用于原子物理的外腔二极管激光器的构建与表征

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。