Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die korrekte Montage und Charakterisierung von Diodenlasern mit externem Resonator zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem zunächst die richtige Ausrichtung der optischen Elemente gefunden und eine Feedback-Lazing erreicht wird. Der zweite Schritt besteht darin, ein gesättigtes Absorptionssystem zur Abstimmung der Laserfrequenz einzurichten.

Stellen Sie anschließend den Laser auf Resonanz ein und erhalten Sie ein Doppler-freies Absorptionssignal. Der letzte Schritt besteht darin, den Strahl mit dem eines zweiten abgestimmten Lasers zu interferieren, um die Linienbreite zu messen. Abschließend wird ein externer Resonator-DDE-Laser an Bewohnern mit dem gewünschten atomaren Übergang gebaut und dessen Linienbreite vermessen.

visuelle Demonstration dieser Methode ist nützlich, da die Verfahrensschritte schwer zu erlernen sind. Dieses Video beginnt mit der Montage des externen Resonatordiodenlasers. Nach der Auswahl der Laserdiodenlinse, des Gitters und der Elektronik wird ein Erdungsband getragen, um die Diode nicht durch statische Entladung zu beschädigen.

Hier wird das mechanische System, mit Ausnahme der Diodenlinse und des Gitters, auf einem thermisch-elektrischen Kühler montiert kontinuierliche Montage des Lasers. Indem die Laserdiode in ihr Befestigungsloch eingesetzt und mit ihrem Montagering gesichert wird, sollte der Montagering fest anliegen, aber nicht vom Typ DDE sein können, und die Erdungsstifte sollten dauerhaft geerdet werden. Montieren Sie die Linse vor der Diode und montieren Sie die Linsentubusbaugruppe. Nach Überprüfung der Pinbelegung verbinden Sie die Laserdiode mit einer Schutzschaltung und der Stromversorgung.

Entfernen Sie das Erdungsband und stellen Sie die richtigen Betriebsbedingungen für die Diode und den thermoelektrischen Kühler ein, indem Sie die Diodentemperatur und den Strom auf den empfohlenen Wert einstellen. Schalten Sie für die gewünschte Wellenlänge den Temperaturregler ein und lassen Sie die Temperatur stabilisieren. Treffen Sie als Nächstes die richtigen Sicherheitsvorkehrungen für die Arbeit mit Lasern, einschließlich der Verwendung einer Schutzbrille.

Schalten Sie die Diode ein und platzieren Sie eine Infrarot-Betrachtungskarte davor. Erhöhen Sie den Strom, so dass der Ausgangsstrahl bei aufgestellter Diode und Linse deutlich zu sehen ist. Achten Sie auf die Beugungsabstufung.

Überprüfen Sie zunächst die Ausrichtung der Verschneidungslinien. Die Beugungsebene ist in der Regel mit einem Pfeil gekennzeichnet, der senkrecht zu den Gradierungslinien und in Richtung der durchleuchteten Reflexion verläuft. Überprüfen Sie die Beschriftung, indem Sie unter einer Glühbirne arbeiten und die Verschneidung aus der Richtung betrachten, auf die der Pfeil zeigt.

Das von der Breitbandquelle reflektierte Licht sollte seine Farbe ändern, wenn der Winkel variiert wird. Bereiten Sie die Montage der Planierung vor, indem Sie sie auf den Abstimmarm des Diodenlasers mit externem Hohlraum ausrichten, um eine maximale Rückkopplungsleistung zu erzielen. Stellen Sie sicher, dass der Pfeil zurück in Richtung DDE zeigt.

Verwenden Sie dann einen Schnellkleber, um die Verschneidung zu montieren. Bereiten Sie sich nun darauf vor, den Strahl mit einer asphärischen Sammellinse zu collieren. Montieren Sie die Linse vor der Diode.

Der Abstand zwischen der Diode und der Linse kann eingestellt werden. Sobald das Objektiv montiert ist, überprüfen Sie mit der Strahlkarte, ob der Strahldurchmesser über mindestens drei Meter konstant ist. Passen Sie bei Bedarf den Abstand der Diodenlinsen an.

Platzieren Sie anschließend einen drehbaren Polarisator im Strahlengang, um zu überprüfen, ob sich die Polarisation in der gewünschten Ebene für die Beugungsabstufung befindet. Damit ist der Aufbau des externen Hohlraumdiodenlasers abgeschlossen. Beginnen Sie mit der Ausrichtung, indem Sie eine Betrachtungskarte in den Diodenlaserstrahl des externen Hohlraums einsetzen.

Als nächstes kommt die Diode. Stellen Sie in diesem Experiment den eingestellten Strom an der Diodensteuerbox auf knapp unter dem Schwellenwert ein. Beginnen Sie dann mit der Arbeit mit den Einstellschrauben des Systems.

Verwenden Sie die Schrauben, um den Winkel des Planierarms zu ändern, bis ein externer Rückkopplungshohlraum erreicht ist. Während die Einstellungen vorgenommen werden, beobachten Sie die Ansichtskarte. Ein Anzeichen für einen Rückkopplungshohlraum ist eine Erhöhung der Helligkeit oder ein Blitz auf der Betrachtungskarte.

Der nächste Schritt besteht darin, eine Instabilität des Lasers durch Rückreflexion zu verhindern. Fügen Sie dazu unmittelbar nach dem Laser einen optischen Isolator hinzu. Um nun bei der Laserfrequenzabstimmung zu helfen, bereiten Sie sich darauf vor, eine Kursmessung der absoluten Wellenlänge mit einer Genauigkeit von weniger als einem Nanometer durchzuführen.

Verwenden Sie dazu eine Halbwellenplatte und einen polarisierenden Strahlteiler, um einen Sekundärstrahl vom Hauptstrahl abzufangen und in ein Wellenmessgerät einzugeben. Stellen Sie den externen Hohlraumdiodenlaser ein, bis die gewünschte Ausgangswellenlänge für diese Rubidiumdiode etwa 780 Nanometer erreicht ist. Bereiten Sie nun das System für die gesättigte Absorption vor.

Die Spektroskopie lenkt einen Teil des Laserstrahls durch einen polarisierenden Strahlteiler und eine Viertelwellenplatte. Platzieren Sie nach der Viertelwellenplatte eine Referenzdampfzelle, die von einem Magneten umgeben ist. Folgen Sie dem Magneten mit einem Spiegel, das vom Spiegel reflektierte Licht wird vom Strahlteiler auf einen Fotodetektor gelenkt.

Befestigen Sie den Fotodetektor an einem Oszilloskop. Verwenden Sie den DDE-Controller, um die Wellenlänge zu scannen, bis ein Absorptionssignal zu sehen ist. Für eine Rubidiumzelle am Übergang von 780 Nanometern gibt es ein dopplerverbreitertes Absorptionssignal mit einer Breite, etwa fünf Gigahertz und mehreren scharfen 10-Megahertz-Übergängen.

Auch wenn der Laser den atomaren Übergang von Rubidium 780 Nanometern überfährt, sollte der Laserstrahl in der Dampfzelle sichtbar sein, um ein Fehlersignal für die Verriegelung zu erzeugen. Verwenden Sie einen Funktionsgenerator, um das Magnetfeld des Magneten bei etwa 250 Kilohertz mit einer Größenordnung von einem Gause zu modulieren. Mischen Sie das Signal vom Ausgang des Absorptionsphotodetektors mit dem Modulationssignal des Funktionsgenerators, um ein Fehlersignal auf dem Oszilloskop zu erhalten.

Ähnlich wie hier ist jeder Hyperfin-F-Zwei-F-Primzahlübergang beschriftet. Steuern Sie die Stärke des Fehlersignals, indem Sie die relative Phase mit der Viertelwellenplatte vor der Dampfzelle einstellen. Zentrieren Sie den Scan an dieser Stelle über dem interessierenden Übergang. Verringern Sie dann schrittweise den Scanbereich, bis keine weiteren Übergänge mehr vorhanden sind.

Verwenden Sie eine proportionale integrale Ableitungsschaltung, um die Laserwellenlänge anhand des Fehlersignals zu sperren. Um eine genaue Linienbreitenmessung durchzuführen, verwenden Sie zwei externe Hohlraumdiodenlaser. Jeder Laser sollte dem hier gezeigten Schema folgen.

Richten Sie den Strahl von jedem Laser aus, indem Sie eine Halbwellenplatte und einen polarisierenden Strahlteiler hinzufügen. Nach dem Kurs beginnen die Wellenlängenmessgeräte damit, die beiden Laser an unterschiedliche Hyperfeinübergänge zu koppeln, die etwa 100 Megahertz voneinander entfernt sind und deren Moden, Leistung und Polarisation aufeinander abgestimmt sind. Sobald dies erledigt ist, verwenden Sie einen unpolaren Strahlteiler 50 50, um die beiden Strahlen zu interferieren.

Richten Sie den resultierenden Strahl auf einen Fotodetektor. Überprüfen Sie die Signalausgabe des Fotodetektors an einem Oszilloskop. Das Signal sollte eine Sinuswelle mit einer Frequenz sein, die der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Laser entspricht.

Verwenden Sie einen Spektrumanalysator, um die Frequenzschwankungen am besten aufzulösen. Wie in diesem Beispiel gibt es ein Void-Profil, das auf der Schwebungsfrequenz zentriert ist und durch einen Gaußschen Ton angenähert werden kann. Hier hat der Schlag eine Frequenz von etwa 206,24 Megahertz und ist auf 0,3 Megahertz ausgerichtet.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie der gängige Laser mit externem Resonator konstruiert und charakterisiert wird.