Budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej

Summary

To jest dokument instruktażowy, który prowadzi do budowy i diagnostyki zewnętrznych laserów diodowych (ECDL), w tym wyboru komponentów i wyrównania optycznego, a także podstaw spektroskopii odniesienia częstotliwości i pomiarów szerokości linii lasera do zastosowań w dziedzinie fizyki atomowej.

Abstract

Od czasu ich rozwoju pod koniec lat 80-tych, tanie, niezawodne lasery diodowe z zewnętrzną wnęką (ECDL) zastąpiły skomplikowane i drogie tradycyjne lasery barwnikowe i szafirowe jako koń roboczy laboratoriów fizyki atomowej^1,2. Ich wszechstronność i szerokie zastosowanie w fizyce atomowej w zastosowaniach takich jak spektroskopia absorpcyjna i chłodzenie laserowe^1,2 sprawia, że przyjeżdżający studenci muszą zdobyć solidną praktyczną wiedzę na temat tych laserów. Ta publikacja opiera się na przełomowej pracy Wieman³, aktualizując komponenty i udostępniając samouczek wideo. Opisana zostanie konfiguracja, blokowanie częstotliwości i charakterystyka wydajności ECDL. Omówiono dobór komponentów i prawidłowy montaż zarówno diod, jak i siatek, czynniki wpływające na wybór trybu we wnęce, prawidłowe wyrównanie w celu uzyskania optymalnego zewnętrznego sprzężenia zwrotnego, konfigurację optyki dla pomiarów zgrubnych i precyzyjnych wrażliwych na częstotliwości, krótki przegląd technik blokowania laserowego oraz pomiary szerokości linii laserowej.

Introduction

Mierzenie i manipulowanie stanem kwantowym atomów jest sercem fizyki atomowej i wymaga umiejętności radzenia sobie z konkretnymi przejściami między atomowymi stanami elektronowymi. Weźmy na przykład rubid, typowy i często używany atom alkaliczny. Tutaj długość fali światła sprzężającego ziemię i pierwszy wzbudzony stan elektronowy wynosi ~780 nm (384 THz), a czas życia w stanie wzbudzonym spowodowany emisją spontaniczną wynosi ~26 nsec, co daje szerokość linii absorpcyjnej 6 MHz ⁴. W związku z tym wymagane jest źródło światła o stabilności częstotliwości co najmniej jednej części na 108, aby niezawodnie poradzić sobie z tym przejściem.

Przed rozwojem ECDL, lasery barwnikowe i lasery tytanowo-szafirowe były zazwyczaj używane w fizyce atomowej. Są to duże, drogie, złożone systemy, które oferują wzmocnienie optyczne w dużym paśmie, a tym samym mogą być dostrojone tak, aby nakładały się na przejście atomowe. Potencjał zastąpienia tych nośników wzmocnienia tanim, prostym laserem diodowym zaprojektowanym z wzbronioną wizualną długością pasma pasującego do pożądanej długości fali został dostrzeżony na początku lat 80. XX wieku^1,2. Proste, łatwe do zbudowania konstrukcje, które osiągają szerokości linii 100 kHz, były dobrze rozumiane i powszechne na początku lat 90^. Zademonstrowano wiele różnych konfiguracji i projektów, z których każdy ma zalety i wady. Prawdopodobnie najczęściej spotykanymi konfiguracjami są konfiguracje Littrow^3,5,7,8 i Littman 9. Dyskusja ta skupia się na najprostszej konfiguracji Littrow pokazanej na rysunku 1A.

Wiele mechanizmów dostrajania jest jednocześnie używanych w celu osiągnięcia wysokiej precyzji częstotliwości lasera. Po pierwsze, wymagana jest dioda z wzbronioną zdolnością energetyczną wytwarzającą wystarczające wzmocnienie przy pożądanej długości fali w osiągalnej temperaturze roboczej. Typowa dioda laserowa będzie miała wzmocnienie ponad kilka nanometrów (THz). Po drugie, odblaskowa siatka dyfrakcyjna jest dostrojona pod kątem, aby zapewnić optyczne sprzężenie zwrotne do diody o pożądanej długości fali. W zależności od siatki, diody, zastosowanej soczewki skupiającej i ich ustawienia, siatka wybierze zakres częstotliwości typowo 50-100 GHz. Laser będzie oscylował z długością fali rezonansową z zewnętrzną wnęką lasera (między tylną ścianką diody a siatką). Dostrojenie tej długości wnęki w poprzek długości fali pozwala na dostrojenie lasera w swobodnym zakresie widmowym (c / (2L)) wokół szczytu wzmocnienia siatki, gdzie c to prędkość światła, a L to długość wnęki, zwykle 1-5 cm (FSR 3-15 GHz). Gdy dwa tryby wnęki mają podobną długość fali od szczytowej długości fali sprzężenia zwrotnego siatki, laser może pracować wielomodowo. Ponieważ tryb wnęki oscylacyjnej jest dostrojony dalej od szczytu wzmocnienia niż w sąsiednim trybie, laser będzie przeskakiwał w trybie, ograniczając zakres strojenia. Zachowanie modów wnęki w odniesieniu do trybu siatki można zobaczyć na rysunku 3. Zakres dostrajania bez przeskoków trybu jest kluczowym wskaźnikiem wydajności dla ECDL. Dzięki jednoczesnemu dostrojeniu kąta siatki i długości wnęki możliwe jest ciągłe dostrajanie wielu swobodnych zakresów spektralnych bez przeskoków trybu, co znacznie ułatwia lokalizowanie i blokowanie cech spektralnych⁸. Elektroniczne dostrojenie długości ścieżki optycznej wnęki do blokowania można osiągnąć poprzez połączenie strojenia kąta/położenia siatki za pomocą siłownika piezoelektrycznego (rysunek 1A) (szerokość pasma skanowania ~1 kHz) i strojenie prądu diody, który przede wszystkim moduluje współczynnik załamania diody (szerokość pasma skanowania ≥100 kHz). Użycie diod laserowych zamiast chipów wzmacniających pokrytych powłoką antyrefleksyjną (AR) dla ośrodka wzmocnienia dodatkowo komplikuje dodanie odpowiedzi wewnętrznej wnęki diody laserowej, która może mieć typowy swobodny zakres widmowy 100-200 GHz. W takim przypadku wnęka musi być dostrojona pod kątem temperatury, aby odpowiadała reakcji kraty. Użycie diody laserowej zamiast układu wzmacniającego pokrytego AR radykalnie zmniejszy zakres strojenia bez przeskoków modowych, chyba że istnieje sposób na synchroniczne dostrojenie prądu lub temperatury diody. Wreszcie, aby osiągnąć szerokość linii lepszą niż 100 kHz, należy zwrócić szczególną uwagę na wyeliminowanie innych źródeł szumu. Wymaga to starannego zaprojektowania mechanicznego mocowań w celu zminimalizowania drgań akustycznych, stabilizacji temperatury na poziomie mK, stabilności prądowej diody na poziomie ≤30 nA oraz starannego dostrojenia wzmocnienia wszystkich pętli blokujących¹⁰. Wybór odpowiedniej elektroniki do danego zastosowania jest tak samo ważny, jak konstrukcja lasera i optyki. Listę sterowników diodowych i specyfikacje można znaleźć w tabeli 1.

Po osiągnięciu stabilnego laserowania, następnym wymogiem jest zablokowanie częstotliwości lasera na punkcie odniesienia, takim jak przejście atomowe, wnęka optyczna lub inny laser. Eliminuje to skutki powolnych dryftów, takich jak małe wahania temperatury, zasadniczo eliminując szumy dla częstotliwości w paśmie pętli blokującej. Istnieje niezliczona ilość technik blokowania, które zostały opracowane w celu uzyskania sygnału błędu, z których każda jest dostosowana do określonego systemu odniesienia. Sygnał błędu dla synchronizacji fazowej dwóch laserów można uzyskać przez zmieszanie dwóch laserów na rozdzielaczu wiązki. Do zablokowania we wnęce można użyć hali^{Pound-Drever 11} lub ryglowania uchylnego¹². W celu zablokowania na linii absorpcji atomowej można zastosować DAVLL¹³ lub spektroskopię absorpcji nasyconej^3,14 w połączeniu z modulacją prądu¹⁰, modulacją Zeemana¹⁰ lub blokadą pochylenia¹⁵.

Blokada ECDL do przejścia rubidu za pomocą modulacji Zeemana absorpcji nasyconej w komórce parowej zostanie opisana tutaj. Jeśli wiązka o niskim natężeniu przechodzi przez ogniwo parowe rubidu w temperaturze pokojowej, a częstotliwość jest dostrojona w pobliżu przejścia atomowego 780 nm, zaobserwuje się pewną liczbę dopplerowskich rozszerzonych cech absorpcji o szerokości ~500 MHz, a nie o szerokości naturalnej 6 MHz (obliczenia dla szerokości linii naturalnej i dopplerowskiej można znaleźć w Stopie¹⁶). Jeśli jednak wiązka ta zostanie odbita w kierunku wstecznym, drugie przejście będzie miało mniejszą absorpcję w rezonansie, ponieważ atomy o zerowej prędkości wzdłużnej zostały już częściowo wzbudzone przez pierwsze przejście¹⁷. Inne częstotliwości będą absorbowane przez populacje o różnych prędkościach przy każdym przejściu, a zatem absorpcja nie będzie nasycona. W ten sposób można uzyskać pozorną cechę transmisyjną nałożoną na Dopplera poszerzoną absorpcję przy przejściach o szerokości zbliżonej do naturalnej szerokości linii. Zapewnia to ostre odniesienie do częstotliwości bezwzględnej, do którego można się zablokować. Częstotliwość przejścia atomowego może być modulowana za pomocą efektu Zeemana poprzez dithement wielkości pola magnetycznego w komórce odniesienia. Odpowiednie jednorodne pole magnetyczne można wytworzyć za pomocą układu solenoidu, jak pokazano na rysunku 5. Elektroniczne mieszanie modulowanego kształtu fali z nasyconą transmisją absorpcyjną generuje sygnał błędu, który można wykorzystać do regulacji prądu diody i zintegrować do regulacji napięcia piezoelektrycznego. W ten sposób laser może być zablokowany w przejściu bez konieczności modulowania częstotliwości lasera.

Szerokość linii ECDL jest zazwyczaj mierzona poprzez interferencję dwóch laserów tego samego typu o zablokowanej częstotliwości na rozdzielaczu wiązki¹⁸. Częstotliwość dudnień między laserami jest następnie mierzona za pomocą szybkiej fotodiody i analizatora widma RF. Widmo szumów wykraczające poza pasmo pętli blokującej jest następnie dopasowywane do profilu Voigta (splot Gaussa i Lorentza). Szum z różnych laserów dodaje się do kwadratury. W przypadku dwóch równoważnych laserów daje to dopasowaną szerokość linii √(2) razy większą niż szerokość linii pojedynczego lasera. Jeśli dostępny jest laser o znanej szerokości linii znacznie mniejszej niż oczekiwana na podstawie ECDL i mieści się w zakresie strojenia ECDL, można go użyć zamiast niego. Inną metodą powszechnie stosowaną do pomiaru szerokości linii jest technika opóźnionej samo-homodyny^19,20, w której część wiązki jest wysyłana wzdłuż optycznej linii opóźniającej, takiej jak światłowód, a następnie mieszana na rozdzielaczu wiązki z laserem. Technika ta polega na tym, że opóźnienie jest większe niż długość koherencji mierzonego lasera. Działa to dobrze w przypadku hałaśliwych laserów, ale w przypadku lasera o szerokości linii 100 kHz długość koherencji wynosi około 3 km, co zaczyna być niepraktyczne. Alternatywnie, przejście atomowe w nasyconej komórce absorpcyjnej lub wnęce Fabry'ego-Perota może być wykorzystane do zapewnienia odniesienia częstotliwości dla pomiaru szerokości linii lasera. W tym systemie częstotliwość lasera będzie musiała znajdować się w liniowej części eteru, nasyconej absorpcji lub rezonansie Fabry'ego-Perota, a nie skanować częstotliwości. Mierząc szum sygnału na fotodiodzie i znając szerokość linii rezonansowej, można znaleźć szum częstotliwości. Dolna granica pomiaru szerokości linii jest wówczas ograniczona przez nachylenie rezonansu transmisyjnego.

Obecność trybów laserowych wyższego rzędu może być sprawdzona poprzez sprawdzenie intensywności szumu na częstotliwości swobodnego zakresu spektralnego za pomocą analizatora widma RF lub za pomocą skanującego analizatora Fabry'ego-Perota lub optycznego analizatora widma o rozdzielczości lepszej niż swobodny zakres spektralny ECDL. Zakres strojenia zgrubnego można zmierzyć, mierząc moc w funkcji długości fali (za pomocą falomierza, monochromatora lub optycznego analizatora widma) podczas dostrajania lasera w poprzek jego granic za pomocą siatki. Zakres strojenia bez przeskoków modów jest zwykle mierzony za pomocą skanującej wnęki Fabry'ego-Perota, w której przeskok modu może być wykryty jako nieciągły skok częstotliwości.

Protocol

1. Wybór komponentów

1. Wybierz diodę o odpowiedniej długości fali dla interesującego nas atomu. Bardzo ważne jest, aby wybrana dioda była jednomodowa (sm i miała wystarczającą moc dla danego zastosowania. Idealna jest dioda z powłoką antyrefleksyjną. Diody te nie będą działać bez dodania zewnętrznej wnęki i są zaprojektowane specjalnie do pracy w ECDL. Mają znacznie lepszą wydajność, szczególnie w zastosowaniach, w których ważne jest skanowanie długości fali lasera. Zastosowana tutaj dioda laserowa jest wymieniona w Wykazie materiałów).
   Podobnie jak w MacAdam i wsp.³, ECDL musi być zaprojektowany tak, aby ściśle pasował do diody i soczewki kolimacyjnej. Stabilność mechaniczna i kontakt termiczny mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania lasera. Aby ułatwić konstrukcję i zminimalizować obróbkę, sukces odniesiono przy użyciu mocowania lasera diodowego ze zintegrowanym tubusem soczewki (Lista materiałów).
2. Wybierz soczewkę do kolimacji diody. Ważne jest, aby apertura numeryczna była porównywalna lub większa niż apertura numeryczna diody, w przeciwnym razie wystąpią znaczne straty. Większość diod ma dużą aperturę numeryczną (>0,5) i wymaga soczewek asferycznych, w przeciwnym razie aberracje spowodują bardzo niską skuteczność sprzężenia zwrotnego. Upewnij się, że soczewka jest pokryta powłoką antyrefleksyjną przy roboczej długości fali, wybierz soczewkę o długiej ogniskowej, aby zwiększyć rozmiar wiązki na siatce i projektowej długości fali zbliżonej do długości fali roboczej, aby zmniejszyć aberrację. Zapoznaj się z listą materiałów dotyczących obiektywu używanego w demonstrowanym systemie.
3. Wybierz odpowiednią siatkę zewnętrzną dla zakresu częstotliwości diody laserowej i kąta środkowego ramienia stroiącego kratę. Długość fali światła załamującego się do pierwszego rzędu, konfiguracji Littrow, jest określona przez λ = 2dsin(θ), gdzie d jest odstępem między liniami siatki, θ jest kątem padania siatki, a λ długością fali²¹ (rysunek 1B). Istnieją dwa główne typy siatek dyfrakcyjnych, holograficzne i w linię, i oba mogą być płomieniowane lub nie. W zależności od rodzaju kraty moc dyfrakcyjna może się znacznie różnić. Celuj w siatkę holograficzną o wydajności dyfrakcyjnej między 20-30%. Zapoznaj się z listą materiałów dla kraty zastosowanej w demonstrowanym systemie.
4. Użyj najprostszego możliwego do opanowania projektu - złożoność często oznacza niestabilność. Istnieje ogromna liczba konstrukcji ECDL, ale najprostszym jest Littrow^3,5,7,22. Przeczytaj artykuły i zdecyduj, czy duże znaczenie dla aplikacji ma duży zakres przeskoków (zakres częstotliwości, w którym dioda może się stale dostrajać bez nagłego przeskakiwania na inną częstotliwość), bardzo wąska szerokość linii czy zmniejszona zmienność wskazywania. Uzyskaj jak najwięcej informacji przed rozpoczęciem projektowania ECDL. Często siatka ECDL jest więcej niż wystarczająca do zastosowań w fizyce atomowej.
5. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że wydajność ECDL jest najsilniej zakorzeniona w elektronice, która napędza prąd diody i stabilizuje temperaturę lasera. Bez dobrego zestawu elektroniki konstrukcja mechaniczna będzie poniżej wydajności. W tabeli 1 znajduje się porównanie różnych regulatorów prądu i temperatury. Im niższy szum prądu, tym lepiej laser będzie działał²³.

2. Montaż

1. Na potrzeby niniejszego artykułu punktem wyjścia dla montażu ECDL będzie kompletny system mechaniczny ECDL zamontowany na chłodnicy termoelektrycznej (TEC) bez elementów dobierających częstotliwość (tj. siatki i diody laserowej).
2. Zacznij od umieszczenia diody laserowej w odpowiednim otworze montażowym i zabezpiecz ją za pomocą pierścienia montażowego. Uważaj, aby nie dokręcić pierścienia montażowego zbyt mocno. Powinien być ciasny, ale nie ciasny.
3. Przed podłączeniem diody laserowej do zasilania prądem należy zapoznać się z arkuszem specyfikacji diody pod kątem przypisania anody, katody i pinów uziemienia. Różni się to w zależności od diody, a przepuszczenie prądu przez diodę do tyłu spowoduje jej zniszczenie.
   1. Diody laserowe są urządzeniami niskonapięciowymi, zwykle o napięciu maksymalnie 5-10 V, i należy zachować ostrożność, aby nie dochodziło do nich ładunki elektrostatyczne. Dobrą praktyką jest noszenie paska uziemiającego podczas obsługi diod i zainstalowanie obwodu ochronnego (np. Rysunek 2) na stykach diody laserowej, aby zapobiec wysokim napięciom. Puszka diodowa i styki uziemiające powinny być trwale uziemione, a zastosowanie cienkich drutów może pomóc w zmniejszeniu sprzężenia drgań mechanicznych.
4. Ustaw maksymalne i minimalne temperatury oraz maksymalne limity prądu diody i TEC na sterowniku diodowym zgodnie z wartościami w karcie specyfikacji diody. Jeśli minimalna temperatura robocza w laboratorium jest niższa niż punkt rosy, należy użyć minimalnej temperatury ~ 2 °C powyżej punktu rosy. Pozwoli to uniknąć kondensacji.
5. Arkusz specyfikacji diody zwykle zawiera wartość długości fali w funkcji temperatury przy danym prądzie diody. Użyj tego rysunku jako odniesienia, aby wstępnie ustawić temperaturę (i prąd) diody, aby dopasować ją do interesującej długości fali. Jeśli wykres temperatury w funkcji długości fali jest niedostępny, dostosuj ustawioną temperaturę do temperatury pokojowej.
6. Włącz regulator temperatury i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje.
7. Włącz diodę i zwiększ prąd tak, aby wiązka wyjściowa mogła być wyraźnie obserwowana za pomocą karty podglądu. Użyj karty IR, aby view wiązka.
8. Włóż asferyczną soczewkę kolimacyjną i skolimuj diodę laserową, regulując odległość między diodą a soczewką. Aby zapewnić dobrą kolimację, upewnij się, że wiązka ma wolną ścieżkę, najlepiej >3 m, i dostosuj położenie soczewki, aż średnica wiązki tuż za ECDL i na końcu ścieżki wiązki będą takie same, upewniając się, że wiązka nie skupia się w żadnym punkcie na ścieżce.
9. Sprawdź, czy polaryzacja lasera diodowego znajduje się w żądanej płaszczyźnie siatki dyfrakcyjnej (S lub P). W większości przypadków polaryzacja diody przebiega wzdłuż krótkiej osi kształtu wiązki eliptycznej, ale dobrą praktyką jest sprawdzenie osi polaryzacji za pomocą rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej.
   1. Jeśli oś wiązki nie znajduje się w żądanej płaszczyźnie, poluzuj pierścień montażowy diody i obracaj diodę, aż do uzyskania właściwej orientacji. Niektóre konstrukcje ECDL pozwalają na to przy włączonym laserze i podłączonym do źródła prądu, a inne nie. Jeśli przewody zasilające prąd muszą zostać odłączone, aby obrócić diodę, wyłącz dopływ prądu w skrzynce sterowniczej i wyjmij przewody. Regulacja temperatury ECDL może pozostać włączona podczas tego procesu. Pamiętaj, aby zawsze nosić pasek uziemiający podczas obsługi diody.
   2. Jeśli konieczna była zmiana położenia diody, powtórz poprzedni krok, aby ponownie skolimować diodę.
10. Płaszczyzna dyfrakcyjna siatki jest zwykle oznaczana przez producenta strzałką prostopadłą do linii siatki i w kierunku płomieniowanego odbicia. Sprawdź to dwukrotnie, obserwując odbicie od szerokopasmowego źródła światła, takiego jak żarówka, w funkcji kąta.
    1. Jeśli siatka jest trzymana ze strzałką skierowaną do tyłu w stronę obserwatora i szerokopasmowym źródłem światła nad głową, odbite światło zmieni kolor w funkcji kąta siatki.
    2. Zamontuj siatkę tak, aby strzałka była skierowana z powrotem w stronę diody, a tym samym regulacja kąta siatki zmienia długość fali odbitą z powrotem do diody (rysunki 1A i 1B).
11. Po potwierdzeniu orientacji kraty przyklej kratę na ramieniu strojenia ECDL za pomocą kleju szybkowiążącego, takiego jak Loctite.

3. Wyrównanie sprzężenia zwrotnego

1. Umieść kartę podglądu wyrównaną do belki wyjściowej ECDL. Będzie to wykorzystywane do monitorowania mocy lasera w miarę dokonywania regulacji kierunku wiązki dyfrakcyjnej. Można również użyć miernika mocy, ale jego reakcja jest wolniejsza.
2. Dostosuj ustawiony prąd w skrzynce sterowniczej diody tak, aby znajdował się tuż poniżej prądu progowego dla odblaskowych diod przednich i 1/3 maksymalnego prądu dla chipów wzmocnienia diody pokrytej AR. Odblaskowe diody czołowe będą miały prąd progowy w swojej specyfikacji lub arkuszach danych, podczas gdy chipy wzmacniające z powłoką AR nie.
3. Dostosuj kąt ramienia kraty zarówno w poziomie, jak i w pionie, aby skierować wiązkę dyfrakcyjną z powrotem do diody, skutecznie tworząc zewnętrzną wnękę sprzężenia zwrotnego. Gdy wiązka zostanie skierowana do diody laserowej, nastąpi znaczny wzrost mocy wyjściowej, który można zaobserwować jako wyraźny wzrost lub jasny błysk na karcie obserwacyjnej lub dramatyczny wzrost mocy mierzony za pomocą miernika mocy lub fotodiody.
   1. Karta podglądu nie jest bardzo ilościową miarą mocy, więc może być konieczne stopniowe zmniejszanie prądu diody laserowej i ponowne dostosowanie wiązki sprzężenia zwrotnego, aż powyższe zachowanie będzie widoczne przy najniższym możliwym prądzie.
   2. Regulacja ostrości soczewki kolimacyjnej lub pozycji osiowej w celu optymalizacji ostrości na faszce diody może jeszcze bardziej obniżyć próg i zwiększyć moc wyjściową, po czym konieczna będzie ponowna optymalizacja kąta siatki w poziomie i w pionie.

4. Początkowy wybór częstotliwości

1. Do początkowego wyrównania częstotliwości lasera idealny jest bezwzględny pomiar długości fali z precyzją <1 nm, a najlepiej <0,1 nm. Ten zgrubny pomiar częstotliwości znacznie ułatwi dostrojenie częstotliwości lasera do przejścia atomowego w późniejszym kroku. Istnieje wiele opcji, w tym korzystanie z falomierza, optycznego analizatora widma, spektrometru lub monochromatora z kamerą. Upewnij się, że używane jest skalibrowane, dokładne urządzenie lub sprawdź jego kalibrację, na przykład za pomocą lasera HeNe. Alternatywnie, zgrubną regulację częstotliwości można zwykle osiągnąć, chodząc po kącie siatki i prądzie, podczas gdy laser skanuje, aż będzie można zobaczyć sygnał absorpcyjny lub fluorescencyjny z komórki referencyjnej pary.
   1. Ogólnie rzecz biorąc, wiązka wtórna odebrana od wiązki głównej, za pomocą szklanego pryzmatu klinowego lub płytki falowej λ/2 i rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej, będzie używana jako dane wejściowe dla falomierza. Ta konfiguracja optyki jest widoczna na rysunku 1D. Zapoznaj się z Listą materiałów, aby zapoznać się z materiałami użytymi w tej demonstracji.
2. Dostosuj ECDL, aż do uzyskania żądanej długości fali wyjściowej. Prąd sterujący diodą, temperatura, kąt siatki i długość zewnętrznej wnęki będą miały wpływ na częstotliwość lasera²⁴ (ilustracja 3).
   1. Zacznij od regulacji kąta rusztu, ręcznie lub za pomocą piezo. Po drugie, wyreguluj prąd diody.
   2. Jeśli żądana częstotliwość jest do niebieskiego zakresu przemiatania siatki, temperatura diody powinna zostać zmniejszona i odwrotnie, jeśli żądana długość fali jest do czerwonej.

5. Precyzyjna regulacja częstotliwości i blokowanie częstotliwości

1. Ustaw spektroskopię absorpcji nasyconej na wyjściu ECDL, korzystając z konfiguracji na rysunku 1F ^3,14,17. Konieczne jest zastosowanie izolatora optycznego bezpośrednio po laserze (rysunek 1C). Ważne jest, aby unikać odbicia wstecznego w laserze, co może powodować niestabilność. Spektroskopia absorpcji nasyconej przy użyciu komórki referencyjnej, zawierającej atom będący przedmiotem zainteresowania, jest prostym sposobem na zablokowanie lasera w wąskim przejściu atomowym²⁵.
   1. Upewnij się, że komórka referencyjna jest ustawiona pod kątem, aby uniknąć odbić wstecznych i że lustro retro odbija wiązkę z powrotem przez komórkę parową z maksymalnym zachodzeniem na siebie. Dwuprzebiegowa przesyłana moc może być monitorowana za pomocą fotodiody, ponieważ skanowana jest długość fali ECDL.
2. Większość kontrolerów diodowych będzie miała wbudowaną funkcję skanowania, która skanuje długość fali, dostosowując napięcie piezoelektryczne siatki, a tym samym kąt siatki i długość zewnętrznej wnęki lub modulując prąd diody. Szerokość, przesunięcie skanowania oraz temperaturę i prąd lasera należy regulować do momentu, gdy sygnał absorpcyjny będzie można view na lunecie podłączonej do fotodetektora. Gdy laser skanuje przejście atomowe, powinno być możliwe zobaczenie ścieżki wiązki laserowej w komórce parowej, fluoryzacji lub błysku gołym okiem lub przez wizjer podczerwieni.
3. Moc na jednostkę powierzchni w wiązce odniesienia dla spektroskopii absorpcji nasyconej musi być równa lub wyższa od intensywności nasycenia dla przejścia atomowego. Użyj płytki falowej λ/2 przed rozdzielaczem wiązki polaryzacyjnej, aby zwiększyć moc, aż będzie widoczny wyraźny sygnał absorpcyjny. Obliczenia intensywności nasycenia można znaleźć w Foot¹⁶.
4. Po przeprowadzeniu skanowania laserowego nad przejściem atomowym Rb o długości fali 780 nm, powinien być widoczny szeroki sygnał absorpcyjny o szerokości ~5 GHz, z kilkoma ostrymi przejściami o szerokości ~10 MHz w stopie¹⁶ (ilustracja 4). Minimalizacja mocy używanej do generowania nasyconego sygnału absorpcyjnego jest konieczna, aby zmniejszyć poszerzenie mocy i uzyskać ostrzejszą cechę, do której można się przyczepić.
5. Aby zablokować częstotliwość ECDL, potrzebny jest sygnał błędu. Umieszczając cewki wokół komórki referencyjnej, jak na rysunku 5¹⁰ i oscylując pole magnetyczne, modulowane są poziomy Zeemana, a tym samym częstotliwości przejść. W tym przypadku prąd przepływający przez cewki Zeemana jest modulowany z częstotliwością około 250 kHz o wielkości ~1 G.
6. Wymieszaj sygnał absorpcyjny z nasyconego fotodetektora absorpcyjnego z sygnałem modulacyjnym z generatora funkcyjnego. Gdy dane wyjściowe z miksera są viewed na oscylomierzu, powinien to być sygnał błędu podobny do rysunku 4. Wielkość sygnału błędu będzie zależeć od względnej fazy między dwoma sygnałami mieszanymi. Obróć rozdzielacz wiązki λ/4 przed komorą parową, aby wyregulować fazę.
7. Stopniowo zmniejszaj zakres skanowania i dostosowuj przesunięcia, aby wyśrodkować skanowanie nad interesującym Cię przejściem, bez żadnych innych przejść.
8. Obwód proporcjonalnie całkująco-pochodny (PID) (na przykład patrz MacAdam i wsp.³) może być następnie użyty do zablokowania długości fali ECDL za pomocą sygnału błędu. Wzmocnienie PID powinno być zmniejszone poniżej punktu, w którym obserwuje się dzwonienie, szukając obecności modulacji w sygnale błędu (np. za pomocą analizatora widma lub transformaty Fouriera śladu sygnału błędu).

6. Pomiar szerokości linii

1. W celu uzyskania dokładnego pomiaru szerokości linii konieczne jest posiadanie znanego źródła o wąskiej szerokości linii (innego lasera o szerokości linii znacznie mniejszej niż ECDL), dwóch takich samych ECDL lub linii opóźniającej o długości w porównaniu z długością koherencji ECDL. W tym przypadku dwa ECDL zostaną zakłócone w celu zmierzenia szerokości linii. Alternatywnie, może być łatwiej zablokować rezonans wytwarzany przez przejście atomowe lub wnękę Fabry'ego-Perota i dopasować się do szumu powyżej szerokości pasma pętli blokującej.
2. Zablokuj oba lasery na różnych przejściach nadsubtelnych, najlepiej z przesunięciem około 100 MHz. Zminimalizuje to wpływ szumu elektronicznego.
3. Tryb, moc i polaryzacja dopasowują dwie wiązki i interferują je ze sobą za pomocą niepolaryzacyjnego rozdzielacza wiązki 50/50. Wyrównaj wynikową wiązkę na detektorze zdjęć. Sygnał wyjściowy na fotodetektorze powinien być falą sinusoidalną o częstotliwości przesunięcia częstotliwości dwóch laserów. Może być konieczne tłumienie lub rozogniskowanie powstałej wiązki, aby nie uszkodzić ani nie nasycić fotodiody.
   1. Nakładanie się dwóch belek dudniących określi kontrast prążków widziany na lunecie podczas pomiaru szerokości linii. Jeśli kontrast prążków jest słaby, poświęć dodatkowy czas na poprawę dopasowania trybu i nakładania się wiązek na rozdzielaczu wiązki i detektorze. Dobrą metodą jest nałożenie na siebie dwóch belek za pomocą dwóch otworów na przysłony, czyli szpilki, oddalonych od siebie stosunkowo dużą odległością, ~1 m.
4. Trudno będzie rozwiązać problem wahań częstotliwości na lunecie. Aby uzyskać najlepszy pomiar, należy użyć analizatora widma, który da profil Voigta wyśrodkowany na częstotliwości dudnień o szerokości linii Δf, równej szerokości linii konwolwerowanej lasera (rysunek 6). W dobrym przybliżeniu ślad może być dopasowany do gaussowskiego, a szerokość linii uzyskana z dopasowania. Zmierzony szum lub szerokość linii będą zależeć od czasu akwizycji lub integracji, który można ustawić, dostosowując szerokość pasma rozdzielczości w analizatorze widma. Z tego powodu ważne jest, aby podać czas całkowania przy podawaniu zmierzonej szerokości linii.

Results

Istnieje 5 głównych kroków związanych z dostosowaniem, blokowaniem częstotliwości i charakteryzowaniem szerokości linii ECDL. Są to: uzyskanie informacji zwrotnej z siatki i wykorzystanie jej do ustawienia zgrubnej częstotliwości ECDL mierzonej na falomierzu, obserwacja absorpcji laserowej w celi referencyjnej, oglądanie przejścia atomowego z rozdzielczością zbliżoną do naturalnej szerokości linii w układzie spektroskopii absorpcyjnej nasyconej, uzyskanie sygnału błędu wokół pożądanego przejścia i zablokowanie go w nim, i na koniec obserwacja nuty dudnienia dwóch laserów i pomiar szerokości linii lasera. Krok pierwszy jest pomyślnie zakończony, dość trywialnie, gdy długość fali odczytana na falomierzu odpowiada przejściu atomowemu będącemu przedmiotem zainteresowania. Podczas próby osiągnięcia absorpcji w komórce referencyjnej, kwitnienie można zaobserwować wzdłuż ścieżki wiązki w komórce za pomocą przeglądarki podczerwieni po trafieniu w przejście. Jeśli ECDL skanuje, komórka będzie migać. Nasycony sygnał absorpcyjny może być trudny do wykrycia podczas pierwszego wyrównania, ponieważ linie transmisyjne mogą być bardzo małe w porównaniu z pikiem absorpcji Dopplera. Gdy można zaobserwować piki, podobne do tych pokazanych na rysunku 4, system absorpcji nasyconej działa prawidłowo. Dostosowując parametry fazy i skanowania, należy uzyskać sygnał błędu podobny do pokazanego na rysunku 4. W celu zmierzenia szerokości linii ECDL konieczne jest uzyskanie sygnału dudnienia między dwiema wiązkami. W miarę jak wiązki coraz bardziej się na siebie nakładają, zacznie pojawiać się fala sinusoidalna, widoczna na lunecie z fotodetektora. Kontynuuj wyrównywanie, aż kontrast między węzłami i antywęzłami będzie największy. Gdy sygnał dudnienia jest następnie przepuszczany przez elektroniczny analizator widma, powinien być widoczny sygnał podobny do pokazanego na rysunku 6. Na podstawie tego sygnału można zmierzyć szerokość linii lasera. Pełną konfigurację optyki można zobaczyć na rysunku 1.

Rysunek 1. Kompletna konfiguracja optyki. Jest to przykład kompletnej konfiguracji optyki dla omawianego systemu ECDL. ZA: Pokazuje to konfigurację Littrow ECDL. Procent, zwykle 20-30% wiązki padającej na siatkę, jest dyfrakcjonowany z powrotem do diody. Kąt dyfrakcji i kąt odbicia są równe. Krata jest zamontowana na stopniu strojenia, który wykorzystuje piezoelektryczny do kontrolowania kąta kraty. Z punktu widzenia Wiązka wyjściowa z diody laserowej pada na siatkę pod kątem θ, przy czym odbić się od rzędu 0 i dyfrakcja^{1 rzędu jest} wysyłana z powrotem wzdłuż ścieżki wiązki padającej. Długość fali światła dyfrakcyjnego jest określona wzorem λ = 2dsin(θ) w konfiguracji Littrow. Ład: Położenie i orientacja izolatora optycznego w celu zmniejszenia niepożądanego sprzężenia zwrotnego z diodą laserową. Z wyłączenia: Wiązka wyjściowa ze skrzynki laserowej przechodzi przez płytkę falową λ/2 i PBS i jest wyrównana z falomierzem. Moc w wiązkach odbitych i przesyłanych można regulować, obracając płytę falową. E: Linia wiązki używana do eksperymentów. Linia ta będzie zawierała większość mocy lasera. Z jednego przycisku: Przepuść wiązkę referencyjną o natężeniu nasycenia lub wyższym przez PBS, płytkę falową λ/4, komórkę gazu odniesienia i odbij ją wstecz z powrotem do PBS. Ważne jest, aby obie wiązki dobrze zachodziły na siebie, aby uzyskać prawidłową spektroskopię saturacji. Płyta falowa zapewni, że polaryzacja światła na odbitej wiązce zostanie obrócona o 90 ° od wiązki padającej, umożliwiając jej wyjście z przeciwnego portu rozdzielacza wiązki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większy obraz.

Rysunek 2. Obwód zabezpieczający diodę laserową. Przykładowy obwód zabezpieczający prąd diody laserowej. R1 i C1 tworzą podstawowy obwód RC i odfiltrowują szumy o wysokiej częstotliwości. D1 i D2 to odpowiednio diody Schottky'ego i Zenera. Dioda Schottky'ego, która ma szybki czas reakcji, jest na miejscu w celu ochrony przed napięciami wstecznymi, a dioda Zenera, która ma wolniejszy czas reakcji, jest zaprojektowana tak, aby umożliwić przepływ prądu, jeśli przekroczy maksymalne napięcie robocze diod laserowych, unikając w ten sposób uszkodzenia diody laserowej. Typowe wartości dla komponentów to R1 = 1 Ω, C1 = 1 mF, D1 = 30 V, D2 = 6 V. Wartości wybrane dla R1 i C1 ograniczą obecne pasmo modulacji diody. Może to być dalekie od ideału, jeśli sygnał błędu jest generowany przez modulację prądu zamiast omówionej modulacji Zeemana.

Rysunek 3. Konkurencyjne tryby w ECDL. zielony: Szerokość linii rzędu dyfrakcji siatki ≈50 GHz w zależności od siatki. Czerwone ciało stałe: Tryb wnęki wewnętrznej diody laserowej o szerokości linii ≈10 MHz i swobodnym zakresie spektralnym ≈80 GHz. Czerwona kreska: Wewnętrzna wnęka diody z powłoką antyrefleksyjną. Diody te będą miały szerokość linii w zakresie nm. niebieski: Tryby wnęki zewnętrznej o szerokości linii ≈500 kHz i swobodnym zakresie spektralnym ≈5 GHz. Z wnęki zewnętrznej o długości 3 cm. Regulacja kąta siatki przesunie środek zielonej krzywej i jednocześnie zmieni zewnętrzną długość wnęki, co z kolei przesunie również niebieską krzywą. Regulacja prądu i temperatury diody spowoduje przesunięcie czerwonych krzywych.

Rysunek 4. Spektroskopia absorpcji nasyconej i odpowiadający jej sygnał błędu. Dla rubidu 87. Dolna krzywa: Nasycone piki absorpcji na znacznie szerszym piku absorpcji Dopplera utworzone z wolnej spektroskopii dopplerowskiej. Górna krzywa: Sygnał błędu dla odpowiedniego nasyconego układu absorpcji. Etykiety powyżej sygnału błędu odpowiadają przejściu atomowemu (F→F').

Rysunek 5. Cewka Zeemana. Cewka owinięta wokół rubidowego ogniwa parowego używanego w modulacji Zeemana.

Rysunek 6. Szerokość linii lasera. Sygnał uzyskany z analizatora widma nuty dudnionej utworzonej przez dwa podobne lasery. Z rysunku wynika, że beat ma częstotliwość 206,24 MHz i szerokość linii 0,3 MHz z czasem integracji 20 ms.

Bieżące elementy sterujące	Zakres	Szum
Laboratoria Thora:
LDC200CV	0-20 mA	<1 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU	0-100 mA	<0,2 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C	0-200 mA	<1,5 μA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C	0-500 mA	<3 μA (10 Hz -1 MHz)
Moglabs:
DLC-202	0-200 mA	<300 pA/√Hz
DLC-252	0-250 mA	<300 pA/√Hz
DLC-502	0-500 mA	< 300 pA/√Hz
Systemy badawcze Stanforda:
LDC500	0-100 mA	< 0,9 μA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	< 4,5 μA RMS (10 Hz -1 MHz)
Toptica:
DCC 110/100	0-100 mA	200 nA RMS (5 Hz-1 MHz)
DCC 110/500	0-500 mA	1 μA RMS (5 Hz-1 MHz)
Regulatory temperatury
Laboratoria Thora:
TED200C	od -45 do 145 °C	±2 mK
Moglabs:
DLC-202	od -40 do 50 °C	±5 mK
DLC-252	od -40 do 50 °C	±5 mK
DLC-502	od -40 do 50 °C	±5 mK
Systemy badawcze Stanforda:
LDC500	od -55 do 150 °C	±2 mK
LDC501	od -55 do 150 °C	±2 mK
Toptica:
DTC 110	0-50 °C	±2 mK

Tabela 1. Kontrolery prądu i temperatury diod. Diodowe regulatory prądu i temperatury różnych firm wraz z ich zakresami i poziomami hałasu.

Discussion

W niniejszej publikacji pokazano, jak przejść od zdemontowanego ECDL przez wyrównanie i blokowanie częstotliwości, aby uzyskać pomiar szerokości linii lasera. Konstrukcja mechaniczna i konstrukcja elektroniki, takiej jak serwomechanizmy PID, sterowniki diodowe i regulatory temperatury, jest zbyt specjalistyczna, aby ją tutaj omawiać, ale została kompleksowo omówiona w cytowanych publikacjach^1,3,5.

Chociaż diody ECDL stały się podstawą w laboratoriach fizyki atomowej, gatunki i przejścia, które te urządzenia mogą osiągnąć, są ograniczone. Poczyniono znaczne postępy w poszerzaniu zakresu długości fal laserów opartych na diodach, jednak obecnie pozostaje wiele luk, zwłaszcza w promieniowaniu UV. Ograniczenia mocy systemów ECDL nadal ograniczają ich zastosowania. Gołe diody jednomodowe mają moc od μW do 100 mWatów. Dodatkowo do systemu ECDL można dodać wzmacniacze stożkowe, aby zwiększyć całkowitą moc lasera jednomodowego do poziomu watów. Jeśli wymagane są moce w jednym trybie znacznie większe niż wat lub inne długości fal, wymagane są alternatywne architektury laserowe. Należą do nich lasery światłowodowe²⁶, lasery na ciele stałym²⁷ , takie jak lasery TiSaph, lub mogą opierać się na nieliniowych procesach konwersji częstotliwości²⁷ , takich jak lasery Ramana, mieszanie czterech fal, generowanie częstotliwości sumy lub optyczny oscylator parametryczny.

Niniejsza publikacja koncentruje się na mechanizmie blokującym, który jest zależny od atomowego ogniwa parowego. Dla wielu zastosowań w fizyce atomowej proste szklane ogniwo parowe, jak omówiono tutaj, może nie być dostępne, tak jak w przypadku gatunków takich jak Yb. Zademonstrowano wiele innych technik uzyskiwania próbki referencyjnej z różnymi gatunkami, takich jak gorące wiązki atomowe, lampy wyładowcze, ogniwa gazu buforowego, ogniwa jodowe i komórki rozpylające.

Ta konstrukcja systemu laserowego jest z natury ograniczona do szerokości linii ≈30 kHz ²⁸ i zwykle bliższych 100 kHz. Jeśli zastosowanie wymaga węższej szerokości linii, wymagane są inne techniki stabilizacji lub alternatywne konstrukcje lasera²⁶ .

Podczas pracy z systemami optycznymi czystość ma ogromne znaczenie. Dobrą praktyką przy pierwszym zapoznaniu się z optyką i obchodzeniu się z nią jest noszenie rękawiczek, aby zapobiec przypadkowemu dotknięciu powierzchni optycznej. Jeśli optyka jest porysowana, nie należy jej używać w systemie laserowym. W większości przypadków optykę ze odciskami palców lub kurzem można wyczyścić odpowiednio acetonem lub sprężonym powietrzem. Każda niedoskonałość powierzchni optycznej może i będzie powodować straty i potencjalne szumy w systemie. Mocowania optyki powinny być zawsze przymocowane do stołu optycznego, a po umieszczeniu na miejscu powinny być mocno przykręcone.

Podczas wyrównywania optyki, takiej jak płytki falowe i rozdzielacze wiązki polaryzacyjnej, upewnij się, że światło pada prawie prostopadle do powierzchni optycznej, unikając jednocześnie odbić z powrotem do lasera. W miarę jak kąt padania odchyla się od 90° , zachowanie tych elementów optycznych staje się coraz bardziej dalekie od ideału. Aby zminimalizować aberrację i zmaksymalizować aperturę numeryczną, wiązki powinny zawsze przechodzić przez środek soczewek i być normalne do obiektywu. Natomiast ogniwo parowe powinno być umieszczone pod niewielkim kątem do padającej wiązki, aby uniknąć efektów etalonu. Z tego powodu wiele ogniw parowych jest produkowanych z nierównoległymi fasetami końcowymi.

Zastosowane tu lasery należą do klasy 3B. Nawet rozproszone odbicia mogą spowodować uszkodzenie oczu. Praca z laserami tego typu powinna być wykonywana wyłącznie przez przeszkolony personel zaznajomiony z zagrożeniami związanymi z laserami. Laserowe okulary ochronne powinny być noszone przez cały czas. Nigdy nie patrz bezpośrednio na ścieżkę lasera w celu wyrównania optycznego i zachowaj szczególną ostrożność, aby uniknąć generowania niebezpiecznych odbić zwierciadlanych od elementów optycznych. Zawsze dodatnio kończ linie belki za pomocą zrzutu belki.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dioda laserowa (rubid, 780 nm)	Roithner	ADL-78901TX	Dostępne są różne długości fal, moce, rozmiary obudów i powłoki AR (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)
Siatka dyfrakcyjna (rubid, 780 nm)	Newport	05HG1800-500-1	Holograficzne lub rullered  ( Opcjonalne blazing) (Thor Labs, Newport)
Karta podglądu	Thor Labs	VRC5	Karta podglądu na podczerwień
Dioda  Obiektyw	Thor Labs	C330TME-B	Powlekany do szkła klin 780 nm
	Thor Labs	PS814	10° wedge
1/2 Waveplate	Thor Labs	WPH10M-780	780 nm
1/4 Waveplate	Thor Labs	WPQ10M-780	780 nm
Mocowania obrotowe	Thor Labs	RSP1C
PBS	Thor Labs	PBS252	780 nm
Izolator	Thor Labs	IO-5-780-HP
Ogniwo parowe	Thor Labs	GC25075-RB	rubidu
Detektor fotograficzny	Moglabs	PDD-001-400-1100-λ
Scope	Tektronix	TDS1001B
Wavemeter	Yokogawa	AQ-6515A	Używamy optycznego analizatora widma, ale tańszy falomierz również byłby wystarczający.
Elektroniczny analizator widma	Agilent	E4411B
IR Viewer	FJW Optical Systems Inc	84499A-5	Przeglądarka podczerwieni