Construcción y caracterización de Exteriores Cavidad diodo láser de Física Atómica

Summary

Este es un documento de instrucción para guiar la construcción y el diagnóstico de los láseres de diodos externos cavidad (SIVCE), incluyendo la selección de componentes y la alineación óptica, así como los aspectos básicos de las mediciones de espectroscopía de referencia de frecuencia y ancho de línea de láser para aplicaciones en el campo de la física atómica.

Abstract

Desde su desarrollo a finales de 1980, barato, los láseres de diodo cavidad externas fiables (SIVCE) han reemplazado tinte tradicional compleja y cara y el láser de titanio zafiro como el láser caballo de batalla de los laboratorios de física atómica ^1,2. Su versatilidad y uso prolífico en toda la física atómica en aplicaciones tales como la espectroscopia de absorción y el láser de refrigeración ^1,2 hace que sea imperativo para los estudiantes de nuevo ingreso para adquirir una comprensión práctica firme de estos láseres. Esta publicación se basa en el trabajo seminal de Wieman ^3, la actualización de los componentes, y proporciona un tutorial de vídeo. Se describirá la instalación, cierre la frecuencia y la capacidad de caracterización de un ECDL. La discusión de la selección de componentes y el montaje correcto de los dos diodos y rejas, los factores que afectan la selección del modo dentro de la cavidad, la alineación adecuada para la retroalimentación externa óptima, la configuración óptica para mediciones sensibles de frecuencia gruesa y fina, una breve descripción de locki lásertécnicas ng, y mediciones de ancho de línea del láser se incluyen.

Introduction

La medición y la manipulación del estado cuántico de los átomos está en el corazón de la física atómica y requiere la capacidad para hacer frente a transiciones específicas entre estados electrónicos atómicas. Por ejemplo, consideremos el rubidio, un átomo de álcali usado típica y mucho. Aquí, la longitud de onda de la luz que acopla el suelo y estado electrónico excitado primero es de ~ 780 nm (384 THz) y el tiempo de vida del estado excitado debido a la emisión espontánea es ~ 26 nseg dando una anchura de línea de absorción de 6 MHz. ^4. Por lo tanto, se requiere una fuente de luz con la estabilidad de frecuencia de al menos una parte en 108 para hacer frente a esta transición de forma fiable.

Antes del desarrollo de SIVCE, láseres de colorante y los láseres de zafiro titanio se utiliza normalmente para la física atómica. Estos son sistemas grandes, caros y complejos que ofrecen ganancia óptica sobre un gran ancho de banda y por lo tanto se pueden sintonizar para solapar una transición atómica. El potencial de reemplazar a estos medios de ganancia con un simple diodo láser diseñado wi barato,ª un gap coincidir la longitud de onda deseada fue reconocida en la década de 1980 ^1,2. Simple, fácil de construir diseños que logran 100 linewidths kHz fueron bien comprendidas, lugar común a principios del decenio de 1990 ^3,5,6. Muchas configuraciones y diseños diferentes se han demostrado cada uno con ventajas y desventajas. Probablemente las configuraciones más comunes son las 9 configuraciones Littrow ^3,5,7,8 y Littman. Esta discusión se centra en el más simple, la configuración Littrow se muestra en la Figura 1A.

Un número de mecanismos de ajuste se utiliza simultáneamente para alcanzar una alta precisión en la frecuencia del láser. En primer lugar, se requiere un diodo con una producción de hueco de banda de ganancia suficiente en la longitud de onda deseada a una temperatura operativa alcanzable. El diodo láser típica tendrá una ganancia en lo largo de varios nanómetros (THz). En segundo lugar, una difracción reflexivo rejilla es el ángulo ajustado para proporcionar retroalimentación óptica en el diodo en el deseadode longitud de onda. Dependiendo de la rejilla, el diodo, la lente de enfoque utilizado y su alineación, la rejilla se selecciona un rango de frecuencia de 50 a 100 GHz normalmente. El láser oscilará a una longitud de onda resonante con la cavidad láser externo (entre la faceta trasera de diodo y la rejilla). Sintonización de esta longitud de la cavidad a través de una longitud de onda permite que el láser sea sintonizada a través de un rango espectral libre (c / (2 L)) alrededor del pico de ganancia de rejilla donde c, es la velocidad de la luz y L, es la longitud de la cavidad, típicamente 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Cuando dos modos de la cavidad son una longitud de onda similar del pico de rejilla de realimentación de longitud de onda del láser puede ejecutar multimodo. A medida que el modo de la cavidad oscilante se sintoniza más lejos del pico de ganancia que su modo de vecinos el modo de voluntad hop láser limitar el rango de sintonización. El comportamiento de los modos de la cavidad con respecto al modo de rejilla se puede ver en la Figura 3. El rango de sintonización libre de modo de salto es una medida de rendimiento clave para un ECDL. Al ajustar simultáneamente el ángulo de la rejilla y la longitud de la cavidad es posible sintonizar de forma continua a través de muchos rangos espectrales gratis sin modo de lúpulo, por lo que la colocación y fijación a las características espectrales mucho más fácil ^8. De sintonización electrónica de la longitud del camino óptico de la cavidad para el bloqueo puede lograrse mediante una combinación de ajuste del ángulo / posición de rejilla se usa un actuador piezoeléctrico (Figura 1A) (ancho de banda de exploración ~ 1 kHz) y ajustar el diodo de corriente que modula principalmente la de refracción índice del diodo (ancho de banda de exploración ≥ 100 kHz). El uso de diodos láser en lugar de anti-reflexión (AR) virutas de ganancia revestidos para el medio de ganancia añade la complicación adicional de añadir el diodo láser respuesta cavidad interna que puede tener un típico rango espectral libre de 100-200 GHz. En este caso, la cavidad debe ser sintonizado para que coincida con la temperatura de la respuesta de la rejilla. El uso de un diodo láser en lugar de un chip de ganancia de AR recubierto reducirá drásticamente el modo de salto libre tgama de sintonizador a menos que haya un medio para sintonizar de forma síncrona la corriente del diodo o de la temperatura. Por último, para lograr un ancho de línea mejor que 100 kHz cuidado se debe prestar atención para eliminar otras fuentes de ruido. Esto requiere el diseño mecánico cuidadoso de los montes para minimizar la vibración acústica, nivel de estabilización de la temperatura mK, rms estabilidad actual del diodo en el nivel de ≤ 30 nA y una cuidadosa puesta a punto de la ganancia de todos los bucles de bloqueo ^10. Selección de los componentes electrónicos adecuados para la aplicación es tan importante como el diseño de láser y la óptica. Una lista de los controladores de diodos y especificaciones se puede encontrar en la Tabla 1.

Una vez que la acción láser estable se ha logrado, el siguiente requisito es para bloquear la frecuencia del láser a una referencia tal como una transición atómica, una cavidad óptica u otro láser. Esto elimina los efectos de las derivas lentas, como las pequeñas fluctuaciones de la temperatura, lo que elimina esencialmente el ruido de frecuencias conen el ancho de banda del bucle de bloqueo. Hay una gran variedad de técnicas que se han desarrollado para la obtención de una señal de error, cada uno adecuado para un sistema de referencia particular, de bloqueo. Una señal de error para el bloqueo de dos láseres de fase se puede conseguir mediante la mezcla de los dos láseres en un divisor de haz. Sala de Pound-Drever ¹¹ o de superficies de bloqueo ¹² se puede utilizar para bloquear a una cavidad. Para bloquear a una línea de absorción atómica DAVLL ¹³ o espectroscopia de absorción saturada de ^3,14 en combinación con modulación de la corriente ^10, Zeeman de modulación ^10, o de superficies de bloqueo ¹⁵ puede ser utilizado.

El bloqueo de un ECDL a una transición de rubidio usando modulación de Zeeman de absorción saturada en una célula de vapor se describirá aquí. Si un haz de baja intensidad pasa a través de una célula de vapor de rubidio a temperatura ambiente y la frecuencia se sintoniza en la proximidad de la transición atómica nm 780 un número de Doppler amplió características de absorción ~ 500 MHz de anchose observará en lugar de la anchura de línea natural de amplia 6 MHz (cálculos para anchuras de línea naturales y Doppler se pueden encontrar en pie ^16). Si, sin embargo, este haz se refleja retro, el segundo pase tendrá menos absorción en la resonancia como átomos con una velocidad longitudinal cero ya han sido parcialmente excitado por la primera pasada ^17. Otras frecuencias serán absorbidos por diferentes poblaciones de velocidad en cada pasada y por lo tanto la absorción no estarán saturados. De esta manera una característica de transmisión aparente superpone sobre la absorción de Doppler ampliado en las transiciones con una anchura de la anchura de línea natural puede ser obtenido. Esto proporciona una referencia de frecuencia absoluta afilado para bloquear a. La frecuencia de la transición atómica puede ser modulada usando el efecto Zeeman por dithering la magnitud de un campo magnético en la celda de referencia. Un campo magnético homogéneo adecuado puede ser producida utilizando una configuración de solenoide como se muestra en la Figura 5. Mezcla electrónicamentela forma de onda modulada con la transmisión de absorción saturada genera una señal de error que se puede utilizar para ajustar la corriente del diodo integrado y para ajustar el voltaje piezoeléctrico. Por lo tanto, el láser puede ser bloqueado a la transición sin necesidad de modular la frecuencia del láser.

La anchura de línea de un ECDL se mide generalmente por interferir dos láseres bloqueado en frecuencia del mismo tipo en un divisor de haz ^18. La frecuencia de batido entre los láseres se mide entonces usando un fotodiodo rápido y un analizador de espectro de RF. El espectro de ruido más allá del ancho de banda del bucle de bloqueo se ajusta entonces a un Voigt (convolución de una gaussiana y de Lorentz) perfil. El ruido de los diferentes láseres agregar en cuadratura. En el caso de los dos láseres equivalentes esto da un ancho de línea equipada de √ (2) veces el ancho de línea única con láser. Si un láser está disponible con una anchura de línea conocida significativamente menor que la esperada de la ECDL y está dentro del rango de sintonización de la ECDL, a continuación, que se podría utilizar en su lugar. Otro método comúnmente usado para medir la anchura de línea es la técnica homodino auto retardada ^19,20 donde parte de la viga se envía a lo largo de una línea de retardo óptico tal como una fibra y luego se mezcla en un divisor de haz con el láser. Esta técnica se basa en el retraso más largo que la longitud de coherencia del láser de bajo medición. Esto funciona bien para los láseres ruidosos pero para un láser de 100 kHz de anchura de línea la longitud de coherencia es de alrededor de 3 km, la cual comienza a ser poco práctico. Alternativamente, una transición atómica en una célula de absorción saturado o una cavidad de Fabry-Perot se puede utilizar para proporcionar una referencia de frecuencia para la medición de ancho de línea del láser. En este sistema tendrá la frecuencia del láser para sentarse en una parte lineal de éter una absorción saturado o Fabry-Perot de resonancia y no permitido para escanear en frecuencia. Al medir el ruido de la señal en un fotodiodo y conociendo el ancho de línea de resonancia, el ruido de la frecuencia se puede encontrar. El límite inferior de la limedición newidth se limita entonces por la pendiente de la resonancia de transmisión.

La presencia de modos de orden más altos de acción láser se puede comprobar para mirando de intensidad de ruido a la frecuencia de la gama espectral libre usando un analizador de espectro de RF o mediante el uso de un escaneo de Fabry-Perot o un analizador de espectro óptico con una resolución mejor que el espectral libre rango de la ECDL. El rango de sintonización gruesa se puede medir por medición de la potencia como una función de longitud de onda (usando un ondámetro, monocromador, o analizador de espectro óptico), mientras que el ajuste del láser a través de sus límites utilizando la rejilla. El rango de sintonización libre modo de salto se mide generalmente mediante un escaneo cavidad Fabry-Perot que un modo de salto puede ser detectado como un salto discontinuo en frecuencia.

Protocol

1. Selección de componentes

1. Seleccionar un diodo en la longitud de onda apropiada para el átomo de interés. Es fundamental que el diodo seleccionado será monomodo (SM y tiene la potencia suficiente para la aplicación. Un diodo recubierta antirreflectante es ideal. Estos diodos no lo hará lase sin la adición de una cavidad externa y están diseñados explícitamente para la operación ECDL. Ellos tienen un rendimiento significativamente mejor, especialmente para aplicaciones en las que la exploración de la longitud de onda del láser es importante. El diodo láser que se utiliza aquí está en la Lista de Materiales).
   Al igual que en Mac Adam et al. ^3, el ECDL debe estar diseñado para encajar perfectamente el diodo y una lente de colimación. La estabilidad mecánica y contacto térmico son críticas para el buen funcionamiento del láser. Para facilitar la construcción y mecanización mínima, el éxito ha sido había utilizando un soporte de láser de diodo con el tubo de lente integrada (Lista de Materiales).
2. Seleccionar una lente para colimar el diodo. LoEs importante que la abertura numérica sea comparable o mayor que la apertura numérica del diodo de lo contrario habrá pérdidas sustanciales. La mayoría de los diodos tienen una apertura numérica alta (> 0,5) y requieren de lentes asféricas, de lo contrario resultará en aberraciones muy baja eficiencia de retroalimentación. Asegúrese de que la lente está revestida en la longitud de onda de funcionamiento anti-reflejo, elija un objetivo con una distancia focal larga para aumentar el tamaño del haz sobre la rejilla y una longitud de onda de diseño cerca de la longitud de onda de funcionamiento para reducir la aberración. Consulte la Lista de materiales de la lente utilizada en el sistema demostrado.
3. Seleccione la reja externa apropiada para la gama de frecuencia del diodo láser y el ángulo central del brazo de sintonización rejilla. La longitud de onda de la luz difractada en el primer orden, configuración Littrow, está dada por λ = 2 d sen (θ), donde d es el espacio entre líneas de rejilla, θ es el ángulo de la rejilla de la incidencia y λ lalongitud de onda ²¹ (Figura 1B). Hay dos tipos principales de la red de difracción, holográficos y gobernados, y ambos pueden ser o no ardieron. Dependiendo del tipo de rejilla de la potencia difractada puede variar sustancialmente. Apunte para una red de difracción holográfica con una eficiencia de difracción de entre un 20-30%. Consulte la Lista de materiales de la rejilla utilizada en el sistema demostrado.
4. Utilice el diseño más simple manejable - complejidad a menudo significa inestabilidad. Hay un gran número de diseños ECDL pero la más sencilla es la Littrow ^3,5,7,22. Lea los documentos y decidir si un gran modo de salto libre gama (el rango de frecuencias sobre las que el diodo puede sintonizar de forma continua y sin repente saltar a otra frecuencia), una anchura de línea muy estrecha o reducida variación apunta es de la mayor importancia para la aplicación. Obtener la mayor cantidad de información posible antes de comenzar el diseño ECDL. A menudo, la rejilla ECDL es más que suficiente para las aplicaciones de la física atómica.
5. Es importante darse cuenta de que el rendimiento de un ECDL está más fuertemente arraigada en el sistema electrónico que conducen la corriente del diodo y estabilizan la temperatura del láser. Sin un buen sistema de electrónica de diseño mecánico actuará bajo-. Se incluye una comparación de los diferentes controladores de corriente y de la temperatura en la Tabla 1. Cuanto menor es el ruido de la corriente, mejor que el láser actuará ^23.

2. Asamblea

1. A los efectos de este trabajo, el punto de partida para el conjunto de ECDL será un sistema mecánico ECDL completa montada en un refrigerador termoeléctrico (TEC) y sin la frecuencia de selección de los componentes (es decir, la rejilla y el láser de diodo).
2. Comience por colocar el diodo láser en su respectivo orificio de montaje y fijarlo usando su anillo de montaje. Tenga cuidado de no apretar en exceso el anillo de montaje. Debe ser ajustado pero no apretado.
3. Antes de conectar el diodo láser para la alimentación de corriente, check la hoja de especificaciones del diodo para el ánodo, cátodo y asignaciones de los pines de tierra. Esto varía de un diodo diodo y poner la corriente a través del diodo al revés lo destruirá.
   1. Diodos láser son dispositivos de bajo voltaje, normalmente, un 5-10 V máximo, y se debe tener cuidado para asegurar que no estática se descarga a ellos. Es buena práctica usar una correa de conexión a tierra al manipular diodos e instalar un circuito de protección (por ejemplo, la figura 2) a través de los pines de diodos láser para evitar altos voltajes. El diodo puede y patillas de tierra debe estar conectado a tierra de manera permanente y el uso de alambres finos puede ayudar a reducir el acoplamiento de las vibraciones mecánicas.
4. Ajustar las temperaturas máximas y mínimas y los diodos y TEC actuales límites máximos en el controlador de diodos de acuerdo con los valores de la hoja de especificaciones del diodo. Si la temperatura mínima está por debajo del punto de rocío para el laboratorio y luego utilizar una temperatura mínima de ~ 2 ° C above del punto de rocío. Esto evitará la condensación.
5. La hoja de especificaciones del diodo por lo general tiene una figura de temperatura vs longitud de onda en una corriente del diodo dado. Utilice esta figura como una referencia para establecer inicialmente la temperatura del diodo (y la corriente) para que coincida con la longitud de onda de interés. Si una temperatura vs gráfico de longitud de onda no está disponible ajustar la temperatura de ajuste a la temperatura ambiente.
6. Gire el regulador de temperatura y deje que la temperatura se estabilice.
7. Encienda el diodo y gire la corriente de manera que el haz de salida se puede observar claramente con una tarjeta de visionado. Utilice una tarjeta de IR para ver la viga.
8. Inserte la lente de colimación asférica y colimar el diodo láser mediante el ajuste de la separación entre el diodo y la lente. Con el fin de asegurar una buena colimación asegurarse de que la viga tiene un camino claro, idealmente> 3 m, y ajustar la posición de la lente hasta que el diámetro del haz justo después de la ECDL y al final de la trayectoria del haz son las mismas, asegurándose de verificar que el yo hazs no se centra en ningún punto a lo largo del camino.
9. Comprobar la polarización del láser de diodo se encuentra en el plano deseado para la rejilla de difracción (S o P). En la mayoría de los casos la polarización del diodo es a lo largo del eje corto de la forma del haz elíptico, pero es una buena práctica para comprobar el eje de polarización usando un divisor de haz polarizante.
   1. Si el eje del haz no está en el plano deseado, aflojar el anillo de montaje de diodo y girar el diodo hasta que se consigue la orientación adecuada. Algunos diseños ECDL permitir que esto se hace con el láser y conectada a la fuente de corriente y otros no lo hacen. Si los cables de suministro de corriente deben ser removidos para girar el diodo, corte el suministro de corriente a la caja de control y retire los cables. El control de la temperatura ECDL puede permanecer encendido durante este proceso. Recuerde usar siempre una muñequera antiestática cuando manipule el diodo.
   2. Si fuera necesario cambiar la posición del diodo repetir el paso anterior para recollimate el diodo.
10. El plano de difracción de la rejilla es generalmente etiquetado por el fabricante con una flecha perpendicular a las líneas de rejilla y en la dirección de la reflexión ardido. Vuelva a comprobar esto observando el reflejo de una fuente de luz de banda ancha, como un foco de luz, como una función del ángulo.
    1. Si la rejilla se realiza con la flecha hacia atrás hacia el observador y una amplia fuente de luz de banda sobre la cabeza, la luz reflejada cambiará de color en función del ángulo de rejilla.
    2. Montar la rejilla de manera que la flecha apunte hacia atrás hacia el diodo y ajustar así el ángulo de rejilla varía la longitud de onda reflejada hacia el diodo (Figuras 1A y 1B).
11. Una vez que la orientación de la rejilla se ha confirmado el pegamento de la rejilla en el brazo de sintonización ECDL encolados fraguado rápido como Loctite.

3. Alineamiento Feedback

1. Coloque una tarjeta de visión alineada con la salida ECDL seram. Esto se utiliza para controlar la potencia del láser como se realizan ajustes a la puntería de la haz difractado. Un medidor de potencia también se podría utilizar, pero es más lento en su respuesta.
2. Ajuste la configuración actual en la caja de control del diodo hasta justo debajo de la corriente umbral de diodos faceta reflectante delante y 1/3 de la corriente máxima para AR fichas de ganancia diodo recubiertos. Diodos faceta reflectante delante tendrán un umbral de intensidad en sus especificaciones o las hojas de datos, mientras que AR recubierto fichas de ganancia no.
3. Ajustar el ángulo del brazo de rejilla tanto horizontal como verticalmente, para dirigir el haz difractado de nuevo en el diodo, haciendo efectivamente una cavidad retroalimentación externa. Cuando el haz se dirige en el diodo láser habrá un aumento significativo en la potencia de salida, observable como un marcado aumento o brillante flash en una tarjeta de visualización o un aumento dramático de la energía cuando se mide usando un medidor de potencia o fotodiodo.
   1. Una tarjeta de visualización no es una medida cuantitativa o muyf poder así que puede ser necesario bajar incrementalmente la corriente del diodo láser y reajustar el haz de retroalimentación hasta que el comportamiento anterior se puede ver en la corriente más bajo posible.
   2. Ajuste de la lente de colimación de enfoque o axial para optimizar la posición de enfoque en la faceta de diodo puede reducir aún más el umbral y aumentar la potencia de salida después de lo cual será necesario para reoptimizar el ángulo de rejilla horizontal y verticalmente.

4. Selección inicial de frecuencia

1. Para la alineación de frecuencia inicial del láser una medida absoluta de la longitud de onda con una precisión de <1 nm y idealmente <0,1 nm es ideal. Esta medición de frecuencia gruesa hará que sea mucho más fácil de sintonizar la frecuencia de láser sobre una transición atómica en un paso posterior. Hay muchas opciones, incluyendo el uso de un ondámetro, un analizador de espectro óptico, espectrómetro, o un monocromador con una cámara. Asegúrese de que un dispositivo de precisión calibrado se utiliza o se compruebe su calibration por ejemplo, usando un láser de HeNe. Alternativamente, el ajuste de frecuencia gruesa por lo general se puede lograr por caminar el ángulo de rejilla y corriente, mientras que el láser es de exploración hasta una absorción o señal de fluorescencia de una célula de referencia de vapor se pueden ver.
   1. En general, una viga secundaria interceptado de la viga principal, usando un prisma cuneiforme vidrio o λ / 2 placa de onda y el divisor de haz de polarización, se utilizará como insumo para la ondámetro. Esta configuración óptica se ve en la Figura 1D. Consulte la Lista de materiales para los materiales utilizados en esta demostración.
2. Ajuste el ECDL hasta que se obtiene la longitud de onda de salida deseada. El diodo conduce corriente, temperatura, ángulo de rejilla y longitud de la cavidad externa afectarán la frecuencia del láser ²⁴ (Figura 3).
   1. Comience ajustando el ángulo de la rejilla, ya sea a mano o utilizando el piezo. En segundo lugar, ajustar la corriente del diodo.
   2. Si el freque deseadancia es el azul del rango de barrido de rejilla, la temperatura del diodo debe disminuir y viceversa, si la longitud de onda deseada es el rojo.

5. Ajustes de frecuencia fina y de frecuencia de bloqueo

1. Configure la espectroscopia de absorción saturada en la salida ECDL utilizando la configuración de la Figura 1F ^3,14,17. El uso de un aislador óptico inmediatamente después de que el láser es esencial (Figura 1C). Es importante evitar la reflexión de nuevo en el láser, que puede causar inestabilidad. Espectroscopia de absorción saturada utilizando una celda de referencia, que contiene el átomo de interés es una forma sencilla de bloquear un láser para una transición atómica estrecha ^25.
   1. Asegúrese de que la celda de referencia se encuentra en un ángulo para evitar volver reflexiones y que el espejo retro refleja el haz a través de la célula de vapor con la máxima superposición. La potencia de doble paso transmitida puede controlarse utilizando el diodo foto como la ELongitud de onda de CDL se escanea.
2. La mayoría de los controladores de diodos tendrán una construida en función de exploración que va a escanear la longitud de onda mediante el ajuste de la tensión de rejilla piezoeléctrico y por lo tanto el ángulo de rejilla y longitud de la cavidad externa o mediante la modulación de la corriente del diodo. La anchura, escanear offset y laser de la temperatura y la corriente se debe ajustar hasta que una señal de absorción se puede ver en un ámbito conectado al detector de foto. Cuando el láser está explorando sobre la transición atómica debería ser posible ver la trayectoria del haz de láser en la fluorescencia de células de vapor o el flash a simple vista oa través de un visor de infrarrojos.
3. La potencia por unidad de área en el haz de referencia para la espectroscopia de absorción saturada debe estar en o por encima de la intensidad de saturación para la transición atómica. Utilice la placa de onda λ / 2 antes de que el divisor de haz polarizante para aumentar la potencia hasta que una señal de absorción claro se puede ver. Los cálculos de las intensidades de saturación se pueden encontrar en pie ^16.
4. Con el escaneo láser sobre la transición atómica de Rb 780 nm, una señal de absorción ampliado Doppler amplia debe ser visto, ~ 5 GHz de ancho, con varias transiciones bruscas ~ 10 MHz quemado en pie ¹⁶ (Figura 4). Reducción al mínimo de la potencia utilizada para generar la señal de absorción saturada es necesario reducir ampliación de potencia y producir una característica más nítida para bloquear a.
5. Con el fin de bloquear la frecuencia de PCIE, se necesita una señal de error. Por la colocación de bobinas alrededor de la célula de referencia como en la figura 5 ¹⁰ y la oscilación del campo magnético, los niveles Zeeman y por lo tanto las frecuencias de las transiciones son moduladas. En este caso, la corriente que pasa a través de las bobinas de Zeeman se modula a alrededor de 250 kHz con una magnitud de 1 ~ G.
6. Mezclar la señal de absorción de la absorción fotodetector saturada con la señal de modulación desde el generador de funciones. Cuando la salida del mezclador se visualiza en un ámbito de aplicación que debería ser una señal de error SIMilar a la Figura 4. La magnitud de la señal de error dependerá de la fase relativa entre las dos señales mixtas. Girar el divisor de haz λ / 4 antes de la célula de vapor para ajustar la fase.
7. Reducir progresivamente el Rango de escaneado y ajustar las compensaciones para centrar el análisis sobre la transición de su interés, sin otras transiciones presentes.
8. Un proporcional-integral-derivativo (PID) del circuito (por ejemplo, véase Mac Adam et al. ³⁾ se puede usar entonces para bloquear la longitud de onda ECDL usando la señal de error. La ganancia PID se debe reducir por debajo del punto en el que está sonando se observó mediante la búsqueda de la presencia de modulación en la señal de error (por ejemplo, utilizando un analizador de espectro o transformada de Fourier de la traza de la señal de error).

6. Medición Grosor de línea

1. Con el fin de lograr una medición de anchura de línea precisa que es necesario tener ya sea una fuente de anchura de línea estrecha conocido (otro láser con Linewidth significativamente menor que la ECDL), dos de los mismos SIVCE o una línea de retardo largo en comparación con la longitud de coherencia de la ECDL. Aquí dos SIVCE se interfirieron para medir ancho de línea. Alternativamente, puede ser más fácil para bloquear a una resonancia producido por una transición atómica o una cavidad de Fabry-Perot y ajuste para el ruido por encima del ancho de banda del bucle de bloqueo.
2. Bloquee los dos rayos láser para diferentes transiciones hiperfinos, compensado idealmente alrededor de 100 MHz. Esto minimizará el impacto del ruido electrónico.
3. Modo, el poder y la polarización coinciden con las dos vigas e interfieren entre sí usando un 50/50, nonpolarizing divisor de haz. Alinear el haz resultante en un fotodetector. La salida de la señal en el detector foto debe ser una onda sinusoidal con una frecuencia de la frecuencia de los dos de láser offset. Puede ser necesario para atenuar o desenfocar el haz resultante para no dañar o saturar el fotodiodo.
   1. El solapamiento de los dos haces golpeando determinará la CONT franjarast como se ve en un ámbito durante la medición de anchura de línea. Si el contraste de la franja es pobre, dedicar más tiempo a la mejora de la adecuación del modo y la superposición de los haces en el divisor de haz y el detector. Un buen método es para solapar los dos haces utilizando dos iris ', o agujeros de pasador, separadas por una distancia relativamente grande, ~ 1 m.
4. Será difícil de resolver las fluctuaciones de frecuencia en un ámbito de aplicación. Para la mejor medición de utilizar un analizador de espectro, lo que dará un perfil de Voigt centrado en la frecuencia de batido con un ancho de línea Δ f, igual a la anchura de línea de láser convuelta (Figura 6). Para una buena aproximación de la traza puede estar en forma de una gaussiana y el ancho de línea obtenida de la forma. El ruido o la anchura de línea medida dependerá de la adquisición o el tiempo de integración, que puede ser definido por el ajuste de la anchura de banda de resolución sobre el analizador de espectro. Por esta razón, es importante citar el tiempo de integración cuando se cite la mlinewidth easured.

Representative Results

Hay 5 pasos principales en la alineación, bloqueo de frecuencia y la caracterización de la anchura de línea de la ECDL. Estos son: la obtención de retroalimentación de la rejilla y usando esto para establecer la frecuencia de PCIE grueso medido en un ondámetro, la observación de absorción del láser en la celda de referencia, se muestran la transición atómica con una resolución alrededor de la anchura de línea natural en una configuración de espectroscopía de absorción saturado, la obtención de un señal de error alrededor de la transición deseada y de bloqueo a la misma, y, finalmente, la observación de la nota ritmo de dos láseres y la medición de la anchura de línea de láser. El primer paso se ha completado con éxito, bastante trivial cuando la longitud de onda leída en el ondámetro corresponde a la transición atómica de interés. Cuando se intenta lograr la absorción en la celda de referencia, florescencia puede ser visto a lo largo de la trayectoria del haz en la célula con un visor de infrarrojos cuando se golpea la transición. Si la ECDL está escaneando el celular parpadeará. Una señal de absorción saturada puede ser difícil de detectar whe n primera alineación debido a que las líneas de transmisión pueden ser muy pequeñas en comparación con el pico de absorción de Doppler. Cuando picos, similares a los mostrados en la Figura 4, se puede ver, el sistema de absorción saturada está funcionando correctamente. Mediante el ajuste de los parámetros de fase y de escaneo de una señal de error similar a la mostrada en la Figura 4 se debe obtener. Con el fin de medir el ancho de línea ECDL es necesario para obtener una señal de batido entre dos vigas. Como los haces se vuelven más y más superponen una onda sinusoidal comenzará a aparecer, como se ve en un alcance de un detector de foto. Mantenga la alineación hasta que el contraste entre los nodos y antinodos es más grande. Cuando se pasa entonces a la señal de latido a través de un analizador de espectro electrónico de una señal similar a la figura 6 debe ser visto. La anchura de línea de láser se puede medir a partir de esta señal. La configuración completa óptica se puede ver en la Figura 1.

"Figura 1" fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" />
.. Figura 1 la configuración completa de la óptica Este es un ejemplo de una configuración de la óptica completa para el sistema de ECDL discutido A:. Esto muestra la configuración Littrow de un PCIE. Un porcentaje, típicamente 20-30%, del haz incidente sobre la rejilla es difractada de nuevo en el diodo. El ángulo de refracción y el ángulo de reflexión son iguales. La rejilla está montado en una etapa de ajuste que utiliza un piezoeléctrico para controlar el ángulo de rejilla B:. El haz de salida del diodo láser es incidente sobre la rejilla en un ángulo θ con el orden 0 que refleja fuera y la difracción de 1 ^ª orden que es enviado de vuelta a lo largo de la trayectoria del haz incidente. La longitud de onda de la luz difractada es dada por λ = 2 d sen (θ) en la configuración Littrow C:. Posición y orientación de la óptica esolator para reducir la realimentación no deseada para el diodo láser de D:. El haz de salida de la caja de láser pasa a través de una placa de onda λ / 2 y PBS y se alinea con el ondámetro. El poder de los haces reflejados y transmitidos se puede ajustar mediante la rotación de la placa de onda E:. Línea de haz utilizado para el experimento. Esta línea contiene la mayor parte de la energía del laser F:. Aprobar un haz de referencia igual o superior a la intensidad de saturación a través de una PBS, λ / 4 placa de onda, célula de gas de referencia, y retro reflejan de nuevo en el PBS. Es importante que los dos haces son bien se superponen para obtener la espectroscopia de saturación adecuada. La placa de onda se asegurará de la polarización de la luz en el haz reflejado retro se girarán 90 ° del haz incidente que le permite salir del puerto opuesto del divisor de haz. Haz clic aquí para ver más grande image.

Figura 2. Circuito de protección Diodo láser. Circuito de protección Ejemplo para la corriente del diodo láser. R1 y C1 forman un circuito básico RC y filtrará el ruido de alta frecuencia. D 1 y D 2 son Schottky y diodos Zener respectivamente. El diodo Schottky, que tiene un tiempo de respuesta rápido, es en su lugar para proteger contra tensiones inversas, y el diodo Zener, que tiene un tiempo de respuesta más lento, está diseñado para permitir que la corriente pase a si por encima de la tensión máxima de funcionamiento diodos láser, evitando de este modo dañar al diodo láser. Los valores típicos para los componentes serán R 1 = 1 Ω, C = 1 1 mf, d 1 = 30 V, D 2 = 6 V. Los valores elegidos para R1 y C1 limitará el ancho de banda de modulación de la corriente del diodo. Esto puede ser inferior aideal si una señal de error se produce a través de la modulación actual en lugar de la modulación Zeeman discutido.

. Figura 3 Competir modos en un ECDL verdes:.. Anchura de línea de orden de difracción ≈ 50 GHz en función de la rejilla sólido rojo: El modo de la cavidad interna de un diodo láser con un ancho de línea ≈ 10 MHz y el rango espectral libre ≈ 80 GHz . tablero Rojo: La cavidad interna de un diodo con recubrimiento anti-reflejo. Estos diodos tendrán un ancho de línea en el rango nm Azul:. Modos de cavidad externa con un ancho de línea de ≈ 500 kHz y un rango espectral libre de ≈ 5 GHz. De una cavidad externa 3 cm de largo. Ajuste del ángulo de rejilla se desplazará el centro de la curva verde y Si cambiar simultáneamente la longitud de la cavidad externa a su vez, desplazando la curva azul también. El ajuste de la corriente del diodo y la temperatura se desplazará las curvas de color rojo.

.. Figura 4 espectroscopia de absorción saturada y la señal de error correspondiente Para Rubidio 87 Lower Curve:. Picos de absorción saturadas en el pico de absorción Doppler mucho más amplio formado a partir de la espectroscopia Doppler libre. Curva superior: Señal de error para el sistema de absorción saturado correspondiente. Las etiquetas por encima de la señal de error corresponden a la transición atómica (F → F ').

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Figura 5. Zeeman bobina. Bobina enrollada alrededor de una célula de vapor de rubidio se utiliza en la modulación de Zeeman.

Figura 6. Linewidth Laser. Señal adquirió de un analizador de espectro de la nota ritmo formado por dos láseres similares. A partir de la figura, el ritmo tiene una frecuencia de 206,24 MHz y un ancho de línea de 0,3 MHz con un tiempo de integración de 20 ms.

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Los controles actuales	Alcance	Ruido
Thor laboratorios:
LDC200CV	0-20 mA	<1 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU	0-100 mA	<0,2 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C	0-200 mA	<1,5 μA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C	0-500 mA	<3 μA (10 Hz -1 MHz)
Moglabs:
DLC-202	0-200 mA	<300 pA / √ Hz
	0-250 mA	<300 pA / √ Hz
DLC-502	0-500 mA	<300 pA / √ Hz
Stanford Research Systems:
LDC500	0-100 mA	<0,9 μA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	<4,5 μA RMS (10 Hz -1 MHz)
Toptica:
DCC 110/100	0-100 mA	200 nA RMS (5 Hz-1 MHz)
Corriente continuaC 110/500	0-500 mA	1 μA RMS (5 Hz-1 MHz)
Controladores de Temperatura
Thor Labs:
TED200C	-45 A 145 ° C	± 2 mK
Moglabs:
DLC-202	-40 A 50 ° C	± 5 mK
DLC-252	-40 A 50 ° C	± 5 mK
DLC-502	-40 A 50 ° C	± 5 mK
Stanford Research Systems:
LDC500	-55 A 150 ° C	± 2 mK
LDC501	-55 A 150 ° C	± 2 mK
Toptica:
DTC 110	0-50 ° C	± 2 mK

Tabla 1. Diodo Actual y controladores de temperatura. Diodo controladores de corriente y temperatura Varias empresas con sus rangos y niveles de ruido.

Discussion

Esta publicación ha mostrado cómo pasar de una ECDL desmontado a través del bloqueo de alineación y la frecuencia para producir una medida de la anchura de línea de láser. El diseño mecánico y el diseño de la electrónica tales como servos PID, controladores de diodos y controladores de temperatura es demasiado especializados para discutir aquí, pero se han discutido ampliamente en publicaciones de referencia ^1,3,5.

Aunque diodo de ECDL se han convertido en un elemento básico en los laboratorios de física atómica, las especies y las transiciones que estos legados se alcance es limitado. Se han hecho grandes progresos en la ampliación de la gama de longitud de onda de los láseres de diodo basado sin embargo en la actualidad todavía quedan muchas lagunas sobre todo en la UV. Limitaciones de potencia de los sistemas de ICDL siguen restringiendo sus aplicaciones. Diodos monomodo Bare oscilan en el poder desde μWatts a 100 de mWatts. Además, los amplificadores cónicos se pueden agregar a un sistema de ECDL para aumentar la potencia del láser total de modo únicohasta el nivel de vatios. Si se requieren potencias de modo único mucho mayor que un vatio o otras longitudes de onda se requieren arquitecturas de láser alternativos. Estos incluyen láseres de fibra ^26, láseres de estado sólido ²⁷ como el láser TiSaph o pueden depender de la conversión de frecuencia no lineal procesa ²⁷ como el láser Raman, mezclado de cuatro ondas, generación de frecuencia suma o un oscilador paramétrico óptico.

Esta publicación se centra en un mecanismo de bloqueo que es dependiente de una célula de vapor atómico. Para muchas aplicaciones de la física atómica una célula de vapor de cristal simple, como se discute aquí, pueden no estar disponibles, tal es el caso de especies como Yb. Muchas otras técnicas para la obtención de una muestra de referencia con una variedad de especies han sido demostrado como, vigas calientes atómicas, lámparas de descarga, las células de gas tampón, células de yodo, y células de pulverización catódica.

Este diseño del sistema láser está inherentemente limitado a linewidths de ≈ 30 kHz ²8 y típicamente más cerca de 100 kHz. Si la aplicación requiere un ancho de línea más estrechos otras técnicas de estabilización o láser alternativa diseña ²⁶ son obligatorios.

Siempre que trabaje con los sistemas ópticos, la limpieza es de la mayor importancia. Es una buena práctica cuando se introdujo por primera vez a la óptica y la manipulación usar guantes para evitar tocar accidentalmente la superficie óptica. Si se raya una óptica no se debe utilizar en un sistema láser. En la mayoría de los casos la óptica con huellas dactilares o polvo pueden limpiarse con acetona o aire comprimido, respectivamente. Cualquier imperfección en una superficie óptica puede y va a introducir la pérdida y potencialmente ruido en el sistema. Montajes Óptica deben fijarse al banco de óptica en todo momento y deben estar firmemente atornillados hacia abajo una vez en su lugar.

Al alinear la óptica como waveplates y divisores de haz de polarización, asegurar la luz incide casi perpendicular a la superficie óptica mientras avoIding reflexiones de nuevo en el láser. A medida que el ángulo de incidencia se desvía de 90 º, el comportamiento de estos elementos ópticos se vuelve más y más lejos de lo ideal. Para minimizar la aberración y maximizar vigas apertura numérica siempre deben viajar a través del centro de las lentes y ser normal a la lente. En contraste, una célula de vapor debe ser colocado en un ligero ángulo con el haz incidente para evitar efectos etalón. Por esta razón, muchas células de vapor están fabricados con facetas finales no paralelas.

Los láseres utilizados aquí son de clase 3B. Incluso las reflexiones parásitas tienen el potencial de daño a los ojos. Trabajar con los láseres de este tipo sólo debe ser realizado por personal capacitado y familiarizado con los peligros de los rayos láser. Gafas de seguridad láser deben ser usados ​​en todo momento. Nunca mire directamente por el camino de cualquier láser para la alineación óptica y tener especial cuidado para evitar generar reflexiones especulares peligrosos fuera de los componentes ópticos. Termine siempre positivamente líneas de luz using un vertedero de haz.

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