Name: Budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-24T13:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Poznaj budowę i charakterystykę laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej. Naucz się montażu komponentów, strojenia częstotliwości i pomiaru szerokości linii laserowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

1. Wybór komponentów
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Użyj najprostszego możliwego do opanowania projektu - złożoność często oznacza niestabilność. Istnieje ogromna liczba konstrukcji ECDL, ale najprostszym jest Littrow3,5,7,22. 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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Montaż
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Włącz regulator temperatury i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje.</li>
	<li>Włącz diodę i zwiększ prąd tak, aby wiązka wyjściowa mogła być wyraźnie obserwowana za pomocą karty podglądu. Użyj karty IR, aby view wiązka.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Jeśli konieczna była zmiana położenia diody, powtórz poprzedni krok, aby ponownie skolimować diodę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po potwierdzeniu orientacji kraty przyklej kratę na ramieniu strojenia ECDL za pomocą kleju szybkowiążącego, takiego jak Loctite.</li>
</ol>
3. Wyrównanie sprzężenia zwrotnego
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Początkowy wybór częstotliwości
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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).
	<ol>
		<li>Zacznij od regulacji kąta rusztu, ręcznie lub za pomocą piezo. Po drugie, wyreguluj prąd diody.</li>
		<li>Jeśli żądana częstotliwość jest do niebieskiego zakresu przemiatania siatki, temperatura diody powinna zostać zmniejszona i odwrotnie, jeśli żądana długość fali jest do czerwonej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Precyzyjna regulacja częstotliwości i blokowanie częstotliwości
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Stopniowo zmniejszaj zakres skanowania i dostosowuj przesunięcia, aby wyśrodkować skanowanie nad interesującym Cię przejściem, bez żadnych innych przejść.</li>
	<li>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).</li>
</ol>
6. Pomiar szerokości linii
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zablokuj oba lasery na różnych przejściach nadsubtelnych, najlepiej z przesunięciem około 100 MHz. Zminimalizuje to wpływ szumu elektronicznego.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Wieman, C. E., Hollberg, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+diode+lasers+for+Atomic+physics%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Using diode lasers for Atomic physics.</a> Rev. Sci. Instrum. 62 (1), 1-20 (1991).</li>
<li>Camparo, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+diode+laser+in+atomic+physics%5BTitle%5D)+AND+%22Cont.+Phys%22%5BJournal%5D)">The diode laser in atomic physics.</a> Cont. Phys. 26 (5), 443-477 (1985).</li>
<li>MacAdam, K. B., Steinbach, A., Wieman, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+narrowband+tunable+diode+laser+system+with+grating+feedback%2C+and+a+saturated+absorption+spectrometer+for+Cs+and+Rb%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">A narrowband tunable diode laser system with grating feedback, and a saturated absorption spectrometer for Cs and Rb.</a> Am. J. Phys. 60, 1098(1992).</li>
<li>Steck, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rubidium+87+D+line+data%5BTitle%5D)+AND+%22Los+Alamos+National+Laboratory%22%5BJournal%5D)">Rubidium 87 D line data.</a> Los Alamos National Laboratory. , 1-29 (2001).</li>
<li>Ricci, L., Weidemuller, M., Esslinger, T., Hemmerich, A., Zimmermann, C., Vuletic, V., Konig, W., Hansch, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+compact+grating-stabilized+diode+laser+system+for+atomic+physics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics.</a> Opt. Commun. 117, 541-549 (1995).</li>
<li>Zorabedian, P., Trutna, W. R. Jr <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference-filter-tuned%2C+alignment-stabilized%2C+semiconductor+external-cavity+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser.</a> Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).</li>
<li>Hawthorn, C. J., Weber, K. P., Scholten, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Littrow+configuration+tunable+external+cavity+diode+laser+with+fixed+direction+output+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Inst%22%5BJournal%5D)">Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam.</a> Rev. Sci. Inst. 72 (12), 4477-4479 (2001).</li>
<li>Nilse, L., Davies, H. J., Adams, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synchronous+tuning+of+extended+cavity+diode+lasers%3A+the+case+for+an+optimum+pivot+point%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Synchronous tuning of extended cavity diode lasers: the case for an optimum pivot point.</a> Appl. Opt. 38 (3), 548-553 (1999).</li>
<li>Park, S. E., Kwon, T. Y., Shin, E., Lee, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Compact+Extended-Cavity+Diode+Laser+With+a+Littman+Configuration%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Inst.+Meas%22%5BJournal%5D)">A Compact Extended-Cavity Diode Laser With a Littman Configuration.</a> IEEE Trans. Inst. Meas. 52 (2), 280-283 (2003).</li>
<li>Black, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+introduction+to+Pound-Drever-Hall+laser+frequency+stabilization%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization.</a> Am. J. Phys. 69 (1), 79-87 (2001).</li>
<li>Shaddock, D. A., Gray, M. B., McClelland, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+locking+a+laser+to+an+optical+cavity+by+use+of+spatial+mode+interference%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Frequency locking a laser to an optical cavity by use of spatial mode interference.</a> Opt. Lett. 24, 1499-1501 (1999).</li>
<li>Corwin, K. L., Lu, Z. T., Hand, C. F., Epstein, R. J., Wieman, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency-stabilized+diode+laser+with+the+Zeeman+shift+in+an+atomic+vapor%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Frequency-stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vapor.</a> Appl. Opt. 37 (15), 3295-3298 (1998).</li>
<li>Schmidt, O., Knaak, K. -M., Mesche de Wynands, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cesium+saturation+spectroscopy+revisited%3A+How+to+reverse+peaks+and+observe+narrow+resonances%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+B%22%5BJournal%5D)">Cesium saturation spectroscopy revisited: How to reverse peaks and observe narrow resonances.</a> Appl. Phys. B. 59, 167-178 (1994).</li>
<li>Robins, N. P., Slagmolen, B. J. J., Shaddock, D. A., Close, J. D., Gray, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric%2C+modulation-free+laser+stabilization%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Interferometric, modulation-free laser stabilization.</a> Opt. Lett. 27, 1905-1907 (2002).</li>
<li>Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. Atomic Phyisics. , Oxford. (2004).</li>
<li>Foot, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+Physics%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Atomic Physics.</a> , Oxford. (2005).</li>
<li>Haus, H. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHaus%2C+HA+%22Electronic+Noise+and+Qunatum+Optical+Measurements%22">Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements</a>. , Springer. (2000).</li>
<li>Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+method+for+high+resolution+measurement+of+laser+output+spectrum%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics+Lett%22%5BJournal%5D)">Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum.</a> Electronics Lett. 16 (16), 630-631 (1980).</li>
<li>Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+linewidth+measurements+using+self-homodyne+detection+with+short+delay%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay.</a> Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).</li>
<li>Optics Hecht, E. , 4th, Addison Wesley. (2002).</li>
<li>Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+extended-cavity+diode+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A simple extended-cavity diode laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 69, 1236(1998).</li>
<li>Loh, H., Lin, Y., Teper, I., Cetina, M., Simon, J., Thompson, J. K., Vuletic, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+grating+parameters+on+the+linewidths+of+external-cavity+diode+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Influence of grating parameters on the linewidths of external-cavity diode lasers.</a> Appl. Opt. 45 (36), 9191-9197 (2006).</li>
<li>Rao, G. N., Reddy, M. N., Hecht, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+hyperfine+structure+studies+using+temperature%2Fcurrent+tuning+of+diode+lasers%3A+An+undergraduate+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Atomic hyperfine structure studies using temperature/current tuning of diode lasers: An undergraduate experiment.</a> Am. J. Phys. 66 (8), 702-712 (1998).</li>
<li>Sane, S. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C. N., McDonald, G. D., Altin, P. A., Close, J. D., Robins, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((11W+narrow+linewidth+laser+source+at+780+nm+for+laser+cooling+and+manipulation+of+Rubidium%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">11W narrow linewidth laser source at 780 nm for laser cooling and manipulation of Rubidium.</a> Opt. Express. 20, 8915-8919 (2012).</li>
<li>Koechner, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKoechner%2C+W+%22Solid-State+Laser+Engineering%22">Solid-State Laser Engineering</a>. , 5th edition, Springer. (1999).</li>
<li>Saliba, S. D., Scholten, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linewidths+below+100+kHz+with+externalcavity+diode+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers.</a> Appl. Opt. 48 (36), 6961-6966 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia. Cytaty o konkretnych produktach i firmach służą wyłącznie wyjaśnieniu i nie stanowią poparcia autorów.

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 publikacjach1,3,5.
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.

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 wieku1,2. 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 Littrow3,5,7,8 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 haliPound-Drever 11 lub ryglowania uchylnego12. W celu zablokowania na linii absorpcji atomowej można zastosować DAVLL13 lub spektroskopię absorpcji nasyconej3,14 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-homodyny19,20, 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.

<table><tbody><tr><td>Dioda laserowa (rubid, 780 nm)</td><td>Roithner</td><td>ADL-78901TX</td><td>Dostępne są różne długości fal, moce, rozmiary obudów i powłoki AR (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)</td></tr><tr><td>Siatka dyfrakcyjna (rubid, 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>Holograficzne lub rullered &nbsp;( Opcjonalne blazing) (Thor Labs, Newport)</td></tr><tr><td>Karta podglądu</td><td>Thor Labs</td><td>VRC5</td><td>Karta podglądu na podczerwień</td></tr><tr><td>Dioda&nbsp; Obiektyw</td><td>Thor Labs</td><td>C330TME-B</td><td>Powlekany do szkła klin 780 nm</td></tr><tr><td></td><td>Thor Labs</td><td>PS814</td><td>10&deg; wedge</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>Mocowania obrotowe</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>Izolator</td><td>Thor Labs</td><td>IO-5-780-HP</td><td></td></tr><tr><td>Ogniwo parowe</td><td>Thor Labs</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=GC25075-RB">GC25075-RB</a></td><td>rubidu&nbsp;</td></tr><tr><td>Detektor fotograficzny</td><td>Moglabs</td><td>PDD-001-400-1100-&lambda;</td><td></td></tr><tr><td>Scope</td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>Wavemeter</td><td>Yokogawa</td><td>AQ-6515A</td><td>Używamy optycznego analizatora widma, ale tańszy falomierz również byłby wystarczający.</td></tr><tr><td>Elektroniczny analizator widma</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>Przeglądarka podczerwieni</td></tr></tbody></table>

budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

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 atomowej1,2. Ich wszechstronność i szerokie zastosowanie w fizyce atomowej w zastosowaniach takich jak spektroskopia absorpcyjna i chłodzenie laserowe1,2 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.

Proces wyrównywania, blokowania częstotliwości i charakteryzacji szerokości linii ECDL składa się z 5 głównych kroków. Są to: uzyskanie sprzężenia zwrotnego z siatki dyfrakcyjnej i wykorzystanie go do ustawienia przybliżonej częstotliwości ECDL mierzonej na falometrze, obserwacja absorpcji lasera w celi referencyjnej, obserwacja przejścia atomowego z rozdzielczością zbliżoną do naturalnej szerokości linii w układzie spektroskopii nasyconej absorpcji, uzyskanie sygnału błędu wokół pożądanego przejścia i zablokowanie do niego, a na koniec obserwacja sygnału dudnienia dwóch laserów i pomiar szerokości linii lasera. Krok pierwszy zostaje pomyślnie zakończony w sposób dość trywialny, gdy długość fali odczytana z falometru odpowiada interesującemu nas przejściu atomowemu. Podczas prób uzyskania absorpcji w celi referencyjnej, w momencie trafienia w przejście, za pomocą przeglądarki IR można zaobserwować fluorescencję wzdłuż drogi wiązki w celi. Jeśli ECDL skanuje, cela będzie błyskać. Sygnał nasyconej absorpcji może być trudny do dostrzeżenia podczas pierwszego wyrównywania, ponieważ linie transmisji mogą być bardzo małe w porównaniu z pikiem absorpcji Dopplera. Gdy widoczne są piki podobne do tych przedstawionych na rysunku 4, system nasyconej absorpcji działa prawidłowo. Poprzez dostrojenie fazy i parametrów skanowania powinien zostać uzyskany sygnał błędu podobny do tego pokazanego na rysunku 4. Aby zmierzyć szerokość linii ECDL, konieczne jest uzyskanie sygnału dudnienia między dwiema wiązkami. W miarę jak wiązki będą coraz bardziej na siebie nachodzić, zacznie pojawiać się fala sinusoidalna, co będzie widoczne na oscyloskopie z fotodetektora. Należy kontynuować wyrównywanie do momentu uzyskania największego kontrastu między węzłami a strzałkami. Gdy sygnał dudnienia zostanie następnie przepuszczony przez elektroniczny analizator widma, powinien pojawić się sygnał podobny do tego na rysunku 6. Na podstawie tego sygnału można zmierzyć szerokość linii lasera. Kompletny układ optyczny przedstawiono na rysunku 1.
<img alt="Optical excitation system diagram with laser diode, grating, mirror; measures light diffraction." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
Rycina 1. Kompletny układ optyczny. Jest to przykład kompletnego układu optycznego dla omówionego systemu ECDL. Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Przedstawiono konfigurację Littrowa zewnętrznego stabilizatora częstotliwości lasera diodowego (ECDL). Procent wiązki padającej na siatkę, zazwyczaj od 20% do 30%, ulega dyfrakcji i powraca do diody. Kąt dyfrakcji i kąt odbicia są równe. Siatka jest zamocowana na stole strojeniowym, w którym zastosowano element piezoelektryczny do sterowania kątem ustawienia siatki. B: Wiązka wyjściowa z diody laserowej pada na siatkę pod kątem θ z odbiciem zerowego rzędu i 1st dyfrakcji rzędu zwrotnego, która jest przesyłana z powrotem wzdłuż drogi wiązki padającej. Długość fali światła dyfrakcyjnego jest określona wzorem λ = 2dsin(θ) w konfiguracji Littrowa. C: Położenie i orientacja izolatora optycznego w celu zminimalizowania niepożądanego sprzężenia zwrotnego do diody laserowej. D: Wiązka wyjściowa z modułu laserowego przechodzi przez λpłytka falowa $\lambda/2$ oraz PBS, a układ jest zsynchronizowany z falometrem. Moc w wiązkach odbitej i przechodzącej można regulować poprzez obracanie płytki falowej. E: Linia wiązki wykorzystywana w eksperymencie. Linia ta będzie przenosić większość mocy lasera. F: Przepuść wiązkę odniesienia o natężeniu równym lub wyższym od natężenia nasycenia przez PBS, λ/4 płytka falowa, referencyjna komórka gazowa, a następnie odbicie wiązki za pomocą retroreflektora z powrotem na PBS. Ważne jest, aby obie wiązki były dobrze nałożone na siebie, aby uzyskać poprawną spektroskopię nasycenia. Płytka falowa zapewni obrócenie polaryzacji światła w wiązce odbitej o 90° z wiązki padającej, umożliwiając jej wyjście przez przeciwległy port dzielnika wiązki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>
<img alt="Schemat obwodu zasilania; R1, C1, D1, D2 do regulacji napięcia; schemat elektroniczny." fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig2highres.jpg" width="200" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Obwód zabezpieczający diodę laserową. Przykład obwodu zabezpieczającego prąd diody laserowej. R1 i C1 tworzą podstawowy obwód RC i służą do filtrowania szumów wysokiej częstotliwości. D1 i D2 to odpowiednio dioda Schottky'ego i dioda Zenera. Dioda Schottky'ego, charakteryzująca się szybkim czasem reakcji, chroni przed napięciami wstecznymi, natomiast dioda Zenera, o wolniejszym czasie reakcji, jest zaprojektowana tak, aby przepuścić prąd w przypadku przekroczenia maksymalnego napięcia pracy diody laserowej, zapobiegając tym samym jej uszkodzeniu. Typowe wartości komponentów to R1 = 1 Ω, C1 = 1 mF, D1 = 30 V, D2 = 6 V. Wartości dobrane dla R1 i C1 będą ograniczać pasmo modulacji prądu diody. Może to być nieoptymalne w przypadku generowania sygnału błędu za pomocą modulacji prądu zamiast omówionej modulacji Zeemana.
<img alt="Analiza optycznego widma częstotliwości; wykres; intensywność względem częstotliwości; fotonika; emisja." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Konkurujące mody w laserze ECDL. Zielony: Szerokość linii rzędu dyfrakcji siatki ≈50 GHz w zależności od siatki. Czerwona linia ciągła: Mod wnętrza wewnętrznego diody laserowej o szerokości linii ≈10 MHz i wolnym zakresie widmowym (FSR) ≈80 GHz. Czerwona linia przerywana: Wnętrze wewnętrzne diody z powłoką antyrefleksyjną. Diody te będą miały szerokość linii w zakresie nm. Niebieski: Mody wnętrza zewnętrznego o szerokości linii ≈500 kHz i wolnym zakresie widmowym ≈5 GHz. Dla wnętrza zewnętrznego o długości 3 cm. Regulacja kąta siatki przesunie centrum zielnej krzywej i jednocześnie zmieni długość wnętrza zewnętrznego, co w konsekwencji przesunie również krzywą niebieską. Regulacja prądu i temperatury diody przesunie krzywe czerwone.
<img alt="Wykres spektroskopowy zależności częstotliwości od napięcia, pokazujący przejścia molekularne w zakresie MHz." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
 
Rycina 4. Spektroskopia nasyconego pochłaniania i odpowiadający jej sygnał błędu. Dla Rubidu 87. Dolna krzywa: piki nasyconego pochłaniania na znacznie szerszym piku pochłaniania Dopplera powstałym w wyniku spektroskopii bezdopplerowskiej. Górna krzywa: sygnał błędu dla odpowiadającego systemu nasyconego pochłaniania. Etykiety nad sygnałem błędu odpowiadają przejściu atomowemu (F→F').
<img alt="Elektromagnes z miedzianą cewką, zestaw do eksperymentu fizycznego do demonstracji pola magnetycznego." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
 
Rycina 5. Cewka Zeemana. Cewka owinięta wokół komórki z parą rubidu stosowanej w modulacji Zeemana.
<img alt="Wykres odpowiedzi częstotliwościowej, natężenie w funkcji częstotliwości, zakres MHz; analiza widma elektromagnetycznego." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Szerokość linii lasera. Sygnał uzyskany z analizatora widma dla nuty dudnienia utworzonej przez dwa podobne lasery. Z rysunku wynika, że dudnienie ma częstotliwość 206.24 MHz i szerokość linii 0.3 MHz przy czasie całkowania 20 msec.
<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;">Aktualne kontrole</td>
			<td style="width:123px;">Zakres</td>
			<td style="width:275px;">Szum</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;">Regulatory temperatury</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>od -45 do 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>od -40 do 50 °C</td>
			<td>±5 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-252</td>
			<td>od -40 do 50 °C</td>
			<td>±5 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">DLC-502</td>
			<td>od -40 do 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>od -55 do 150 °C</td>
			<td>±2 mK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LDC501</td>
			<td>-55 do 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>
Tabela 1. Kontrolery prądu i temperatury diod. Kontrolery prądu i temperatury diod różnych firm wraz z ich zakresami i poziomami szumów.

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.

Budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej

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

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie prawidłowego montażu i charakterystyki laserów diodowych z zewnętrzną wnęką. Osiąga się to poprzez znalezienie najpierw właściwej orientacji elementów optycznych i osiągnięcie leniuchowania ze sprzężeniem zwrotnym. Drugim krokiem jest skonfigurowanie nasyconego systemu absorpcji w celu dostrojenia częstotliwości lasera.Następnie dostrój laser do rezonansu i uzyskaj dopplerowski sygnał absorpcji. Ostatnim krokiem jest interferencja wiązki z wiązką drugiego dostrojonego lasera w celu zmierzenia szerokości linii. Ostatecznie budowany jest zewnętrzny laser DDE do wnęki na mieszkańcach z pożądanym przejściem atomowym i mierzona jest jego szerokość linii.Wizualna demonstracja tej metody jest przydatna, ponieważ kroki proceduralne są trudne do nauczenia. Ten film rozpocznie się od montażu lasera diodowego z zewnętrzną wnęką. Po wybraniu soczewki diody laserowej, krata i elektronika noszą pasek uziemiający jako środek ostrożności przed uszkodzeniem diody przez wyładowania elektrostatyczne.Tutaj układ mechaniczny, z wyjątkiem soczewki diodowej i siatki, jest zamontowany na ciągłym montażu lasera w chłodnicy termicznej Umieszczając diodę laserową w otworze montażowym i zabezpieczając ją za pomocą pierścienia montażowego, pierścień montażowy powinien być dobrze dopasowany, ale nie typu puszka DDE i piny uziemiające powinny być trwale uziemione. Zamontuj soczewkę przed diodą i zamontuj zespół tubusu obiektywu. Po sprawdzeniu przyporządkowań pinów podłącz diodę laserową do obwodu zabezpieczającego i zasilania prądowego.Zdejmij pasek uziemiający i ustaw odpowiednie warunki pracy diody i chłodnicy termoelektrycznej, ustawiając temperaturę i prąd diody na sugerowaną wartość. Dla interesującej Cię długości fali włącz regulator temperatury i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje. Następnie należy podjąć odpowiednie środki ostrożności podczas pracy z laserami, w tym korzystania z gogli.Włącz diodę i umieść przed nią kartę podglądu na podczerwień. Zwiększ prąd tak, aby wiązka wyjściowa była wyraźnie obserwowana przy ustawieniu diody i soczewki. Zwróć uwagę na gradację dyfrakcyjną.Najpierw sprawdź orientację linii skarpy. Płaszczyzna dyfrakcyjna jest zwykle oznaczona strzałką, która jest prostopadła do linii stopniowania i w kierunku oświetlonego odbicia. Dokładnie sprawdź etykietę, pracując pod żarówką i oglądając gradację z kierunku wskazanego przez strzałkę.Światło odbite od źródła szerokopasmowego powinno zmieniać kolor wraz ze zmianą kąta. Przygotuj się do zamontowania skali, ustawiając ją na ramieniu strojenia lasera diodowego z zewnętrzną wnęką, aby uzyskać maksymalną moc sprzężenia zwrotnego. Upewnij się, że strzałka jest skierowana z powrotem w stronę dde.Następnie użyj szybkowiążącego kleju, aby zamontować profilowanie. Teraz przygotuj się do zestawienia wiązki za pomocą asferycznej soczewki zbierającej. Zamontuj soczewkę przed diodą.Odległość między diodą a soczewką można regulować. Po zamontowaniu obiektywu użyj karty wiązki, aby sprawdzić, czy średnica wiązki jest stała na co najmniej trzech metrach. W razie potrzeby wyreguluj separację soczewek diodowych.Następnie umieść obrotowy polaryzator na ścieżce wiązki, aby sprawdzić, czy polaryzacja znajduje się w żądanej płaszczyźnie dla gradacji dyfrakcyjnej. Na tym kończy się budowa lasera diodowego z zewnętrzną wnęką. Rozpocznij wyrównanie, umieszczając kartę podglądu w zewnętrznej wiązce lasera diodowego.Dalej dioda. W tym eksperymencie ustaw ustawiony prąd na skrzynce sterującej diody na nieco poniżej progu. Następnie rozpocznij pracę ze regulacyjnymi systemu.Użyj, aby zmienić kąt ramienia sortującego, aż do uzyskania zewnętrznej wnęki sprzężenia zwrotnego. Podczas dokonywania regulacji obserwuj viewkarta. Jedną z oznak wnęki sprzężenia zwrotnego jest wzrost jasności lub błysk na karcie podglądu.Następnym krokiem jest zapobieganie niestabilności lasera poprzez odbicie wsteczne. W tym celu należy dodać izolator optyczny bezpośrednio po laserze. Teraz, aby pomóc w dostrojeniu częstotliwości lasera, przygotuj się do wykonania pomiaru przebiegu bezwzględnej długości fali z dokładnością mniejszą niż jeden nanometr.Aby to zrobić, użyj płytki półfalowej i rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej, aby wybrać wiązkę wtórną z wiązki głównej i wprowadzić ją do miernika fal. Dostosuj laser diodowy z zewnętrzną wnęką, aż uzyskasz żądaną długość fali wyjściowej około 780 nanometrów dla tej diody rubidowej. Teraz przygotuj system do absorpcji nasyconej.Spektroskopia kieruje część wiązki laserowej przez rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej i płytkę ćwierćfalową. Za płytką ćwierćfalową umieść referencyjną komórkę parową otoczoną elektromagnesem. Podążaj za elektromagnesem z lustrem, światło odbite od lustra jest kierowane przez rozdzielacz wiązki do fotodetektora.Podłącz fotodetektor do oscyloskopu. Użyj kontrolera DDE, aby zeskanować długość fali, aż będzie widoczny sygnał absorpcyjny. W przypadku komórki rubidowej przy przejściu 780 nanometrów występuje dopplerowski rozszerzony sygnał absorpcyjny o szerokości, około pięciu gigaherców z kilkoma ostrymi przejściami 10 megaherców.Ponadto, gdy laser skanuje przejście atomowe rubidu o długości 780 nanometrów, wiązka laserowa powinna być widoczna w komórce parowej, aby utworzyć sygnał błędu do zablokowania. Użyj generatora funkcyjnego, aby modulować pole magnetyczne elektromagnesu o częstotliwości około 250 kiloherców o wielkości jednego gause. Wymieszaj sygnał z wyjścia fotodetektora absorpcyjnego z sygnałem modulacji z generatora funkcyjnego, aby uzyskać sygnał błędu na oscyloskopie.Podobnie jak w tym przypadku, każde nadsubtelne przejście F dwa F jest oznaczone jako oznaczone. Kontroluj wielkość sygnału błędu, dostosowując fazę względną za pomocą płytki ćwierćfalowej przed ogniwem parowym W tym momencie wyśrodkuj skan nad przejściem zainteresowania. Następnie stopniowo zmniejszaj zakres skanowania, aż nie będzie żadnych innych przejść.Zastosuj proporcjonalny obwód pochodnej całkowej, aby zablokować długość fali lasera za pomocą sygnału błędu. Aby wykonać dokładny pomiar szerokości linii, użyj dwóch zewnętrznych laserów diodowych wnękowych. Każdy laser powinien być zgodny ze schematem pokazanym tutaj.Skieruj wiązkę z każdego lasera, dodając płytkę półfalową i rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej. Po przebiegu aparatura do pomiaru długości fali zaczyna się od zablokowania dwóch laserów w różnych przejściach nadsubtelnych w odległości około 100 megaherców od siebie i dopasowania ich modów, mocy i polaryzacji. Gdy to zrobisz, użyj niepolarnego rozdzielacza wiązki 50 50, aby spowodować interferencję dwóch wiązek.Skieruj powstałą wiązkę do fotodetektora. Sprawdź wyjście sygnału z fotodetektora na oscyloskopie. Sygnał powinien być falą sinusoidalną o częstotliwości równej różnicy częstotliwości między częstotliwościami dwóch laserów.Użyj analizatora widma, aby uzyskać najlepszą rozdzielczość fluktuacji częstotliwości. Podobnie jak w tym przykładzie, będzie istniał pusty profil wyśrodkowany na częstotliwości dudnienia, która może być przybliżona przez Gaussian. Tutaj rytm ma częstotliwość około 206,24 megaherca i jest wyrównany z 0,3 megaherca.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak skonstruować i scharakteryzować powszechny laser do wybierania zewnętrznej wnęki.

construction-characterization-external-cavity-diode-lasers-for-atomic

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną jamą rezonansową dla fizyki atomowej

Aksonotomia laserowa z następującym po niej obrazowaniem time-lapse jest czułą metodą badania wpływu mutacji u C. elegans na regenerację aksonów. Wysokiej jakości, a jednocześnie niedrogi system ablacji laserowej można z łatwością dołączyć do większości mikroskopów. Obrazowanie time-lapse trwające 15 godzin wymaga starannego unieruchomienia nicienia.

Budowa niskobudżetowego systemu laserowej aksonotomii do badania regeneracji aksonów u C. elegans

Tutaj opisujemy zastosowanie techniki odchylania wiązki fototermicznej w połączeniu z umieszczonym w klatce związkiem wapnia, DM-nitrofenem, do monitorowania dynamiki mikrosekund i milisekund oraz energetyki zmian strukturalnych związanych ze związkiem wapnia z neuronalnym czujnikiem wapnia, Modulatorem Antagonisty Elementu Regulatorowego.

Submilisekundowe zmiany konformacyjne w białkach rozwiązane przez odchylenie wiązki fototermicznej

Atomowe i dwuatomowe gatunki molekularne z rozdzielczością czasową są mierzone za pomocą LIBS. Widma są zbierane z różnymi opóźnieniami czasowymi po wytworzeniu plazmy rozpadu optycznego z promieniowaniem laserowym Nd:YAG i są analizowane w celu wywnioskowania gęstości elektronów i temperatury.

Pomiar i analiza widm wodoru atomowego i dwuatomowego molekularnego AlO,C2, CN i TiO po rozpadzie optycznym wywołanym laserem

Opisujemy generowanie promieniowania dalekiej podczerwieni za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego wraz z pomiarem ich częstotliwości za pomocą technik heterodynowych. System i techniki eksperymentalne zademonstrowano przy użyciu difluorometanu (CH, 2F2) jako ośrodka laserowego, czego wyniki obejmują trzy nowe emisje laserowe i osiem zmierzonych częstotliwości laserowych.

Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości

Opisany jest prosty aparat Dewara/kriostatu z ciekłym azotem, składający się z małego optycznego Dewara z topionej krzemionki, termopary i spektrografu z ładunkiem sprzężonym z ładunkiem (CCD). Eksperymenty, do których zaprojektowano ten kriostat Dewara, wymagają szybkiego ładowania, zamrażania i wyrównywania próbek, dokładnych i stabilnych temperatur próbek oraz niewielkich rozmiarów/przenośności.

Prosty kriostat Dewara/Kriostatu do równoważenia termicznego próbek w znanych temperaturach w celu dokładnych pomiarów luminescencji kriogenicznej

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Prezentujemy parametryczną metodę chłodzenia ultrazimnego gazu Fermiego w optycznej pułapce dipolowej o skrzyżowanej wiązce. Metoda ta selektywnie usuwa wysokoenergetyczne atomy z pułapki poprzez okresowe modulowanie głębokości pułapki częstotliwościami, które rezonują z anharmonicznymi składowymi potencjału pułapkowania.

Chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego poprzez okresową jazdę

Protokół działania wysokoenergetycznego, optycznego parametrycznego wzmacniacza impulsów ćwierkających o dużej mocy, opartego na wzmacniaczu regeneracyjnym cienkodyskowym Yb:YAG jest tutaj przedstawiony.

20 mJ, 1 ps Yb:YAG Wzmacniacz regeneracyjny cienkodyskowy

Rezonansowe wzbudzenie pojedynczej, samodzielnie złożonej kropki kwantowej można osiągnąć za pomocą trybu wzbudzenia prostopadłego do trybu zbierania fluorescencji. Demonstrujemy metodę wykorzystującą falowody i mody Fabry'ego-Perota płaskiej mikrownęki otaczającej kropki kwantowe. Metoda pozwala na pełną dowolność w polaryzacji detekcji.

Fluorescencja rezonansowa kropki kwantowej InGaAs we wnęce płaskiej przy użyciu ortogonalnego wzbudzenia i detekcji

Poznaj budowę i charakterystykę laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej. Naucz się montażu komponentów, strojenia częstotliwości i pomiaru szerokości linii laserowej.

Budowa i charakterystyka laserów diodowych z zewnętrzną wnęką dla fizyki atomowej

Przeglądaj więcej filmów