频率与电压光谱图。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
 
图 4. 饱和吸收光谱及其对应的误差信号。 针对铷-87。下部曲线：通过无多普勒展宽光谱获得的较宽多普勒吸收峰上的饱和吸收峰。上部曲线：相应饱和吸收系统的误差信号。误差信号上方的标签对应原子跃迁（F→F'）。
<img alt="带铜线圈的电磁铁，用于磁场演示的物理实验装置。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
 
图 5. 塞曼线圈。 缠绕在用于塞曼调制的铷蒸气池周围的线圈。
<img alt="频率响应图，强度 vs. 频率，MHz 范围；电磁波谱分析。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 6"> 
图 6. 激光线宽。 由两台相似激光器产生的拍频信号通过频谱分析仪测得。由图可知，拍频频率为 206.24 MHz，线宽为 0.3 MHz，积分时间为 20 毫秒。
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635">
	<colgroup>
		<col>
		<col>
		<col>
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:237px;">电流控制器</td>
			<td style="width:123px;">范围</td>
			<td style="width:275px;">噪声</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Thor Labs:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC200CV</td>
			<td>0-20 mA</td>
			<td>&lt;1 µA (10 Hz -10 MHz) </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC201CU</td>
			<td>0-100 mA</td>
			<td>&lt;0.2 µA (10 Hz -10 MHz) </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC202C</td>
			<td>0-200 mA</td>
			<td>&lt;1.5 µA (10 Hz -1 MHz) </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC205C</td>
			<td>0-500 mA</td>
			<td>&lt;3 µA (10 Hz -1 MHz) </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Moglabs:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-202</td>
			<td>0-200 mA</td>
			<td>&lt;300 pA/√Hz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-252</td>
			<td>0-250 mA</td>
			<td>&lt;300 pA/√Hz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-502</td>
			<td>0-500 mA</td>
			<td>&lt; 300 pA/√Hz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Stanford Research Systems:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC500</td>
			<td>0-100 mA</td>
			<td>&lt; 0.9 µA RMS (10 Hz -1 MHz) </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC501</td>
			<td>0-500 mA</td>
			<td>&lt; 4.5 µA RMS (10 Hz -1 MHz)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Toptica:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DCC 110/100</td>
			<td>0-100 mA</td>
			<td>200 nA RMS (5 Hz-1 MHz)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DCC 110/500</td>
			<td>0-500 mA</td>
			<td>1 µA RMS (5 Hz-1 MHz)</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;">温度控制器</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Thor Labs:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TED200C</td>
			<td>-45 至 145 °C</td>
			<td>±2 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Moglabs:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-202</td>
			<td>-40 至 50 °C</td>
			<td>±5 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-252</td>
			<td>-40 至 50 °C</td>
			<td>±5 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-502</td>
			<td>-40 至 50 °C</td>
			<td>±5 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Stanford Research Systems:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC500</td>
			<td>-55 至 150 °C</td>
			<td>±2 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC501</td>
			<td>-55 至 150 °C</td>
			<td>±2 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Toptica:</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DTC 110</td>
			<td>0-50 °C</td>
			<td>±2 mK</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 激光二极管电流与温度控制器。 不同厂商的激光二极管电流和温度控制器及其参数范围与噪声水平。

本文是一篇指导性论文，旨在指导外腔二极管激光器（ECDL）的构建与调试，包括器件选型与光路准直，以及原子物理领域应用中频率参考光谱学和激光线宽测量的基础方法。

自20世纪80年代末以来，廉价且可靠的外腔二极管激光器（ECDLs）已取代了复杂且昂贵的传统染料激光器和……

本实验的总体目标是演示外腔二极管激光器的正确组装与表征方法。首先通过确定光学元件的合适取向并实现反馈激光，完成激光器的组装；第二步是建立饱和吸收系统，以调节激光频率。接下来，将激光调至共振状态，并获得无多普勒展宽的吸收信号。最后一步是将该光束与第二台调谐激光器的光束进行干涉，以测量谱线宽度。最终，构建一台外腔DDE激光器，使其作用于具有目标原子跃迁的原子，并测量其谱线宽度。该方法的可视化演示非常有用，因为其操作步骤难以掌握。本视频将从外腔二极管激光器的组装开始。在选择激光二极管、透镜、光栅和电子元件后，应佩戴接地腕带，以防静电放电损坏二极管。此处的机械系统（除二极管透镜和光栅外）安装在激光器的热电制冷连续组件上。将激光二极管插入其安装孔中，并使用其安装环固定；安装环应贴合紧密，但不可过度拧紧。DDE 可以以及接地引脚应永久接地。将透镜安装在二极管前方，并安装透镜管组件。检查引脚分配后，将激光二极管连接至保护电路和电流电源。取下接地腕带，并通过将激光二极管的温度和电流设置为建议值，来设定二极管和热电冷却器的正常工作条件。针对目标波长，开启温度控制器并等待温度稳定。随后，采取适当的激光操作安全措施，包括佩戴护目镜。打开二极管，并在其前方放置一块红外观察卡。逐渐增大电流，使在二极管和透镜组的配置下能够清晰地观察到输出光束。然后将注意力转向衍射光栅。首先，检查刻线的取向。衍射平面通常标有一个箭头，该箭头垂直于刻线，并指向闪耀反射的方向。通过在灯泡下操作，并从箭头所指方向观察刻线，以再次确认标记的正确性。来自宽带光源的反射光在角度变化时应呈现颜色变化。将光栅安装到外腔二极管激光器的调谐臂上，使其反馈功率最大。确保箭头指向背向dde的方向。然后使用快干胶固定光栅。接着准备使用非球面准直透镜对光束进行准直。将透镜安装在激光二极管前方。可以调整二极管与透镜之间的距离。安装透镜后，使用光束卡检查光束直径在至少三米范围内是否保持恒定。如有必要，调节二极管与透镜之间的间距。接下来，在光路中放置一个可旋转的偏振器，以检查偏振方向是否处于衍射光栅所需的平面内。至此，外腔二极管激光器的搭建完成。开始准直时，将观察卡置于外腔二极管激光器的光束中。接下来是激光二极管部分。在本实验中，将二极管控制箱的设定电流调节至略低于阈值。然后开始调节系统的调整螺丝。使用螺丝调节分级臂的角度，直至形成外部反馈腔。调节过程中，观察观察卡。反馈腔形成的迹象之一是观察卡上的亮度增加或出现闪光。下一步是防止由于背向反射导致的激光器不稳定。为此，在激光器后立即添加一个光学隔离器。现在，为了辅助激光频率调谐，准备对绝对波长进行粗略测量，精度控制在小于一纳米。为此，使用半波片和偏振分束器从主光束中分出一束次级光束，并将其输入波长计。调节外腔式二极管激光器，直至获得所需的输出波长，对于该铷二极管，波长约为 780 纳米。现在准备系统进行饱和吸收实验。光谱学实验中，将部分激光束直接通过一个偏振分束器和一个四分之一波片。在四分之一波片之后，放置一个由螺线管包围的参考蒸气池。螺线管后放置一面反射镜，从该镜面反射的光经由分束器导向一个光电探测器。将光电探测器连接到示波器。使用DDE控制器扫描波长，直至观察到吸收信号。对于处于780纳米跃迁的铷原子池，存在一个约五吉赫兹宽的多普勒展宽吸收信号，同时还有若干个尖锐的10兆赫兹跃迁信号。此外，当激光扫描铷原子780纳米跃迁时，激光束应在蒸气池中可见，以产生用于锁频的误差信号。使用函数发生器以约250千赫的频率和1高斯的幅度调制螺线管的磁场。将吸收光电探测器输出的信号与函数发生器的调制信号混合，从而在示波器上获得误差信号。与图中类似，每个超精细 F 到 F′ 跃迁均被标记。通过调节置于蒸气池前的四分之一波片的相对相位，控制误差信号的幅度。此时，将扫描范围中心对准目标跃迁，然后逐步减小扫描范围，直至不再出现其他跃迁信号。使用比例积分微分电路，结合误差信号来锁定激光波长。为了精确测量线宽，需使用两台外腔二极管激光器。每台激光器均应遵循此处所示的示意图。通过添加半波片和偏振分束器来引导每个激光器的光束。在完成波长测量装置后，首先将两个激光器分别锁定在相距约100兆赫的不同的超精细跃迁上，并匹配它们的模式、功率和偏振态。完成此步骤后，使用50/50非偏振分束器使两束光发生干涉。将产生的光束导向光电探测器。在示波器上检查光电探测器的信号输出。该信号应为正弦波，其频率等于两台激光器频率之差。使用频谱分析仪以获得频率波动的最佳分辨率。如本示例所示，将在拍频处出现一个中心对称的空缺轮廓，该轮廓可近似为高斯分布。此处拍频频率约为 206.24 兆赫，对准精度为 0.3 兆赫。观看本视频后，您应能充分理解如何构建和表征常见的外腔可调谐激光器。

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