Name: Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-24T13:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Découvrez la construction et la caractérisation des lasers à diode à cavité externe pour la physique atomique. Cette méthode montre l'assemblage optique, l'accord de fréquence et la mesure de la largeur de raie avec précision.

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Les auteurs n&#39;ont rien à révéler. Produits et de sociétés sont des citations précises dans le but de clarification et ne sont pas une approbation par les auteurs.

Cette publication a montré comment passer d&#39;une ECDL démonté par l&#39;alignement et le verrouillage de fréquence pour produire une mesure de la largeur de raie du laser. La conception mécanique et la conception des appareils électroniques tels que les servos PID, les pilotes de diodes et des régulateurs de température est trop spécialisées pour être discuté ici, mais ont été examinés de manière approfondie dans les publications référencées 1,3,5. Bien que ECDL diode est ainsi devenue un aliment de base dans les laboratoires de physique atomique, les espèces et les transitions que ces dispositifs peuvent atteindre est limitée. Beaucoup de progrès ont été réalisés dans l&#39;élargissement de la gamme de longueur d&#39;onde de diodes lasers à base de mais a de nombreuses lacunes demeurent en particulier dans l&#39;UV. limitations de puissance de DLCE continuent de restreindre leurs applications. Bare diodes monomodes ont une puissance de μWatts à 100 de mWatts. De plus, les amplificateurs coniques peuvent être ajoutés à un système PCIE pour augmenter la puissance totale du laser monomodejusqu&#39;au niveau Watt. Si les puissances monomodes beaucoup plus qu&#39;un Watt ou d&#39;autres longueurs d&#39;onde sont nécessaires architectures laser alternatives sont nécessaires. Il s&#39;agit notamment des lasers à fibre 26, les lasers à l&#39;état solide 27 tels que les lasers TiSaph ou ils peuvent compter sur la conversion de fréquence non linéaire des processus 27 tels que les lasers Raman, mélange à quatre ondes, génération de fréquence somme, ou un oscillateur paramétrique optique. Cette publication met l&#39;accent sur un mécanisme de verrouillage qui dépend d&#39;une cellule de vapeurs atomiques. Pour de nombreuses applications en physique atomique une cellule de vapeur en verre simple, tel que discuté ici, peut ne pas être disponible, comme c&#39;est le cas pour des espèces comme Yb. De nombreuses autres techniques permettant d&#39;obtenir un échantillon de référence avec une variété d&#39;espèces ont été démontrés comme par faisceaux atomiques chaudes, des lampes à décharge de gaz, des cellules de mémoire tampon, les cellules de l&#39;iode, et des cellules de pulvérisation. Cette conception de système de laser est intrinsèquement limitée à des largeurs de ligne de ≈ 30 kHz 28 et habituellement proche de 100 kHz. Si l&#39;application nécessite un plus étroites largeur de raie d&#39;autres techniques de stabilisation ou laser alternatif conçoit 26 sont obligatoires. Pour travailler avec des systèmes optiques, la propreté est de la plus haute importance. Il est de bonne pratique lors de la première étant introduit à l&#39;optique et à la manipulation de porter des gants pour éviter de toucher accidentellement la surface optique. Si un élément optique est rayé, il ne doit pas être utilisé dans un système de laser. Dans la plupart des cas, l&#39;optique avec des impressions ou des poussières doigts peuvent être nettoyés avec de l&#39;acétone ou de l&#39;air comprimé respectivement. Toute imperfection dans une surface optique peut et va introduire des pertes et éventuellement du bruit dans le système. montures optiques doivent être fixés au banc d&#39;optique en tout temps et doivent être fermement boulonnés une fois en place. Lors de l&#39;alignement optique tels que lames d&#39;onde et séparateurs de faisceau polarisants, assurer la lumière est incidente près perpendiculaire à la surface optique tout avoIding réflexions retour dans le laser. Comme l&#39;angle d&#39;incidence s&#39;écarte de 90 ° par le comportement de ces éléments optiques devient de plus en plus d&#39;être idéale. Afin de minimiser l&#39;aberration et de maximiser poutres d&#39;ouverture numérique doit toujours voyager à travers le centre de lentilles et être perpendiculaire à la lentille. A l&#39;inverse, une cellule à vapeur doit être placé à un léger angle par rapport au faisceau incident afin d&#39;éviter les effets d&#39;étalon. Pour cette raison, de nombreuses cellules de vapeur sont fabriqués avec des facettes d&#39;extrémités non parallèles. Les lasers utilisés ici sont la classe 3B. Même les réflexions parasites ont le potentiel pour des lésions oculaires. Travailler avec des lasers de ce type ne doit être effectué par un personnel qualifié et familier avec les dangers des lasers. des lunettes de sécurité laser doivent être portés en tout temps. Ne regardez jamais directement sur le chemin de toute laser pour l&#39;alignement optique et de prendre un soin particulier pour éviter de générer des reflets spéculaires dangereux hors composants optiques. Terminez toujours positive lignes de faisceaux USIng une décharge de faisceau.

Mesure et la manipulation de l&#39;état quantique d&#39;atomes est au cœur de la physique atomique et nécessite la capacité de répondre aux transitions spécifiques entre les états électroniques atomiques. Par exemple envisager rubidium, un atome alcalin utilisé typique et beaucoup. Ici, la longueur d&#39;onde de la lumière à coupler le sol et l&#39;état électronique excité premier est ~ 780 nm (384 THz) et la durée de vie de l&#39;état excité à cause de l&#39;émission spontanée est ~ 26 ns donnant une largeur de raie d&#39;absorption de 6 MHz 4. Ainsi, une source de lumière avec la stabilité de fréquence d&#39;au moins une partie de 108 est nécessaire pour traiter de manière fiable cette transition. Avant le développement de ECDLs, les lasers à colorants et les lasers titane saphir ont été généralement utilisé pour la physique atomique. Ce sont de grands systèmes complexes et coûteuses qui offrent un gain optique sur une large bande passante et donc peuvent être réglés à chevaucher une transition atomique. Le potentiel de remplacer ces supports de gain avec une simple diode laser conçu wi pas chere une bande interdite correspondant à la longueur d&#39;onde désirée a été reconnu dans le début des années 1980 1,2. Simple, facile à construire des conceptions qui permettent d&#39;atteindre des largeurs de ligne 100 kHz ont été bien comprises et le lieu commun par le début des années 1990 3,5,6. De nombreuses configurations et des conceptions différentes ont été mises en évidence chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Sans doute les configurations les plus courantes sont les neuf configurations Littrow 3,5,7,8 et Littman. Cette discussion se concentre sur la plus simple, la configuration Littrow représenté sur la figure 1A. Un certain nombre de mécanismes de réglage sont utilisées simultanément afin d&#39;obtenir une haute précision de la fréquence de laser. En premier lieu, une diode est nécessaire avec une largeur de bande interdite produire un gain suffisant à la longueur d&#39;onde souhaitée à une température de fonctionnement possible. La diode laser typique aura un gain sur plusieurs nanomètres (THz). Deuxièmement, un réseau de diffraction réfléchissant est l&#39;angle réglé pour fournir une rétroaction optique dans la diode à la recherchélongueur d&#39;onde. En fonction du réseau, la diode, la lentille de focalisation utilisé et leur alignement, le réseau sélectionne une plage de fréquences de 50-100 GHz typiquement. Le laser oscille à une longueur d&#39;onde de résonance de la cavité externe du laser (entre la facette arrière de la diode et la grille). Tuning cette longueur de la cavité à travers une longueur d&#39;onde permet le laser pour être réglé sur une plage spectrale libre (c / (2 L)) autour de la crête de gain de réseau, où c est la vitesse de la lumière et L est la longueur de la cavité, typiquement 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Lorsque deux modes de cavité sont une longueur d&#39;onde proche de la longueur d&#39;onde pic réseau rétroaction le laser peut fonctionner multimode. Comme le mode de la cavité d&#39;oscillation est accordée en outre à partir de la crête de gain que le mode laser voisine de la volonté saut de mode de limitation de la plage d&#39;accord. Le comportement des modes de cavité en ce qui concerne le mode de réseau peut être vu dans la figure 3. La plage de réglage mode libre-hop est un indicateur de performance clé pour une ECDL. En réglant simultanément l&#39;angle de réseau et la longueur de la cavité, il est possible de régler en continu à travers plusieurs plages spectrales libres en mode sans sauts, ce qui rend la localisation et de blocage à des caractéristiques spectrales plus facile 8. Le réglage électronique de la longueur de chemin optique de la cavité de verrouillage peut être réalisé par une combinaison de réglage de l&#39;angle / la position de réseau à l&#39;aide d&#39;un actionneur piézo-électrique (figure 1A) (largeur de bande de balayage d&#39;environ 1 kHz) et le réglage du courant de diode qui module principalement la réfraction indice de la diode (largeur de bande de balayage ≥ 100 kHz). Utilisation de diodes laser plutôt que anti-reflet (AR) des puces de gain enrobées pour le milieu de gain ajoute la complication supplémentaire consistant à ajouter de la réponse de la cavité interne de la diode laser qui peut avoir un intervalle spectral libre typique de 100 à 200 GHz. Dans ce cas, la cavité doit être la température réglée pour correspondre à la réponse du réseau de diffraction. En utilisant une diode laser plutôt que d&#39;une puce de gain enduit AR permettra de réduire considérablement le saut de mode libre tgamme uning moins qu&#39;il y ait un moyen de régler de façon synchrone le courant de diode ou de la température. Enfin, pour obtenir une largeur de raie inférieure à 100 kHz attention doit être accordée à éliminer d&#39;autres sources de bruit. Cela nécessite la conception mécanique minutieuse des supports pour minimiser les vibrations acoustiques, stabilisation de la température au niveau mK, RMS stabilité actuelle de la diode au niveau ≤ 30 nA et réglage minutieux de la plus-value de tout blocage des boucles 10. Sélection des appareils électroniques appropriées pour l&#39;application est tout aussi important que la conception de laser et de l&#39;optique. Une liste des contrôleurs de diodes et les spécifications peuvent être trouvées dans le tableau 1. Une fois que l&#39;effet laser stable a été atteint, la deuxième condition consiste à verrouiller la fréquence du laser à une référence comme une transition atomique, une cavité optique laser ou autre. Cela supprime les effets de dérives lentes telles que les petites variations de température, ce qui élimine pratiquement le bruit pour des fréquences avecdans la bande passante de la boucle de verrouillage. Il existe une multitude de techniques qui ont été développées pour l&#39;obtention d&#39;un signal d&#39;erreur, chacun étant adapté pour un système de verrouillage de référence particulier. Un signal d&#39;erreur de verrouillage de phase de deux lasers peut être obtenue par le mélange des deux lasers sur un séparateur de faisceau. Pound-Drever salle 11 ou inclinaison de verrouillage 12 peut être utilisé pour verrouiller une cavité. Pour verrouiller à une ligne d&#39;absorption atomique DAVLL 13 ou la spectroscopie d&#39;absorption saturée 3,14 en combinaison avec la modulation de courant 10, 10 Zeeman modulation, ou le basculement de verrouillage 15 peut être utilisé. Le verrouillage d&#39;un PCIE à une transition de rubidium utilisant la modulation de Zeeman absorption saturée dans une cellule de vapeur sera décrite ici. Si un faisceau de faible intensité traverse une cellule de vapeur de rubidium à la température ambiante et la fréquence est accordée au voisinage de la transition atomique nm 780 un certain nombre de caractéristiques Doppler élargi d&#39;absorption ~ 500 MHz de largeon observera plutôt que la largeur de raie naturelle large de 6 MHz (calculs pour des largeurs de raie Doppler naturels et peuvent être trouvés dans de pied 16). Si, toutefois, ce faisceau est réfléchi rétro, la seconde passe aura moins d&#39;absorption de résonance des atomes avec une vitesse longitudinale zéro ont déjà été partiellement excité par le premier passage 17. D&#39;autres fréquences sont absorbées par les populations de vitesses différentes à chaque passage, et donc l&#39;absorption ne soient pas saturés. De cette manière, une fonction de transmission apparente superposée sur le Doppler élargi absorption au niveau des transitions avec une largeur sur la largeur naturelle peut être obtenue. Cela fournit une référence de fréquence absolue forte pour verrouiller. La fréquence de la transition atomique peut être modulée en utilisant l&#39;effet Zeeman par juxtaposition l&#39;amplitude d&#39;un champ magnétique dans la cellule de référence. Un champ magnétique homogène convenable peut être produit en utilisant une installation électro-aimant comme représenté sur la figure 5. Mélange électroniquela forme d&#39;onde modulée avec la transmission d&#39;absorption saturée génère un signal d&#39;erreur qui peut être utilisé pour ajuster le courant de diode et intégré pour régler la tension piézo-électrique. Ainsi, le laser peut être verrouillé à la transition sans qu&#39;il soit nécessaire de moduler la fréquence du laser. La largeur de raie d&#39;un PCIE est généralement mesurée par interférence de deux lasers verrouillés en fréquence du même type sur un diviseur de faisceau 18. La fréquence de battement entre les lasers est alors mesurée à l&#39;aide d&#39;une photodiode rapide et un analyseur de spectre RF. Le spectre de bruit au-delà de la largeur de bande de la boucle de verrouillage est alors monté sur une Voigt (convolution d&#39;une gaussienne et lorentzienne) profil. Le bruit des différents lasers ajouter en quadrature. Dans le cas de deux lasers équivalents ce qui donne une largeur de ligne équipée de √ (2) fois la largeur de raie du laser unique. Si un laser est disponible avec une largeur de trait connue nettement inférieur à celui attendu à partir du PCIE et il est à l&#39;intérieur de la plage d&#39;accord de l&#39;ECDL, alors que pourrait être utilisé à la place. Une autre méthode couramment utilisée pour la mesure de largeur de raie est la technique d&#39;auto homodyne retardée 19,20 où une partie du faisceau est envoyé le long d&#39;une ligne à retard optique tel qu&#39;une fibre et ensuite mélangé sur un diviseur de faisceau avec le laser. Cette technique repose sur le retard étant plus longue que la longueur de cohérence du laser en cours de mesure. Cela fonctionne bien pour les lasers bruyants mais pour un laser de 100 kHz de largeur de raie la longueur de cohérence est d&#39;environ 3 km, ce qui commence à devenir impraticable. En variante, une transition atomique dans une cellule d&#39;absorption saturée ou une cavité de Fabry-Pérot peut être utilisé pour fournir une référence de fréquence pour la mesure de la largeur de raie du laser. Dans ce système, la fréquence du laser devra s&#39;asseoir à une partie linéaire de l&#39;éther une absorption saturée ou résonance Fabry-Perot plutôt que le droit de balayer en fréquence. En mesurant le bruit de signal sur une photodiode et en connaissant la largeur de raie de résonance, le bruit de fréquence peut être trouvé. La limite inférieure de la linewidth mesure est alors limitée par la pente de la résonance de transmission. La présence de plus élevés des modes de commande d&#39;émission laser peut être vérifiée en consultant au bruit d&#39;intensité à la fréquence de l&#39;intervalle spectral libre en utilisant un analyseur de spectre RF ou à l&#39;aide d&#39;un balayage de Fabry-Perot ou un analyseur de spectre optique avec une résolution meilleure que la spectrale libre gamme de l&#39;ECDL. La plage de réglage grossier peut être mesurée par la mesure de la puissance en fonction de la longueur d&#39;onde (en utilisant un ondemètre, un monochromateur ou analyseur de spectre optique) lors de l&#39;accord du laser à travers ses limites à l&#39;aide du réseau de diffraction. La plage de réglage mode libre-hop est généralement mesurée à l&#39;aide d&#39;un balayage cavité de Fabry-Perot où un saut de mode peut être détecté comme un saut discontinu en fréquence.

<table><tbody><tr><td>Diode laser (Rubidium, 780 nm)</td><td>Roithner</td><td>ADL-78901TX</td><td>Différentes longueurs d’onde, puissances, tailles de boîtier et revêtements AR sont disponibles (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)</td></tr><tr><td>Réseau de diffraction (Rubidium, 780 nm)</td><td>Newport</td><td><a href="http ://search.newport.com/ ?q=*& x2=sku& q2=05HG1800-500-1">05HG1800-500-1 </a></td><td>Holographique ou rullered &nbsp ;( Blazing) (Thor Labs, Newport)</td></tr><tr><td>Carte de visualisation</td><td>Thor Labs</td><td>VRC5</td><td>Carte de visualisation infrarouge</td></tr><tr><td>Diode&nbsp ; Objectif</td><td>Thor Labs</td><td>C330TME-B</td><td>Coated pour 780 nm</td></tr><tr><td>Cale en verre</td><td>Thor Labs</td><td>PS814</td><td>10&deg ; coin</td></tr><tr><td>1/2 Waveplate</td><td>Thor Labs</td><td>WPH10M-780</td><td>780 nm</td></tr><tr><td>1/4 Waveplate</td><td>Thor Labs</td><td>WPQ10M-780</td><td>780 nm</td></tr><tr><td>Montures rotatives</td><td>Thor Labs</td><td>RSP1C</td><td></td></tr><tr><td>PBS</td><td>Thor Labs</td><td>PBS252</td><td>780 nm</td></tr><tr><td>Isolateur</td><td>Thor Labs</td><td>IO-5-780-HP</td><td></td></tr><tr><td>Cellule</td> vapeur <td>Thor Labs</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=GC25075-RB">GC25075-RB</a></td><td>Rubidium&nbsp ;</td></tr><tr><td>Photodétecteur</td><td>Moglabs</td><td>PDD-001-400-1100-&lambda ;</td><td></td></tr><tr><td>Lunette</td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>Wavemeter</td><td>Yokogawa</td><td>AQ-6515A</td><td>Nous utilisons un analyseur de spectre optique, mais un wavemètre moins cher serait également suffisant.</td></tr><tr><td>Analyseur de spectre électronique</td><td>Agilent</td><td>E4411B</td><td></td></tr><tr><td>IR Viewer</td><td>FJW Optical Systems Inc</td><td>84499A-5</td><td>Visionneuse infrarouge</td></tr></tbody></table>

construction et caractérisation des lasers externes cavité diode de physique atomique

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Depuis leur développement dans les années 1980, bon marché, des diodes laser à cavité externe fiables (de ECDLs) ont remplacé colorant traditionnelle complexe et coûteux et lasers titane saphir comme le laser de cheval de bataille de laboratoires de physique atomique 1,2. Leur polyvalence et l&#39;utilisation prolifique tout au long de la physique atomique dans des applications telles que la spectroscopie d&#39;absorption et de refroidissement laser 1,2, il est impératif pour les nouveaux étudiants d&#39;acquérir une connaissance pratique solide de ces lasers. Cette publication s&#39;appuie sur les travaux fondateurs de Wieman 3, mise à jour de composants, et de fournir un tutoriel vidéo. L&#39;installation, le verrouillage de la fréquence et de la performance caractérisation d&#39;un ECDL sera décrite. Discussion de la sélection des composants et un montage correct des deux diodes et des réseaux, les facteurs influant sur le choix du mode dans la cavité, l&#39;alignement approprié pour retour externe optimale, la configuration de l&#39;optique pour les mesures sensibles fréquence grossier et fin, un bref aperçu de Locki lasertechniques ng, et les mesures de largeur de raie du laser sont inclus.

Il ya 5 étapes principales dans l&#39;alignement, le verrouillage de fréquence et de caractériser la largeur de raie de l&#39;ECDL. Ceux-ci sont: l&#39;obtention de la rétroaction à partir du réseau de diffraction, et en utilisant ces pour régler la fréquence PCIE grossière mesurée sur un ondemètre, en observant l&#39;absorption du laser dans la cellule de référence, la visualisation de la transition atomique avec une résolution d&#39;environ la largeur de raie naturelle dans un système de spectroscopie d&#39;absorption saturée, l&#39;obtention d&#39;un signal d&#39;erreur autour de la transition désirée et de verrouillage, et enfin l&#39;observation de la note de battement de deux lasers et de mesure de la largeur de raie du laser. La première étape est terminée avec succès, assez trivialement quand la longueur d&#39;onde relevée sur l&#39;ondemètre correspond à la transition atomique d&#39;intérêt. Lors d&#39;une tentative d&#39;atteindre l&#39;absorption dans la cellule de référence, fluorescence peut être vu le long du trajet du faisceau dans la cellule avec une visionneuse IR lorsque la transition est atteint. Si l&#39;ECDL scanne la cellule se met à clignoter. Un signal d&#39;absorption saturée peut être difficile à repérer EPM<html> n premier alignant parce que les lignes de transmission peuvent être très faibles par rapport au pic d&#39;absorption de l&#39;effet Doppler. Lorsque les pics, semblables à ceux représentés sur la figure 4, on peut voir, le système d&#39;absorption saturée fonctionne correctement. En ajustant les paramètres de la phase de balayage et un signal d&#39;erreur similaire à celui représenté sur la figure 4 doit être obtenue. Afin de mesurer la largeur de raie PCIE il est nécessaire d&#39;obtenir un signal de battement entre les deux faisceaux. Comme les poutres deviennent de plus en plus se chevauchaient une onde sinusoïdale commencera à apparaître, comme on le voit sur une portée d&#39;un détecteur de photo. Gardez alignement jusqu&#39;à ce que le contraste entre les nœuds et des ventres est le plus grand. Lorsque le signal de battement est ensuite passé à travers un analyseur de spectre électronique d&#39;un signal similaire à la figure 6 devrait être considérée. La largeur de raie du laser peut être mesurée à partir de ce signal. L&#39;ensemble du montage optique peut être vu sur la figure 1. <img alt="&lt;/ Html">&quot;Figure 1&quot; fo: contenu width = &quot;5 po&quot; fo: src = &quot;/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg&quot; /&gt; .. Figure 1 de la configuration complète de l&#39;optique Ceci est un exemple d&#39;une configuration d&#39;optique pour le système complet PCIE discuté de A:. Ceci montre la configuration de Littrow d&#39;un PCIE. Un pourcentage, typiquement de 20 à 30%, du faisceau incident sur le réseau de diffraction est diffracté de nouveau dans la diode. L&#39;angle de diffraction et l&#39;angle de réflexion sont égales. Le réseau de diffraction est monté sur un étage d&#39;accord qui utilise un élément piézo pour contrôler l&#39;angle de réseau B:. Le faisceau de sortie de la diode laser est incident sur ​​le réseau de diffraction à un angle θ avec l&#39;ordre 0 réfléchie par et la diffraction du 1 er de commande étant renvoyé le long du trajet du faisceau incident. La longueur d&#39;onde de la lumière diffractée est donnée par λ = 2 d sin (θ) en configuration Littrow C:. Position et orientation de l&#39;optique estolator à réduire les réactions indésirables de la diode laser à D:. Le faisceau de sortie de la boîte de laser passe à travers un λ / 2 et la lame d&#39;onde du PBS et est alignée à l&#39;ondemètre. La puissance dans les faisceaux réfléchis et transmis peut être ajustée en faisant tourner la lame d&#39;onde E:. Ligne de faisceau utilisé pour l&#39;expérience. Cette ligne contient la majorité de la puissance du laser F:. Passez un faisceau de référence égale ou supérieure à l&#39;intensité de saturation par une PBS, λ / 4 lame d&#39;onde, cellule de gaz de référence, et rétro reflètent en arrière sur la PBS. Il est important que les deux faisceaux sont ainsi recouvertes pour obtenir la spectroscopie de saturation correspondant. La lame d&#39;onde assurera la polarisation de la lumière sur le rétro faisceau réfléchi sera tourné de 90 ° par rapport au faisceau incident qui lui permet de quitter le port en face du diviseur de faisceau. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir l&#39;imag</a>e. <img alt="Figure 2" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig2highres.jpg" width="200" /> Figure 2. Circuit de protection de diode laser. Du circuit de protection de l&#39;exemple pour le courant de la diode laser. R 1 et C 1 forment un circuit de base RC et vont filtrer les bruits de haute fréquence. D 1 et D 2 sont des Schottky et diodes Zener, respectivement. La diode Schottky, qui a un temps de réponse rapide, est en place pour protéger contre les tensions inverses, et la diode Zener, qui a un temps de réponse plus lente, est conçu pour permettre au courant de passer, si au-dessus de la tension maximale de fonctionnement des diodes laser, ce qui évite nuire à la diode laser. Les valeurs typiques pour les composants seront en R 1 = 1 Ω, C 1 mF = 1, D = 1, 30 V, D 2 = 6 V. Les valeurs choisies pour R1 et C1 limite la largeur de bande de modulation du courant de la diode. Ceci peut être inférieure àidéale si un signal d&#39;erreur est produit par modulation du courant à la place de la modulation Zeeman discuté. <img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3.jpg" /> . Figure 3 concurrentes modes dans un ECDL verts:.. Largeur de ligne de commande de réseau de diffraction ≈ 50 GHz en fonction de la grille solide rouge: La mode de la cavité interne d&#39;une diode laser avec une largeur de ligne ≈ 10 MHz et la gamme spectrale libre ≈ 80 GHz . tiret rouge: La cavité interne d&#39;une diode enduit anti-reflet. Ces diodes ont une largeur de ligne de l&#39;ordre de nm Bleu:. Modes de cavité externe avec une largeur de ligne de ≈ 500 kHz et une plage spectrale libre de ≈ 5 GHz. De 3 cm de long cavité externe. Réglage de l&#39;angle de réseau se déplacera le centre de la courbe verte et si<html> multanément changer la longueur de la cavité externe à son tour passer la courbe bleue ainsi. Réglage du courant de diode et de la température passera les courbes rouges. <img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4.jpg" /> .. Figure 4 spectroscopie d&#39;absorption saturée et le signal d&#39;erreur correspondant Pour Rubidium 87 Basse Curve:. Des pics d&#39;absorption saturées sur le pic d&#39;absorption Doppler beaucoup plus large formé de spectroscopie Doppler libre. Courbe supérieure: signal d&#39;erreur pour le système d&#39;absorption saturé correspondant. Les étiquettes au-dessus du signal d&#39;erreur correspondent à la transition atomique (F → F &#39;). jpg &quot;/&gt; Figure 5. Zeeman bobine. Bobine enroulée autour d&#39;une cellule de vapeur de rubidium utilisé dans la modulation Zeeman. <img alt="Figure 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6.jpg" /> Figure 6. Largeur de raie laser. Signaux acquis auprès d&#39;un analyseur de spectre de la note de battement formé par deux lasers similaires. Dans la figure, le battement a une fréquence de 206,24 MHz et une largeur de raie de 0,3 MHz avec un temps d&#39;intégration de 20 ms. <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;"> Contrôles en cours </td><td style="width:123px;"> Gamme </td><td style="width:275px;"> Bruit </td></tr><tr height="21"><td height = le style &quot;21&quot; = &quot;height: 21px;&quot;&gt; 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 uA (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 pA (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 pA (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 uA (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= &quot;Hauteur: 21px;&quot;&gt; 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 pA 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 pA 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 pA RMS (5 Hz-1 MHz) </td></tr><tr height="24"><td height="24" style="height:24px;"> Régulateurs de température </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 À 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 À 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-252 </td><td> -40 À 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-502 </td><td> -40 À 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td> &lt;/ Tr&gt; <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 À 150 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC501 </td><td> -55 À 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 à 50 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr></tbody></table> Tableau 1. Diode actuelle et régulateurs de température. Diodes les contrôleurs de courant et de température de différentes sociétés avec leurs plages et les niveaux de bruit.

Il s&#39;agit d&#39;un document pédagogique pour guider la construction et le diagnostic des lasers externes de diodes cavité (de ECDLs), y compris la sélection des composants et l&#39;alignement optique, ainsi que les bases de la spectroscopie de référence de fréquence et largeur de raie du laser mesures pour des applications dans le domaine de la physique atomique.

Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

L’objectif global de cette procédure est de démontrer l’assemblage et la caractérisation corrects des lasers à diodes à cavité externe. Pour ce faire, il faut d’abord trouver la bonne orientation des éléments optiques et réaliser une latence par rétroaction. La deuxième étape consiste à mettre en place un système d’absorption saturée pour régler la fréquence laser.Ensuite, réglez le laser sur la résonance et obtenez un signal d’absorption sans Doppler. La dernière étape consiste à interférer le faisceau avec celui d’un second laser accordé pour mesurer la largeur de la ligne. En fin de compte, un laser DDE à cavité externe sur les résidents avec la transition atomique souhaitée est construit et sa largeur de ligne est mesurée.La démonstration visuelle de cette méthode est utile car les étapes procédurales sont difficiles à apprendre. Cette vidéo commencera par l’assemblage du laser à diode à cavité externe. Après la sélection de la lentille de la diode laser, le réseau et l’électronique portent une sangle de mise à la terre par précaution contre l’endommagement de la diode par décharge statique.Ici, le système mécanique, à l’exception de la lentille de diode et du réseau, est monté sur un refroidisseur thermique électrique assemblage continu du laser En plaçant la diode laser dans son trou de montage et en la fixant à l’aide de sa bague de montage, la bague de montage doit être bien ajustée mais pas de type DDE et les broches de terre doivent être mises à la terre en permanence. Montez l’objectif devant la diode et montez l’ensemble du tube de l’objectif. Après avoir vérifié l’affectation des broches, connectez la diode laser à un circuit de protection et à l’alimentation en courant.Retirez la sangle de mise à la terre et réglez les conditions de fonctionnement appropriées pour la diode et le refroidisseur thermoélectrique en réglant la température et le courant de la diode sur la valeur suggérée. Pour la longueur d’onde qui vous intéresse, allumez le régulateur de température et laissez la température se stabiliser. Ensuite, prenez les précautions de sécurité appropriées pour travailler avec des lasers, y compris l’utilisation de lunettes de protection.Allumez la diode et placez une carte de visualisation infrarouge devant elle. Augmentez le courant de sorte que le faisceau de sortie soit clairement observé avec la diode et la lentille configurées. Portez votre attention sur la gradation de la diffraction.Tout d’abord, vérifiez l’orientation des lignes de classement. Le plan de diffraction est généralement étiqueté par une flèche perpendiculaire aux lignes de gradation et dans la direction de la réflexion flamboyante. Vérifiez l’étiquetage en travaillant sous une ampoule et en regardant le classement dans la direction indiquée par la flèche.La lumière réfléchie par la source large bande doit changer de couleur à mesure que l’angle varie. Préparez-vous à monter l’étalonnage en l’orientant sur le bras de réglage du laser à diode à cavité externe pour une puissance de retour maximale. Assurez-vous que la flèche pointe vers le dde.Utilisez ensuite une colle à prise rapide pour monter le nivellement. Préparez-vous maintenant à assembler le faisceau avec une lentille d’assemblage asphérique. Montez l’objectif devant la diode.La distance entre la diode et l’objectif peut être ajustée. Une fois l’objectif monté, utilisez la carte de faisceau pour vérifier que le diamètre du faisceau est constant sur au moins trois mètres. Ajustez la séparation de la lentille de la diode si nécessaire.Ensuite, placez un polariseur rotatif dans le trajet du faisceau pour vérifier que la polarisation est dans le plan souhaité pour l’étalonnage de la diffraction. Cela complète la construction du laser à diode à cavité externe. Commencez l’alignement en plaçant une carte de visualisation dans le faisceau laser à diode à cavité externe.Vient ensuite pour la diode. Dans cette expérience, ajustez le courant réglé sur le boîtier de commande de diode juste en dessous du seuil. Commencez ensuite à travailler avec les vis de réglage du système.Utilisez les vis pour modifier l’angle du bras de nivellement jusqu’à ce qu’une cavité de rétroaction externe soit obtenue. Au fur et à mesure que les réglages sont effectués, observez la carte de visualisation. Un signe d’une cavité de rétroaction est une augmentation de la luminosité ou un flash sur la carte de visualisation.L’étape suivante consiste à prévenir l’instabilité du laser par réflexion arrière. Pour ce faire, ajoutez un isolateur optique immédiatement après le laser. Maintenant, pour aider au réglage de la fréquence laser, préparez-vous à effectuer une mesure de cap de la longueur d’onde absolue à une précision inférieure à un nanomètre.Pour ce faire, utilisez une plaque demi-onde et un séparateur de faisceau polarisant pour prélever un faisceau secondaire du faisceau principal et le saisir dans un ondemètre. Ajustez le laser à diode à cavité externe jusqu’à ce que la longueur d’onde de sortie souhaitée soit obtenue environ 780 nanomètres pour cette diode au rubidium. Préparez maintenant le système pour l’absorption saturée.La spectroscopie dirige une partie du faisceau laser à travers un séparateur de faisceau polarisant et une plaque quart d’onde. Après la plaque quart d’onde, placez une cellule de vapeur de référence entourée d’un solénoïde. Suivez le solénoïde avec un miroir : la lumière réfléchie par le miroir est dirigée par le séparateur de faisceau vers un photodétecteur.Fixez le photodétecteur à un oscilloscope. Utilisez le contrôleur DDE pour balayer la longueur d’onde jusqu’à ce qu’un signal d’absorption puisse être vu. Pour une pile au rubidium à la transition de 780 nanomètres, il y a un signal d’absorption élargi Doppler de largeur, d’environ cinq gigahertz avec plusieurs transitions nettes de 10 mégahertz également présentes.De plus, lorsque le laser balaye la transition atomique de 780 nanomètres de rubidium, le faisceau laser doit être visible dans la cellule de vapeur pour créer un signal d’erreur de verrouillage. Utilisez un générateur de fonctions pour moduler le champ magnétique du solénoïde à environ 250 kilohertz avec une amplitude d’un gaz. Mélangez le signal de la sortie du photodétecteur à absorption avec le signal de modulation du générateur de fonctions pour obtenir un signal d’erreur sur l’oscilloscope.De la même manière que cela ici, chaque transition hyperfine F deux F prime est étiquetée. Contrôlez l’amplitude du signal d’erreur en ajustant la phase relative avec la plaque quart d’onde avant la cellule de vapeur À ce stade, centrez le balayage sur la transition d’intérêt. Réduisez ensuite progressivement la plage de balayage jusqu’à ce qu’il n’y ait plus d’autres transitions.Utilisez un circuit dérivé intégral proportionnel pour verrouiller la longueur d’onde du laser à l’aide du signal d’erreur. Pour effectuer une mesure précise de la largeur de ligne, utilisez deux lasers à diode à cavité externe. Chaque laser doit suivre le schéma présenté ici.Dirigez le faisceau de chaque laser en ajoutant une plaque demi-onde et un séparateur de faisceau polarisant. Après le cours, l’appareil de mesure de la longueur d’onde commence par verrouiller les deux lasers à différentes transitions hyperfines distantes d’environ 100 mégahertz et en faisant correspondre leurs modes, leur puissance et leur polarisation. Une fois cela fait, utilisez un séparateur de faisceau non polaire 50-50 pour provoquer l’interférence des deux faisceaux.Dirigez le faisceau résultant vers un photodétecteur. Vérifiez la sortie du signal du photodétecteur sur un oscilloscope. Le signal doit être une onde sinusoïdale avec une fréquence égale à la différence entre les fréquences des deux lasers.Utilisez un analyseur de spectre pour la meilleure résolution des fluctuations de fréquence. Comme dans cet exemple, il y aura un profil de vide centré sur la fréquence de battement, qui peut être approximé par une gaussienne. Ici, le battement a une fréquence d’environ 206,24 mégahertz et aligné avec de 0,3 mégahertz.Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la construction et de la caractérisation du laser à cadran à cavité externe commun.

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