Atom Fiziği Harici Boşluk Diode Lazer İnşaatı ve Karakterizasyonu

Summary

Bu dış kavite diyot bileşen seçimi ve optik hizalama dahil lazerler (ECDLs), yanı sıra, atom fiziği alanındaki uygulamalar için frekans referans spektroskopi ve lazer çizgi kalınlığı ölçümlerinin temel inşaat ve teşhis rehberlik etmek için bir öğretim kağıttır.

Abstract

Ucuz 1980'lerin sonlarında, onların gelişimi yana, güvenilir harici boşluk diyot lazerleri (ECDLs) atomik fizik laboratuvarları ^1,2 beygir lazer gibi karmaşık ve pahalı geleneksel boya ve Titanyum Sapphire lazerler yerini almıştır. Onların çok yönlülük ve böyle ^1,2 soğutma absorpsiyon spektroskopisi ve lazer gibi uygulamalarda atom fiziği boyunca üretken kullanılması zorunludur gelen öğrenciler bu lazerlerin bir firma pratik bir anlayış kazanmak için yapar. Bu yayın bileşenlerini güncelleyerek, ve bir video öğretici sağlayarak, Wieman ³ ile seminal çalışmasının dayanıyor. Bir ECDL kurulumu, frekans kilitleme ve performans karakterizasyonu tarif edilecektir. Bileşen seçimi ve diyotların ve ızgaralar hem uygun montaj tartışılması, boşluğu içinde mod seçimi etkileyen faktörler optimal dış geribildirim, kaba ve ince frekans hassas ölçümler için optik kurulum, lazer Locki kısa bir bakış için uygun hizalamang teknikleri ve lazer çizgi kalınlığı ölçümleri dahildir.

Introduction

Ölçme ve atomların kuantum durumunu manipüle atom fiziği kalbinde ve atomik elektronik devletler arasında belirli geçişleri ele yeteneği gerektirir. Örneğin rubidyum, tipik ve çok kullanılan alkali atomu düşünün. Burada, zemin bağlanması ışığın dalga boyu ve ilk uyarılmış elektronik devlet ~ ~ nedeniyle spontan emisyon 780 nm (384 THz) ve uyarılmış durum ömür boyu olduğunu 26 6 MHz ⁴ bir emme çizgi genişliğine vererek NSEC. Bu durumda, 108 en az bir kısmının frekans stabilitesi olan bir ışık kaynağı güvenilir bu geçiş gidermek için gereklidir.

ECDLs, boya lazerler ve Titanyum Sapphire lazerlerin geliştirilmesi, tipik atom fiziği için kullanıldı önce. Bunlar büyük bant genişliği üzerinde optik kazanç sunmak ve böylece bir atomik geçiş örtüşmesi için ayarlanmış olabilir, büyük, pahalı, karmaşık sistemlerdir. Ucuz, basit bir diyot lazer mühendislik wi ile bu kazanç ortamı değiştirmek için potansiyelİstenilen dalga boyunu uyan bir bandaralıklı 1980'lerin başında ^1,2 tanındı inci. Basit, 100 kHz Linewidths de 1990'ların başında ^3,5,6 tarafından anlaşılması ve ortak bir yer basarilacagi tasarımlar oluşturmak kolaydır. Birçok farklı konfigürasyonlar ve tasarımlar avantaj ve dezavantajları ile her gösterilmiştir. Muhtemelen en yaygın yapılandırmaları Littrow ^3,5,7,8 ve Littman 9 yapılandırmaları vardır. Bu tartışma, Şekil 1A'da gösterilen Littrow konfigürasyonda, en basit odaklanır.

Ayar mekanizmaları bir dizi eşzamanlı olarak laser frekans yüksek bir hassasiyet elde etmek için kullanılır. İlk olarak, bir diyot bir ulaşılabilir çalışma sıcaklığında arzu edilen dalga boyunda yeterli bir bant boşluklu bir kazanç üretmek gereklidir. Tipik bir lazer diyot birkaç nanometre (THz) üzerinden kazanç olacaktır. İkincisi, ızgara bir yansıtıcı kırılma istenen de diyot içine optik geribildirim sağlamak için ayarlanmış açısıdırdalga boyu. Izgara bağlı olarak, diyot, odaklama lens kullanılmış ve bunların hizalama, ızgara genellikle 50-100 GHz frekans aralığını seçmek olacaktır. Lazer (diyot arka yüzünü ile ızgara arasında) dış lazer boşluğu ile rezonant dalga boyunda salınmasına neden olur. Bir dalga boyunca bu boşluk uzunluğunu ayarlama lazer c, ışık ve L hızıdır ızgara kazanç tepe noktası çevresinde bir serbest spektral aralığının (c / (2 L)) arasında ayarlanmış olması için izin veren, bu alette, boşluk uzunluğu, tipik olarak 1 - 5 cm (FR 3-15 GHz). Iki kavite modu zirve ızgara geribildirim dalga boyu benzer bir dalga boyu olduğunda lazer modlu çalıştırabilirsiniz. Titreşen kavite modu, komşu moddan daha kazanç zirveden daha fazla ayarlı olduğu gibi lazer irade modu hop ayar aralığını sınırlayan. Izgara modu ile ilgili olarak kavite modları davranışı, Şekil 3'te görülebilir. Modu hop serbest ayar aralığı bir ECDL'nin için önemli bir performans ölçütü olduğu. Aynı anda, ızgara açısı ve kavite uzunluğunu ayarlanması ile, bu mod atlama olmadan çok serbest spektral aralıklarında sürekli olarak ayarlamak, ⁸ daha kolay bulma ve spektral özelliklere kilitleme yapmak mümkündür. Kilitleme için boşluğun optik yol uzunluğunun bir piezo elektronik ayarlama aktüatör (Şekil 1A) (tarama bant genişliği yaklaşık 1 kHz) ile ızgara açı / pozisyon ayarlama ve en başta refraktif modüle mevcut diyot ayarlama bir kombinasyonu ile elde edilebilir diyot (tarama bant genişliği ≥ 100 kHz) endeksi. Kazanç ortam için lazer diyot yerine, yansıma önleyici (AR) kaplanmış kazanç çipleri kullanarak, 100-200 GHz tipik serbest spektral aralığı olabilir lazer diyotu iç boşluğu yanıt eklemenin komplikasyon ekler. Bu durumda, boşluk ızgara gelen yanıt maç için ayarlanmış sıcaklık olmalıdır. Yerine bir AR kaplanmış kazanç çipi daha bir lazer diyot kullanarak dramatik modu hop ücretsiz t azaltacakeşzamanlı ayar diyot akım veya sıcaklık için bir araç olmadıkça uning aralığı. Son olarak, 100 kHz özenle göre daha iyi bir çizgi genişliğine ulaşmak için diğer gürültü kaynakları ortadan kaldırmak için ödenmelidir. Bu, akustik titreşim, mK seviye sıcaklık stabilizasyonu en aza indirmek için bağlar dikkatli mekanik tasarım gerektirir ≤ 30 nA seviyesinde ve tüm kilitleme kazanç dikkatli ayarlama ¹⁰ döngüler de diyot mevcut istikrar rms. Uygulama için uygun elektronik seçilmesi lazer ve optik tasarımı kadar önemlidir. Diyot kontrolörleri ve özellikleri listesi Tablo 1'de bulunabilir.

Sabit lazer uygulaması elde edildikten sonra, bir sonraki gereklilik, bir atom bir geçiş, bir optik boşluğu ya da başka bir lazer gibi, bir referans frekansı lazer kilitlemek için. Bu aslında ile frekanslar için gürültüyü ortadan kaldırarak, bu tür küçük sıcaklık dalgalanmaları gibi yavaş sürükleniyor etkilerini kaldırırkilitleme döngünün bant genişliği. Bir hata sinyali, belirli bir referans sistemi için her bir uygun elde etmek için geliştirilmiş teknikleri kilitleme sayısız vardır. Iki lazer kilitleme aşaması için bir hata sinyali, bir ışın dağıtıcı üzerindeki iki lazer karıştırılması ile elde edilebilir. Pound-Drever salonu ¹¹ ya da tilt-kilitleme ¹² bir boşluğa kilitlemek için kullanılabilir. Geçerli modülasyon ^10, Zeeman modülasyonu ¹⁰ veya tilt-kilitleme ¹⁵ ile birlikte bir atomik absorpsiyon çizgisinin DAVLL ¹³ veya doymuş absorpsiyon spektroskopisi ^3,14 kilitlemek için kullanılabilir.

Bir buhar hücresindeki doymuş emilme Zeeman modülasyonu kullanarak bir rubidyum geçiş için bir ECDL'nin kilitleme burada tarif edilecektir. Bir düşük yoğunluklu kiriş, oda sıcaklığında buhar rubidyum hücre geçer ve frekans 780 nm atomik geçiş çevresinde ayarlanmış ise Doppler bir dizi ~ 500 MHz bir emme özellikleri genişletilmişyerine 6 MHz geniş doğal LineWidth (doğal ve Doppler Linewidths için hesaplamalar Foot ¹⁶ bulunabilir) daha görülecektir. Ancak, bu ışın geriye yansır, eğer, ikinci geçiş sıfır boyuna hızı ile atomları olarak rezonans az emilimini kısmen zaten ilk geçiş ¹⁷ ile heyecanlı edilmiş olacaktır. Diğer frekanslar her geçişte farklı hız nüfus tarafından absorbe edilecek ve dolayısıyla emme doymuş olmayacak. Bu şekilde, açık bir iletim özelliği doğal çizgi genişliği yaklaşık bir genişliği olan geçişler de Doppler genişletmiştir emme üzerine bindirilmiş elde edilebilir. Bu, kilitlemek için keskin mutlak frekans referans sağlar. Atomik geçiş frekansı, referans hücrede bir manyetik alanın büyüklüğünü taklidi ile Zeeman etkisini kullanarak modüle edilebilir. Uygun bir homojen manyetik alan, Şekil 5'te gösterildiği gibi bir solenoid kurulumu kullanılarak üretilebilir. Elektronik karıştırmadoymuş emme şanzıman ile modüle dalga diyot akımını ayarlamak için kullanılan ve piezo gerilimini ayarlamak için entegre edilebilir bir hata sinyali üretir. Bu nedenle, lazer, lazer frekansının modüle edilmesi için gerek kalmadan geçiş için kilitlenebilir.

Bir ECDL'nin çizgi kalınlığı genellikle bir ışın dağıtıcı ¹⁸ üzerinde aynı türde iki frekans kilitli lazer müdahale ile ölçülür. Lazerler arasındaki yendi frekans, daha sonra hızlı bir fotodiyot ve bir RF spektrum analizörü kullanılarak ölçülür. Kilitleme döngü bant genişliğinin ötesine gürültü spektrum profili bir Voigt (a Gauss ve Lorentz konvolüsyon) takılmıştır. Farklı lazerler gürültü quadrature ekleyin. İki eşdeğer lazerlerin durumunda bu √ bir monte çizgi genişliği (2) kere tek bir lazer çizgi genişliği verir. Bir lazer ECDL'nin beklenenden önemli ölçüde daha küçük olan bir bilinen bir çizgi genişliği mevcuttur ve E ayarlama aralığı içinde iseCDL, o zaman bunun yerine kullanılabilir. Yaygın çizgi genişliğine ölçmek için kullanılan bir başka yöntem, kirişin bir parçası gibi, bir fiber optik bir geciktirme hattı boyunca gönderilir ve daha sonra lazer ile bir ışın dağıtıcı üzerindeki karıştırılır gecikmeli kendi homodin teknik ^19,20 olduğunu. Bu teknik ölçüm kapsamında lazerin uyum uzunluğundan daha uzun olan gecikme dayanır. Bu gürültülü lazer için iyi çalışır ancak 100 kHz çizgi kalınlığı lazer için koherens uzunluk pratik olmaya başlar yaklaşık 3 km uzaklıktadır. Alternatif olarak, doymuş ya da bir emme hücresi Fabry-Perot boşlukta bir atomik geçiş lazer çizgi kalınlığı ölçümü için bir frekans referans sağlamak için kullanılabilir. Bu sistemde lazer frekansı eter lineer bir kısmında daha çok frekans tarama izin daha doymuş ya da emme Fabry-Perot rezonans oturmak gerekir. Bir foto diyot üzerinde sinyal gürültü ölçümü ve rezonans çizgi genişliğine bilerek, frekans gürültü bulunabilir. Li için alt limitnewidth ölçüm daha sonra iletim rezonans eğimi ile sınırlıdır.

Yüksek dereceli lazer uygulaması modlarının varlığı, bir RF spektrum analiz cihazı kullanılarak serbest spektral aralığının frekansta yoğunluk gürültü bakarak ya da daha iyi serbest spektral göre bir tarama Fabry-Perot ya da çözünürlüğe sahip optik bir spektrum analiz cihazı kullanarak, kontrol edilebilir ECDL aralığı. Kaba ayar aralığı ızgara kullanarak sınırlarına lazer ayarlama sırasında (a wavemeter, monokromatör ya da optik spektrum analiz cihazı kullanarak), dalga boyunun bir fonksiyonu olarak güç ölçüm ile ölçülebilir. Mod hop serbest tarama aralığı, genellikle modunda sekme frekansında süreksiz bir atlama olarak tespit edilebilir bir tarama Fabry-Perot boşluğu kullanılarak ölçülür.

Protocol

1.. Bileşen Seçimi

1. Ilgilenilen atomu için uygun dalga boyunda bir diyot seçin. Belirtilmelidir ki, seçilen bir diyot modu (sm olması ve uygulama için yeterli güce sahip olması önemlidir. Bir yansıma önleyici kaplı diyot idealdir. Bu diyotlar, bir dış oyuk eklenmeyen lase olmayacak ve ECDL işlemi için açık tasarlanmıştır. Özellikle lazerin dalga boyunu taranması önemlidir uygulamalar için, önemli ölçüde daha iyi bir performansa sahip. Burada kullanılan lazer diyot) Malzeme Listesi'nde yer almaktadır.
   In MacAdam et al. ³ olarak, ECDL sıkıca diyodu ve bir kolimatör lensi uyacak şekilde tasarlanmış olması gerekir. Mekanik stabilite ve ısıl temas lazerin iyi işlemesi için kritiktir. Inşaat, ve minimal işleme kolaylığı için, başarı bir diyot lazer, entegre lens tüp (Malzeme Listesi) ile montaj kullanarak oldu olmuştur.
2. Diyot paralelleştirmek bir lens seçin. Osayısal açıklık başka bir önemli kayıp olacaktır karşılaştırılabilir ya da diyotun sayısal açıklık daha büyük olması önemlidir. En diyotlar yüksek bir sayısal açıklık (> 0.5) ve asferik lensler gerektirir, aksi halde sapmaları çok düşük feedback verimliliği neden olacaktır. Sapmalarını azaltmak için ızgara ve çalışma dalga boyunun yanında tasarım dalga üzerinde kiriş boyutunu artırmak için uzun bir odak uzaklığına sahip bir objektif seçmek emin mercek çalışma dalga boyunda kaplı anti-yansıma olduğundan emin olun. Gösterilen sistemde kullanılan lens için Malzeme Listesi bakınız.
3. Lazer diyot frekans aralığı ve ızgara ayar kol merkez açısı için uygun harici ızgara seçin. İlk düzene Kırınan ışığın dalga boyu, Littrow yapılandırma, d ızgara satır aralığı olan λ = 2 d sin (θ), tarafından verilen, θ geliş ızgara açısı ve λ(Şekil 1 B) ^21, dalga boyu. Orada, ızgara holografik ve hüküm kırınımı iki ana tipi vardır, ve her ikisi de yanmıştır ya da olabilir. Kırınan güç ızgara tipine bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. % 20-30 arası bir kırılma verimliliği ile bir holografik parmaklığı hedefliyoruz. Gösterilen sistemde kullanılan ızgara için Malzeme Listesi bakınız.
4. Yönetilebilir basit tasarım kullanın - karmaşıklık, genellikle istikrarsızlık demek. Orada ECDL tasarımları geniş bir dizi ama basit Littrow ^3,5,7,22 olduğunu. Gazeteleri okudum ve büyük bir mod hop ücretsiz aralığı (frekans aralığı üzerinde diyot sürekli aniden farklı bir frekans atlama olmadan ayar yapabilirsiniz), çok dar bir çizgi kalınlığı veya indirgenmiş işaretleme varyasyon uygulama için büyük önem taşımaktadır karar. ECDL tasarıma başlamadan önce mümkün olduğunca çok bilgi edinin. Genellikle ızgara ECDL atom fiziğinde uygulamalar için yeterli fazla.
5. Bir ECDL performansı en güçlü diyot akımı sürücü ve lazer ısısını stabilize elektronik köklü olduğunu fark etmek önemlidir. Elektronik iyi bir set vermeden mekanik tasarım altında gerçekleştirmek olacaktır. Dahil Tablo 1'de farklı akım ve sıcaklık kontrolörleri bir karşılaştırma olduğunu. Mevcut gürültü düşük, daha iyi lazer ²³ gerçekleştirecektir.

2. Meclisi

1. Bu yazıda amaçları için ECDL montaj için başlangıç ​​noktası bileşenleri (yani ızgara ve lazer diyot) seçerek frekans olmadan bir termoelektrik (TEC) üzerine monte edilmiş bir tam ECDL mekanik bir sistem olacak.
2. , Ilgili montaj deliğine lazer diyot koyarak başlayın ve montaj halkasını kullanarak sabitleyin. Aşırı-tork montaj halka dikkatli olun. Ama sıkı olmamalıdır.
3. Akım kaynağı, che lazer diyot bağlamadan önceanot, katot ve zemin pin atamaları için diyot özellikleri sayfasını ck. Bu diyot diyot değişir ve diyot üzerinden akım koyarak geriye onu yok edecektir.
   1. Lazer diyotlar alçak gerilim cihazları, tipik olarak 5-10 V maksimum ve bakım hiçbir statik kendilerine deşarj sağlamak için alınmalıdır vardır. Bu diyotlar taşırken topraklama kayışı aşınma ve yüksek gerilimleri engellemek için lazer diyot pinleri arasında bir koruma devresi (örn. Şekil 2) yüklemek için iyi bir uygulamadır. Diyot ve zemin çivileri kalıcı topraklı olmalı ve ince tellerin kullanımı, mekanik titreşimlerin bağlanmasını azaltmada yardımcı olabilir.
4. Diyot özellikler sayfasında değerlere göre maksimum ve minimum sıcaklıklar ve diyot kumanda üzerindeki maksimum diyot ve TEC akım limitlerini ayarlayın. Minimum çalışma sıcaklığı Laboratuardan çiğ noktasının altında ise, o ~ 2 ° C Abo bir minimum sıcaklık kullanımıçiy noktası ettik. Bu yoğunlaşmayı önlemek olacaktır.
5. Diyot şartname levha genellikle belirli bir diyot akımda bir dalga boyu vs sıcaklık figür vardır. Başlangıçta ilgi dalga boyunu maç diyot sıcaklığı (ve güncel) ayarlamak için bir referans olarak bu rakamı kullanın. Dalgaboyu grafiği vs bir sıcaklık mevcut değilse oda sıcaklığına sıcaklık ayarını.
6. Üzerindeki sıcaklık kontrol açın ve sıcaklık stabilize etmek için izin verir.
7. Diyot AÇIN ve çıkış ışın açıkça bir görüntüleme kartı ile görülebilir ki akımını açmak. Işınını görmek için bir IR kartı kullanın.
8. Asferik kolimatör lensi takmak ve diyot ve objektif arasındaki mesafeyi ayarlayarak lazer diyot paralelleştirilir. Iyi paralelleştirilmesini sağlamak amacıyla ışın yolu açık, emin olun, ideal> 3 m ve sadece ECDL sonra ışın yolunun sonunda ışın çapı kadar mercek konumunu ayarlamak kontrol etmek için emin olmak, aynı kiriş iyol boyunca herhangi bir noktada odaklanarak değil.
9. Diyot lazer polarizasyonu kontrol (S ya da P) ızgara kırınım için istenen düzlemdedir. Çoğu durumda diyotun polarizasyon eliptik ışın şeklinin kısa ekseni boyunca, fakat bir polarize edici ışın ayırıcı kullanarak ekseni polarizasyon kontrol etmek için iyi bir uygulamadır.
   1. Kiriş ekseni istenilen düzlemde değilse, diyot montaj halka gevşetin ve uygun yönlendirme elde edilene kadar diyot döndürün. Bazı ECDL tasarımlar bu üzerinde lazer ile yapılır ve akım kaynağına bağlı olması izin ve diğerleri yok. Mevcut arz telleri diyot döndürmek için kaldırılması gerekiyorsa, kontrol kutusuna geçerli kaynağını kapatın ve kabloları çıkarın. ECDL sıcaklık kontrolü, bu süreçte kalabilir. Diyot işlerken her zaman topraklama kayışı giymeyi unutmayın.
   2. Bu diyot diyot recollimate için önceki adımı tekrarlayın yeniden konumlandırmak için gerekli ise.
10. Izgaranın kırılma düzlemi genellikle ızgara hatlarına dik bir ok ile ve blazed yansıma yönünde üretici tarafından etiketlenmiştir. Çift açısının bir fonksiyonu gibi bir ampul gibi bir geniş bant ışık kaynağından yansıma, gözlemleyerek bu kontrol edin.
    1. Izgara ok başının üzerinde gözlemci ve geniş bant ışık kaynağına doğru geri işaret ile yapılan ise, yansıyan ışık ızgara açısının bir fonksiyonu olarak renk değişecektir.
    2. Geri diyot doğru ve böylece ızgara açısının ayarlanması okla gösterilen dalga boyu geri diyot içine (Şekil 1A ve 1B) yansıyan değişir, böylece ızgara monte edin.
11. Izgara yönelim tutkal Loctite gibi hızlı ayar yapıştırıcı kullanarak ECDL ayarlama kolundaki ızgara onaylandıktan sonra.

3.. Görüşleri Hizalama

1. ECDL çıkışına hizalanmış bir görüntüleme kart olabilir yerleştirinduyuyorum. Bu ayarlamalar, kırılmış ışın demetine göre en işaret yapılır olarak lazer gücü izlemek için kullanılacaktır. Bir güç metre de kullanılabilir ancak yanıt daha yavaş olabilir.
2. Diyot kontrol kutusu üzerindeki ayar akımını ayarlamak için sadece yansıtıcı ön faset diyotlar ve 1/3 AR kaplamalı diyot kazanç çipleri için maksimum akım için eşik akımının altında. AR kazanç cips yok kaplı iken yansıtıcı ön faset diyotlar kendi özellikleri veya veri sayfaları üzerinde bir eşik akımı olacaktır.
3. , Hem yatay hem de dikey ızgara kolunun açısını ayarlayın geri diyot içine saptırılmış ışınını yönlendirmek için, etkin bir dış geribildirim boşluğu yapıyor. Işını lazer diyot içine yönlendirildiği zaman bir izleme kartı veya bir güç ölçer veya fotodiyot kullanılarak ölçülen gücü dramatik bir artış belirgin bir artış veya parlak flaş olarak gözlenebilir çıkış gücünde önemli bir artış söz konusu olacaktır.
   1. Bir görüntüleme kartı çok nicel ölçü o değilf gücü aşamalı lazer diyot akımı düşürmek ve yukarıdaki davranışı kadar geri besleme ışın yeniden ayarlamak için gerekli olabilir bu nedenle mümkün olan en düşük akım görülebilir.
   2. Diyot faset odaklanarak optimize Kolimasyon lens odak veya eksenel pozisyonunu ayarlayarak daha eşiğini düşüren ve yatay ve dikey ızgara açısını reoptimize için gerekli olacak bundan sonra çıkış gücünü artırabilir.

4. İlk Frekans Seçimi

1. Ideal olarak, ilk frekans lazerin uyum 1 nm 'lik bir hassasiyetle dalga boyu mutlak bir ölçüm için, ve <0.1 nm idealdir. Bu kaba frekans ölçüm çok daha kolay bir sonraki adımda bir atom geçiş üzerine nağme lazer frekansı için yapacaktır. Bir wavemeter, bir optik spektrum analizör, spektrometresi, ya da bir kamera ile bir monokromatörü kullanarak dahil olmak üzere birçok seçenek vardır. Emin kalibre edilmiş hassas cihaz kullanılır olun veya c kontrolBir HeNe lazer kullanılarak, örneğin alibration. Alternatif olarak, kaba frekans ayarı, genellikle buhar referans hücresinden bir emme ya da floresans sinyali görülebilir kadar lazer tarama sırasında ızgara açısı ve akım yürüme ile gerçekleştirilebilir.
   1. Genellikle ikincil ışın cam kama prizma veya λ / 2 dalga plakası ve polarize ışın ayırıcı kullanıyorsanız, ana kiriş kapalı aldı wavemeter için bir girdi olarak kullanılacaktır. Bu optik kurulum Şekil 1D görülür. Bu tanıtımda kullanılan malzemeler için Malzeme Listesi bakın.
2. İstenen çıkış dalga boyu elde edilinceye kadar ECDL'yi ayarlayın. Akım, sıcaklık, ızgara açısı ve harici boşluk uzunluğu sürüş diyot tüm lazer frekansı ²⁴ (Şekil 3) etkileyecektir.
   1. Elle veya piezo kullanarak ya, ızgara açısını ayarlayarak başlayın. İkinci olarak, akım diyot ayarlayın.
   2. Eğer istenen frequeİstenilen dalga boyu kırmızı için ise ncy ızgara süpürme aralığının mavi olduğunu, diyot sıcaklık azaldı ve tam tersi olmalıdır.

5.. İnce Frekans Ayarları ve Frekans Kilitleme

1. Şekil 1F'de ^3,14,17 olarak yapılandırmayı kullanarak ECDL çıkışında doymuş emme spektroskopisi kurmak. Hemen ardından lazer optik bir izolatörün kullanımı (Şekil 1C) gereklidir. Bu kararsızlığa neden olabilir, hangi lazer içine yansımasını geri önlemek için önemlidir. Ilgi atomu içeren bir referans hücre kullanarak Doymuş absorpsiyon spektroskopisi, dar bir atom geçiş ²⁵ için bir lazer kilitlemek için basit bir yoludur.
   1. Referans hücre yansımaları geri önlemek için bir açı ve ayna, retro geri maksimum çakışma ile buhar hücresi ile ışınını yansıtır emin olun. Çift geçişli iletilen güç E gibi foto diyot kullanılarak izlenebilirCDL dalgaboyu taranır.
2. En diyot denetleyicileri olacak ızgara piezo gerilim ve dolayısıyla ızgara açısı ve harici boşluk uzunluğu ayarlayarak veya diyot akımını modüle ederek dalga boyunu tarar tarama fonksiyonu yaptırılmıştır. Genişliği, ofset tarama ve bir emme sinyal fotoğraf dedektöre bağlı bir kapsam üzerinde izlenebilir kadar lazer sıcaklık ve akım ayarlanabilir olmalıdır. Lazer atomik geçiş üzerinde tarama zaman buhar hücre floresan içinde lazer ışın yolunu görmek veya çıplak gözle ya da bir kızılötesi görüntüleyici ile yanıp mümkün olmalıdır.
3. Doymuş emme spektroskopisi için referans demetinin birim alan başına gücü atom geçiş için doyma yoğunluğu ya da daha fazla olmalıdır. Açık bir emme sinyali görülebilir kadar gücünü artırmak için polarize ışın ayırıcı önce λ / 2 dalga plakası kullanın. Doygunluk şiddetlerde Hesaplamaları Foot ¹⁶ bulunabilir.
4. 780 nm Rb atomik geçiş üzerinde lazer tarama ile, geniş bir Doppler genişlemiş emme sinyal Foot ¹⁶ yanmış ~ 10 MHz (Şekil 4) birkaç keskin geçişler ile, ~ 5 GHz genişliği görülmelidir. Doymuş emme sinyalinin üretilmesi için kullanılan güç gücünün en aza indirilmesi genişlemesini azaltmak ve kilitlemek için daha keskin bir şekil oluşturmak için gereklidir.
5. ECDL frekans kilitlemek amacıyla, bir hata sinyali gereklidir. Şekil 5'te ¹⁰ olarak referans hücre çevresinde bobinleri yerleştirmek ve manyetik alan tarafından salınan, Zeeman düzeyleri ve geçişler bu nedenle frekansları kullanılarak modüle edilmektedir. Bu durumda Zeeman bobinler üzerinden akım geçen ~ 1 G. bir büyüklük ile, yaklaşık 250 kHz'de modüle
6. Fonksiyon jeneratöründen modülasyon sinyali ile doyurulmuş absorpsiyon verilmedi detektörden gelen emme sinyal karıştırın. Mikserden çıkış kapsam bakıldığında bir hata sinyali si olmalıMilar Şekil 4. Hata sinyalinin büyüklüğü, iki karışık sinyaller arasındaki nispi faza bağlı olacaktır. Fazını ayarlamak için buhar hücreye önce λ / 4 demet bölücü döndürün.
7. Aşamalı tarama aralığını azaltmak ve mevcut başka hiçbir geçişleri ile ilgi geçiş üzerinde tarama ortalamak için uzaklıklar ayarlayın.
8. Bir orantılı-entegral-türev (PID) devre (örneğin bkz MacAdam et al. ^3), hata sinyali kullanılarak ECDL dalga boyunu kilitlemek için kullanılabilmektedir. PID kazanç zil (hata sinyalinin iz dönüşümü, bir spektrum analiz cihazı ya da Fourier dönüşümü kullanılarak, örneğin) hata sinyalinin modülasyon varlığı arayan tarafından görülmektedir noktanın altına düşürülmesi gerekmektedir.

6.. LineWidth Ölçme

1. Doğru bir çizgi kalınlığı ölçüm elde etmek için bu, bilinen bir dar bir çizgi genişliği kaynağı (diğer bir lazer l olması gerekir) ECDL'nin önemli ölçüde daha az inewidth, aynı ECDLs veya uzun ECDL'nin koherens uzunluğu ile karşılaştırıldığında, bir geciktirme hattı iki. İşte iki ECDLs çizgi genişliğine ölçmek için müdahale edilecektir. Alternatif olarak, kilitleme döngünün bant genişliği üzerinde gürültü için bir atomik geçiş ya da bir Fabry-Perot boşluğu ve uyum tarafından üretilen bir rezonans kilitlemek için daha kolay olabilir.
2. Farklı hiperfine geçişler, ofset ideal etrafında 100 MHz iki lazer kilitleyin. Bu elektronik gürültü etkisini en aza indirecektir.
3. Modu, güç ve kutuplaşma iki kiriş maç ve ışın ayırıcı nonpolarizing, bir 50/50 kullanarak bunları engelleyebilir. Bir fotoğraf dedektör çıkan ışını hizalamak. Photo detektör üzerindeki sinyal çıkışı kaymasının iki lazer frekansının bir frekans ile bir sinüs dalgası olmalıdır. Fotodiyot zarar verebilir veya doyurulması için değil böylece elde edilen ışın hafifletmek veya defocus gerekli olabilir.
   1. İki yenerek kirişlerin örtüşme saçak cont belirleyecekrast gibi çizgi kalınlığı ölçüm sırasında bir kapsam izlendi. Saçak kontrast kötüyse, ışın splitter ve dedektör üzerindeki kirişlerin modu uyumunu ve örtüşmesini iyileştirilmesi ek zaman harcamak. İyi bir yöntem ", iki iris ile üst üste iki ışın için, ya da nispeten büyük bir mesafe ile ayrılmış iğne delikleri, ~ 1 m.
4. Bu kapsamda üzerinde frekans dalgalanmaları çözmek zor olacaktır. En iyi ölçüm için bir LineWidth ile yendi frekans merkezli bir Voigt profil verecek olan, bir spektrum analizörü Δ f, convolved lazer LineWidth eşittir (Şekil 6). Iyi bir yaklaşım için iz bir Gauss ve uyum elde LineWidth için uygun olabilir. Ölçülen gürültü veya çizgi kalınlığı spektrum analizör üzerinde çözünürlük bant genişliğini ayarlayarak ayarlanmış olabilir iktisabı veya entegrasyon zamanında, bağlı olacaktır. Bu nedenle m alıntı yaparken entegrasyon süresini teklif için önemlidireasured çizgi kalınlığı.

Representative Results

, Hizalama frekans kilitleme ve ECDL çizgi genişliğine karakterize dahil 5 ana adım vardır. Bunlar: ızgaranın geri bildirim elde etmek ve bir wavemeter ölçülen kaba ECDL frekansını ayarlamak için bu kullanarak referans hücre lazer emilimini gözlemleyerek, doymuş absorpsiyon spektroskopisi kurulumunda doğal LineWidth etrafında bir çözünürlüğe sahip atomik geçiş görüntülerken, bir elde İstenilen geçiş ve kilitleme ona, ve nihayet iki lazerlerin yendi notu gözlemleyerek ve lazer çizgi genişliğine ölçme etrafında hata sinyali. Adım bir başarıyla oldukça trivially wavemeter okumak gibi dalga boyu ilgi atom geçişe tekabül zaman tamamlanır. Referans hücreye emilimini sağlamak için çalışırken geçiş vurduğunuzda, açma bir IR görüntüleyici ile hücreye ışın yolu boyunca görülebilir. ECDL tarıyor ise hücre yanıp söner. Doymuş emme sinyal whe noktaya zor olabilir iletim hatları Doppler emme tepe noktasına kıyasla çok küçük olabilir, çünkü n ilk hizalama. Şekil 4 'de gösterilenlere benzer zirveleri, görülebilir zaman, doymuş bir emme sistemi uygun şekilde çalışmaktadır. Faz ve tarama parametrelerinin ayarlanmasıyla, Şekil 4'te gösterilene benzer bir hata sinyali elde edilmelidir. ECDL çizgi genişliğine ölçmek amacıyla iki kiriş arasında bir dövmek sinyali elde etmek için gereklidir. Kirişler daha çakışan hale geldikçe, bir sinüs dalgası bir fotoğraf detektörü bir kapsam görüldüğü gibi görünmeye başlayacaktır. Düğümleri ve anti-düğümler arasındaki kontrast büyük olana kadar hizalanması tutun. Dövmek sinyal daha sonra, Şekil l'e benzer bir sinyal bir elektronik spektrum analizi boyunca geçirilir 6. görülmelidir. Lazer çizgi kalınlığı, bu sinyal olarak ölçülebilir. Tüm optik düzeneği Şekil 1 'de görülebilir.

Içerik-genişliği fo = "5in": src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" /> fo "Şekil 1"
... Şekil 1. Komple optik kurulum Bu Bir tartışılan ECDL sistemi için tam bir optik kurulum bir örnektir: Bu ECDL Littrow yapılandırmasını göstermektedir. Izgaranın üzerindeki kiriş olayın tipik% 20-30 bir yüzdesi, geri diyot içine kırınan. Kırılma açısı ve yansıma açısı birbirine eşittir. Izgara ızgara açısını denetlemek için bir piezo kullanan bir ayar aşamasına monte edilir B:. Lazer diyot çıkış kiriş 0 sırayla yansıyarak geri gönderilen 1 ^st sipariş sapması ile θ açıda ızgaranın üzerine olay oldu Olay, ışın yolu boyunca. Olan optik Pozisyonu ve yönlendirme:. Saptırılmış ışığın dalga boyu λ = Littrow konfigürasyonda 2 d sin (θ) ile verilirolator lazer diyot D istenmeyen geri azaltmak için:., lazer kutusundan gelen çıktı ışını bir λ / 2 dalga plakası ve PBS geçer ve wavemeter hizalanır. Yansıyan ve iletilen kirişlerde güç dalga plakası döndürülerek ayarlanabilir E:. Yaygı hattı deney için kullanılır. Bu hat lazerin gücünün çoğunluğu içerecektir F:. Bir PBS aracılığıyla doygunluk yoğunlukta ya da üstünde bir referans ışını geçirin, λ / 4 dalga plakası, referans gaz hücre, ve retro geri PBS üzerine yansıtır. Bu iki ışın zamanda doğru doyma spektroskopisi alır örtüşecek önemlidir. Dalga plakası bu ışın ayırıcı ters bağlantı çıkmak için izin gelen ışına 90 ° döndürülür retro yansıyan ışının ışık polarizasyonunu sağlayacaktır. büyük imag görüntülemek içine.

Şekil 2.. Lazer diyot koruma devresi. Lazer diyot akımı için örnek koruma devresi. R1 ve C 1 formu temel bir RC devresi ve yüksek frekanslı gürültü. D 1 ve D 2 süzer sırasıyla Schottky ve Zener diyotlar vardır. Hızlı bir tepki süresine sahip Schottky diyot, ters gerilimlere karşı korumak için yerinde olduğunu ve daha yavaş bir tepki süresine sahip Zener diyot, böylece kaçınarak, mevcut ise lazer diyotlar maksimum çalışma gerilimi yukarıda geçmesine izin vermek için tasarlanmıştır lazer diyot zarar. Bileşenler için tipik değerler, R 1 = 1 Ω, C1 mF = 1, D 1 = 30 V, R1 ve C1 için seçilen D 2 = 6 V. değerleri diyotun mevcut bant genişliği modülasyonu sınırlayacaktır olacaktır. Bu, daha az olabilirİdeal bir hata sinyali akım modülasyon yerine tartışılan Zeeman modülasyonu vasıtasıyla üretilmektedir eğer.

. Bir ECDL Şekil 3. Rekabet modu Yeşil:.. 50 GHz ızgaranın bağlı ≈ ızgara kırılma düzenin Çizgi genişliği Kırmızı katı: bir satır ile bir lazer diyot İç boşluk modu ≈ 10 MHz ve ücretsiz spektral aralığı ≈ 80 GHz genişliği . Kırmızı çizgi: Bir yansıma önleyici kaplamalı diyotun iç boşluğu. . ≈ 500 kHz bir çizgi genişliği ve ≈ 5 GHz ücretsiz bir spektral aralıkta ile Dış oyuk modları: Bu diyotlar nm aralığında mavi bir çizgi genişliğe sahip olacak. 3 cm uzunluğunda bir dış boşluktan. Izgara açısının ayarlanması yeşil eğri ve si merkezini kayacak multaneously de mavi eğri sırayla değişen harici kavite uzunluğunu değiştirmek. Diyot akımı ve sıcaklık ayarlama kırmızı eğrileri kayacak.

.. Şekil 4. Doymuş absorpsiyon spektroskopisi ve karşılık gelen hata sinyali Rubidyum 87 için Alt Eğrisi:. Doppler spektroskopisi ücretsiz oluşan çok daha geniş Doppler emme tepe üzerinde Doymuş emme doruklarına. Üst Eğrisi: karşılık gelen doymuş emme sistemi için hata sinyali. Hata sinyali üzerindeki etiketler atomik geçiş (F → F ') karşılık gelmektedir.

jpg "/>

Şekil 5. Zeeman Bobin. Bobin Zeeman modülasyon kullanılan bir rubidyum buhar hücrenin etrafına sarılmış.

Şekil 6.. Lazer çizgi genişliği. Sinyal benzer iki lazerler tarafından oluşturulan yendi notun bir spektrum analizör elde. Şekilden, atım 206,24 MHz ve 20 msn bir entegrasyon süresi ile 0.3 MHz bir çizgi genişliği içinde bir frekansa sahiptir.

</ Tr>

Şu Controls	Menzil	Gürültü
Thor Labs:
LDC200CV	0-20 mA	<1 uA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU	0-100 mA	<0.2 uA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C	0-200 mA	<1.5 uA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C	0-500 mA	<3 uA (10 Hz -1 MHz)
Moglabs:
DLC-202	0-200 mA	<300 pA / √ Hz
	0-250 mA	<300 pA / √ Hz
DLC-502	0-500 mA	<300 pA / √ Hz
Stanford Araştırma Sistemleri:
LDC500	0-100 mA	<0.9 uA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	<4,5 uA 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 uA RMS (5 Hz-1 MHz)
Sıcaklık Kontrolörleri
Thor Labs:
TED200C	-45 Ile 145 ° C	± 2 mK
Moglabs:
DLC-202	-40 Ile 50 ° C	± 5 mK
DLC-252	-40 Ile 50 ° C	± 5 mK
DLC-502	-40 Ile 50 ° C	± 5 mK
Stanford Araştırma Sistemleri:
LDC500	-55 Ila 150 ° C	± 2 mK
LDC501	-55 Ila 150 ° C	± 2 mK
TOPTICA:
DTC 110	0-50 ° C	± 2 mK

Tablo 1. Diyot Akım ve Sıcaklık Kontrolörleri. Kendi aralıkları ve gürültü seviyeleri ile çeşitli şirketlerin diyot akım ve sıcaklık kontrolörleri.

Discussion

Bu yayın lazer LineWidth ölçümünü üretmek için hizalama ve frekans kilitleme yoluyla demonte ECDL taşımak nasıl göstermiştir. Mekanik tasarım ve bu PID servo, diyot sürücüler ve sıcaklık kontrol cihazları gibi elektronik tasarımı burada çok tartışılacak uzmanlaşmış ancak kapsamlı başvurulan yayınlarda ^1,3,5 tartışılmıştır.

Diyot ECDL atom fizik laboratuvarları, türler ve ulaşabilir bu vasiyetler sınırlı olduğunu geçişler bir elyaf haline gelmiştir rağmen. Çok ilerleme ancak şu anda çok boşluklar özellikle UV kalır diyot lazerler göre arasındaki dalga boyu aralığının daha fazla genişletilmesine yapılmıştır. ECDL sistemlerin güç sınırlamaları uygulamaları kısıtlamaya devam etmektedir. Çıplak tek modlu diyotlar μWatts gelen mWatts 100'ün güç değişir. Ayrıca, konik amplifikatörler tek modlu toplam lazer gücü geliştirmek için bir ECDL sisteme eklenebilirWatt seviyesine kadar. Bir Watt veya diğer dalga boylarında çok daha fazla tek modlu güçler gerekiyorsa alternatif lazer mimarileri gereklidir. Bu fiber lazerler ^{26, 27} gibi TiSaph lazer gibi katı hal lazerleri ya da doğrusal olmayan frekans dönüşüm güveniyor olabilir gibi Raman lazer gibi ²⁷ işler, dört dalga karıştırma, toplam frekans nesil, ya da bir optik parametrik osilatör içerir.

Bu yayın, bir atomik buhar hücre üzerinde bağlı bir kilitleme mekanizması üzerinde odaklanmaktadır. Atom fizik basit bir cam buhar hücre birçok uygulama için, burada tarif edildiği gibi, mevcut olmayabilir, bu Yb gibi türler için geçerlidir. Türlerinin çeşitli ile referans bir örnek elde etmek için pek çok başka teknik, sıcak atom kirişler, deşarj lambaları, tampon gaz hücrelerine, iyot hücreleri ve püskürtme hücreleri, olarak elde edilmiştir.

Bu lazer sistemi tasarımı gereği ≈ 30 kHz ² Linewidths sınırlıdır8 ve genellikle 100 kHz yakın. Uygulama dar bir çizgi kalınlığı diğer stabilizasyon teknikleri gerektiren ya da alternatif lazer ²⁶ gerekli tasarımları ise.

Optik sistemleri ile çalışan zaman, temizlik büyük önem taşımaktadır. İlk eldiven yanlışlıkla optik yüzeyine dokunmadan önlemek için giyilmelidir optik ve işleme tanıtılıyor zaman iyi bir uygulamadır. Bir optik çizilmişse, bir lazer sistemde kullanılmamalıdır. Çoğu durumda parmak izleri veya tozla optik sırasıyla aseton veya basınçlı hava ile temizlenebilir. Bir optik yüzey herhangi bir kusur ve sisteme kaybı ve potansiyel gürültü tanıtacak edebilirsiniz. Optik bağlar her zaman optik tezgah sabit olmalıdır ve bir kez sertçe yerinde aşağı cıvatalı edilmelidir.

Böyle dalga düzlemlerinin ve polarize ışın bölücülerin gibi optik hizalama zaman, ışık optik yüzeye dik yakın olaydır sağlamak iken avogeri lazer içine yansımaları sürüyorum. Gelme açısı, bu optik elemanların davranışı 90 ° sapma olarak idealden daha fazla hale gelir ve. Sapmalarını en aza indirmek ve sayısal açıklık kirişler maksimize etmek için her zaman lens merkezi aracılığıyla seyahat ve lens normal olmalıdır. Buna karşılık, bir buhar hücre etalonu etkileri önlemek için ışına hafif bir açıyla yerleştirilmelidir. Bu nedenle birçok buhar hücreler paralel olmayan uç yönü ile üretilmektedir.

Burada kullanılan lazerler sınıf 3B vardır. Hatta sokak yansımalar göz hasarı için potansiyel var. Bu tip lazerler ile çalışmak sadece lazerlerin tehlikeler aşina eğitimli personel tarafından yapılmalıdır. Lazer güvenlik gözlükleri her zaman giyilmelidir. Optik uyum için herhangi bir lazer yolda doğrudan bakmak ve optik bileşenleri kapalı tehlikeli aynaya yansımaları üreten önlemek için özen asla. Hep olumlu ışın hatları USI sonlandırmakBir ışın dökümü ng.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser Diode (Rubidium, 780 nm)	Roithner	ADL-78901TX	Various wavelengths, powers, case sizes, and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)
Diffraction Grating (Rubidium, 780 nm)	Newport	05HG1800-500-1	Holographic or rullered  (Optional blazing) (Thor Labs, Newport)
Viewing Card	Thor Labs	VRC5	Infrared viewing card
Diode  Lens	Thor Labs	C330TME-B	Coated for 780 nm
Glass Wedge	Thor Labs	PS814	10° wedge
1/2 Waveplate	Thor Labs	WPH10M-780	780 nm
1/4 Waveplate	Thor Labs	WPQ10M-780	780 nm
Rotation mounts	Thor Labs	RSP1C
PBS	Thor Labs	PBS252	780 nm
Isolator	Thor Labs	IO-5-780-HP
Vapor Cell	Thor Labs	GC25075-RB	Rubidium
Photo Detector	Moglabs	PDD-001-400-1100-λ
Scope	Tektronix	TDS1001B
Wavemeter	Yokogawa	AQ-6515A	We use an optical spectrum analyzer but a cheaper wavemeter would also be sufficient.
Electronic spectrum analyzer	Agilent	E4411B
IR Viewer	FJW Optical Systems Inc	84499A-5	Infrared viewer