Bygging og karakterisering av Eksterne Cavity Diode Lasere for atomfysikk

Summary

Dette er en instruksjons papir for å lede byggingen og diagnostikk av eksterne hulrom diode lasere (ECDLs), herunder komponentvalg og optisk justering, samt grunnleggende frekvensreferanse spektroskopi og laser linewidth målinger for applikasjoner innen atomfysikk.

Abstract

Siden deres utvikling i slutten av 1980, billige, har pålitelige eksterne hulrom diode lasere (ECDLs) erstattet kompleks og kostbar tradisjonell fargestoff og Titanium Sapphire lasere som arbeidshesten laser av atomfysikk labs ^1,2. Deres allsidighet og produktiv bruk i hele atomfysikk i applikasjoner som absorpsjon spektroskopi og laser kjøling ^1,2 gjør det maktpåliggende for innkommende studenter å få et solid praktisk forståelse av disse lasere. Denne publikasjonen bygger på den banebrytende arbeid ved Wieman ^3, oppdatere komponenter, og gir en video tutorial. Oppsettet, frekvenslåsing og ytelse karakterisering av en ECDL vil bli beskrevet. Diskusjon av komponentvalg og riktig montering av både dioder og rister, hvilke faktorer som påvirker modusvalg i hulrommet, riktig justering for optimal ekstern tilbakemeldinger, optikk oppsett for grov og fin frekvens sensitive målinger, en kort oversikt over laser locking teknikker, og laserLineWidth målinger er tatt med.

Introduction

Måling og manipulere kvantetilstand av atomer er i hjertet av atomfysikk og krever evne til å løse spesifikke overganger mellom atom elektroniske tilstander. For eksempel vurdere rubidium, en typisk og mye brukt alkali atom. Her er bølgelengden til lyset kopling bakken og første begeistret elektroniske staten ~ 780 nm (384 THz) og opphisset tilstand levetid på grunn av spontan utslipp er ~ 26 nsec gi en absorpsjon linewidth av 6 MHz ^fire. Dermed er en lyskilde med frekvensstabilitet på minst én del i 108 nødvendig for pålitelig å løse denne overgangen.

Før utviklingen av ECDLs, fargestoff lasere og Titanium Sapphire lasere ble vanligvis brukt for atomfysikk. Dette er store, dyre, komplekse systemer som tilbyr optisk forsterkning over en stor båndbredde og dermed kan bli innstilt til å overlappe en atom overgang. Potensialet for å erstatte disse gevinst media med en billig, enkel diode laser konstruert with en bandgap matchende ønsket bølgelengde ble anerkjent i 1980 ^1,2. Enkel, lett å bygge design som oppnår 100 kHz linewidths var godt forstått og vanlig sted ved begynnelsen av 1990-tallet ^3,5,6. Mange forskjellige konfigurasjoner og utførelser har blitt vist med hver fordeler og ulemper. Sannsynligvis den mest vanlige konfigurasjoner er Littrow ^3,5,7,8 og Littman 9 konfigurasjoner. Denne diskusjonen fokuserer på den enkleste, den Littrow-konfigurasjonen vist i figur 1A.

Blir samtidig brukt En rekke justeringsmekanismer for å oppnå en høy presisjon i laserfrekvensen. For det første er en diode nødvendig med et båndgap som produserer tilstrekkelig forsterkning ved den ønskede bølgelengden til et oppnåelig arbeidstemperatur. Den typiske laser diode vil ha gevinst over flere nanometer (THz). For det andre er en reflekterende diffraksjonsgitter vinkel innstilt til å gi optisk tilbakemelding til dioden ved den ønskedebølgelengde. Avhengig av risten, dioden, fokuseringslinsen brukt og deres innretting, vil gitteret velge et frekvensområde på vanligvis 50 til 100 GHz. Laseren vil oscillere med en bølgelengde i resonans med den eksterne laser-hulrom (mellom dioden bakre fasett og gitteret). Trimming av dette hulrom over hele lengden en bølgelengde som tillater laseren å bli innstilt over et fritt spektralområde (c / (2 L)) rundt gitteret forsterkningen peak der c er lysets hastighet, og L, er hulrommet lengde, vanligvis 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Når to hulrom modi er et lignende bølgelengde fra toppen rist til tilbakemelding bølgelengde laser kan kjøre multimodus. Som det oscillerende hulrom modus er innstilt lengre fra forsterkningen topp enn sine nabomodus laseren vil modus hop begrense avstemningsområde. Virkemåten av de hulromsmodi med hensyn til rist modus kan sees i figur 3.. Modus hop frie avstemningsområde er et viktig resultat metrisk om en Datakortet. Ved samtidig å justere gitter vinkel og hulrommet lengde er det mulig kontinuerlig å tune over mange frie spektrale områder uten modus humle, slik å lokalisere og låse til spektrale egenskaper mye lettere ^8.. Elektronisk justering av den optiske banelengde av hulrommet for låsing kan oppnås ved en kombinasjon av tuning risten vinkel / posisjon ved hjelp av en piezo-aktuator (fig. 1A) (scanning båndbredde ~ 1 kHz) og justere diode strøm som primært modulerer brytnings indeks over dioden (skanning båndbredde ≥ 100 kHz). Ved hjelp av laserdioder i stedet for anti-refleksjon (AR) belagte forsterknings chips for forsterkningsmediet tilfører den ytterligere komplikasjon ved tilsetning av laserdioden indre hulrom reaksjon som kan ha en typisk frie spektralområdet fra 100 til 200 GHz. I dette tilfelle hulrommet må være temperatur innstilt til å tilpasse reaksjons fra gitteret. Ved hjelp av en laser diode snarere enn en AR belagt gevinst chip vil dramatisk redusere modus hop gratis tuning range med mindre det er et middel til å synkront tune dioden nåværende eller temperatur. Til slutt, for å oppnå en linewidth bedre enn 100 kHz nøye oppmerksomhet må være betalt for å eliminere andre støykilder. Dette krever nøye mekanisk design av festene for å minimere akustiske vibrasjoner, mK nivå temperaturstabilisering, rms nåværende stabiliteten av dioden på ≤ 30 nA nivå og nøyaktig trimming av gevinsten av alle låse looper ^10. Velge riktig elektronikk for programmet er like viktig som laser og optikk design. En liste over diode kontrollere og spesifikasjoner finner du i tabell 1.

Når stabil lasing er oppnådd, er det neste kravet om å låse laserfrekvensen til en referanse som en atom-overgang, et optisk hulrom eller en annen laser. Dette fjerner virkningen av langsom fonner for eksempel små temperatursvingninger, i det vesentlige eliminere støy for frekvenser medi båndbredden av låsesløyfen. Det finnes et utall av låse teknikker som er blitt utviklet for å fremskaffe et feilsignal, som hver passer til et bestemt referansesystem. En feilsignalet for faselåse to lasere kan oppnås ved å blande de to lasere på en strålesplitter. Pound-Drever hall ¹¹ eller tilt-låsing ¹² kan brukes til å låse til et hulrom. For å låse til en atom-absorpsjon linje DAVLL ¹³ eller mettet absorpsjonsspektroskopi ^3,14 i kombinasjon med strømmodulering ^10, Zeeman modulering ^10, eller vippe-låse ¹⁵ kan anvendes.

Låsingen av et Datakortet til en rubidium overgang ved hjelp Zeeman modulering av mettede absorpsjon i en dampcellen vil bli beskrevet her. Dersom en lav intensitet trålen passerer gjennom en rubidium dampcelle ved romtemperatur, og frekvensen er innstilt i nærheten av 780 nm atomtransitt et antall Doppler utvidet absorpsjonslinjer ~ 500 MHz bredtvil bli observert i stedet for 6 MHz bred naturlige linje bredde (beregninger for naturlige og Doppler linewidths kan finnes i foten ^16). Hvis, derimot, er denne bjelken retro reflektert, vil den andre pass har mindre absorpsjon på resonans som atomer med en null langsgående hastighet har allerede blitt delvis begeistret av første pass ^17. Andre frekvenser vil bli absorbert av forskjellige hastighets populasjoner på hver passering, og derfor absorpsjonen vil ikke være mettet. På denne måten kan en tilsynelatende overføringsfunksjon kledde på Doppler utvidet absorpsjon ved overganger med en bredde over den naturlige linje bredde kan oppnås. Dette gir en skarp absolutte frekvensreferanse for å låse til. Frekvensen for den atomtransitt kan være modulert ved hjelp av Zeeman-effekten ved rystelses størrelsen av et magnetisk felt i referansecellen. En egnet homogen magnetfelt kan fremstilles ved hjelp av en solenoid oppsett som vist i figur 5.. Elektronisk miksingdet modulerte bølgeform med mettet absorpsjon overførings genererer et feilsignal som kan benyttes til å justere diodestrøm og integreres for å justere piezo spenningen. Således kan laseren være låst til overgangen uten behov for å modulere laserfrekvensen.

Den linewidth av en ECDL måles vanligvis ved å forstyrre to frekvens låst lasere av samme type på en strålesplitter ^18. Den takt-frekvens mellom lasere blir så målt ved hjelp av en rask fotodiode, og en RF-spektrum analysator. Den støyspektrum utover låsesløyfebåndbredde blir deretter montert på en Voigt (konvolusjon av en Gaussian-og Lorentzian) profil. Støy fra de forskjellige lasere legg i kvadratur. I tilfelle av to tilsvarende lasere dette gir en montert linje bredde av √ (2)-dobbelt laser Linewidth. Ved en laser er tilgjengelig med en kjent linje bredde betydelig mindre enn det som var forventet fra Datakortet, og det er innenfor avstemningsområdet for ECDL, så som kunne brukes i stedet. En annen metode som vanligvis brukes for å måle den forsinkede linje bredde er selv homodyne teknikk ^19,20, hvor en del av strålen blir sendt langs en ​​optisk forsinkelseslinje, for eksempel en fiber og deretter blandet på en strålesplitter med laseren. Denne teknikk er avhengig av forsinkelsen er lengre enn den koherente lengden av laseren i henhold til målingen. Dette fungerer godt for støyende lasere, men for et 100 kHz linewidth laser koherenslengden er rundt 3 km, noe som begynner å bli upraktisk. Alternativt kan en atom overgang i en mettet absorpsjon celle eller et Fabry-Perot-hulrommet kan brukes til å tilveiebringe en frekvensreferanse for laser linje bredde-måling. I dette systemet laserfrekvensen må sitte på en lineær del av eter en mettet absorpsjon eller Fabry-Perot-resonans i stedet tillates å skanne i frekvens. Ved å måle signalstøy på en fotodiode, og vel vitende om resonans linje bredde, kan frekvensstøy bli funnet. Den nedre grensen for linewidth måling blir deretter begrenset av hellingen av transmisjonsresonans.

Nærvær av høyere orden lasing modi kan kontrolleres for ved å se på intensitetsstøy på frekvensen av den frie spektralområdet ved hjelp av en RF-spektrum analysator eller ved hjelp av et scanning Fabry-Perot-eller en optisk spektrumanalysator med en oppløsning som er bedre enn den frie spektrale spekter av ECDL. Den grovavstemningsområde kan måles ved å måle strømmen som funksjon av bølgelengden (ved hjelp av en wavemeter, monokromator eller optisk spektralanalysator) samtidig innstiller laseren over sine grenser ved hjelp av gitteret. Modusen hop frie avstemningsområde er vanligvis målt ved hjelp av et scanning Fabry-Perot-hulrom, hvor en modus hop kan bli detektert som en diskontinuerlig sprang i frekvens.

Protocol

En. Component Selection

1. Velg en diode på den aktuelle bølgelengde for atom av interesse. Det er viktig at den valgte diode være enkeltmodus (SM og har tilstrekkelig kraft til anvendelse. An og antirefleks belagte diode er ideelt. Disse dioder ikke vil lase uten tillegg av en ytre hulrom, og de er konstruert spesielt for å Datakortet operasjon. De har betydelig bedre ytelse, spesielt for anvendelser hvor skanner bølgelengden til laseren er viktig. Laserdioden brukes her er angitt i liste over materialer).
   Som i MacAdam et al. ^Tre, må Datakortet være utformet for å passe tett diode og en kollimeringslinse. Termisk kontakt mekanisk stabilitet og er viktig for en god drift av laseren. For enkel konstruksjon, og minimal maskinering, har suksessen vært hadde ved hjelp av en diode laser feste med integrert linse tube (List of Materials).
2. Velg en linse til collimate dioden. Dener viktig at den numeriske blenderåpningen være tilsvarende eller større enn den numeriske blenderåpningen til dioden ellers vil det være betydelige tap. De fleste dioder har en høy numerisk apertur (> 0,5) og krever asfæriske linser, hvis avvik vil føre til svært lav tilbakemelding effektivitet. Kontroller at objektivet er anti-refleksjon belagt ved drifts bølgelengde, velge et objektiv med lang brennvidde for å øke størrelsen trålen på rist og et design bølgelengde nær drifts bølgelengde for å redusere avvik. Slå opp liste over materialer for objektivet brukt i demonstrert systemet.
3. Velg passende ekstern rist for laserdiode er frekvensområdet og rist tuning arm sentral vinkel. Bølgelengden til lyset brytes i første orden, Littrow-konfigurasjonen, er gitt ved λ = 2 d sin (θ), hvor d er gitterlinjeavstand, er θ risten innfallsvinkelen og λ denbølgelengde ²¹ (Figur 1B). Det finnes to hovedtyper av diffraksjonsgitteret, holografisk og styrte, og begge kan bli flammet eller ikke. Avhengig av hvilken type rist den diffracted kraft kan variere betydelig. Målet for en holografisk gitter med en diffraksjon virkningsgrad på mellom 20-30%. Se List of Materials for risten som brukes i systemet vist.
4. Bruk den enkleste utformingen håndterlig - kompleksitet betyr ofte ustabilitet. Det finnes et stort antall ECDL design, men det enkleste er Littrow ^3,5,7,22. Les papirene og avgjøre om en stor modus hop frittgående (frekvensområdet over hvilke dioden kan kontinuerlig tune uten plutselig hoppe til en annen frekvens), en svært smal linewidth eller redusert peker variasjon er av størst betydning for søknaden. Få så mye informasjon som mulig før du begynner ECDL design. Ofte risten ECDL er mer enn tilstrekkelig for applikasjoner i atomfysikk.
5. Det er viktig å innse at utførelsen av en Datakortet er sterkest forankret i elektronikken som driver diodestrøm og stabilisering av temperaturen til laseren. Uten et godt sett med elektronikk mekanisk design vil under-utføre. Inkludert er en sammenligning av ulike strøm-og temperaturregulatorer i tabell 1. Jo lavere den aktuelle støy, desto bedre vil laseren utføre ^23.

2. Assembly

1. I forbindelse med denne utredningen utgangspunkt for ECDL forsamlingen vil være en komplett ECDL mekanisk system montert på en termoelektrisk kjøler (TEC) uten frekvensen velge komponenter (dvs. rist og laser diode).
2. Begynn med å plassere laserdiode i sin respektive festehull og fest den med sin monteringsring. Vær forsiktig så du ikke over-moment monteringsringen. Det bør være tettsittende, men ikke stramt.
3. Før du kobler laser diode til strømtilførselen, check diode spesifikasjonsarket for anode, katode og jord pin oppdrag. Dette varierer fra diode til diode og la strømmen gjennom dioden bakover vil ødelegge det.
   1. Laserdioder er lav spenning enheter, typisk 5-10 V maks, og omsorg må tas for å sikre at ingen statisk slippes til dem. Det er god praksis å bruke en jordingsstropp ved håndtering av dioder og installere en beskyttelse krets (f.eks figur 2) på tvers av laser diode pins for å hindre høye spenninger. Dioden kan og bakken nålene må være permanent jordet, og bruk av tynne tråder kan hjelpe til å redusere kopling av mekaniske vibrasjoner.
4. Angi maksimums-og minimumstemperaturer og maksimums diode og TEC dagens begrensninger på diode-kontrolleren i henhold til verdiene i dioden spesifikasjonsarket. Hvis den minste driftstemperaturen er under duggpunktet for laboratoriet deretter bruke en minimumstemperatur på ~ 2 ° C above duggpunkt. Dette vil unngå kondens.
5. Dioden blad har vanligvis en bølgelengde kontra temperatur figuren ved en gitt diode strøm. Bruk denne figuren som en referanse til utgangspunktet satt diode temperatur (og strøm) som møter bølgelengden av interesse. Ved en temperatur vs bølgelengde graf er utilgjengelig justere den innstilte temperaturen til romtemperatur.
6. Drei temperaturkontrolleren på og la temperaturen stabilisere seg.
7. Slå PÅ diode og slå den nåværende opp slik at utgangs strålen kan observeres tydelig med en visning kort. Bruke en IR-kort for å se bjelken.
8. Sett asfærisk kollimeringslinse og collimate laserdioden ved å justere avstanden mellom dioden og linsen. For å sikre god kollimering sørge for at strålen har en klar bane, helst> 3 m, og justere linseposisjonen til diameteren stråle rett etter Datakortet, og i enden av strålebanen er den samme, være sikker på å kontrollere at bjelken is ikke å fokusere på noe punkt langs stien.
9. Kontroller polarisasjonen fra diodelaser er i det ønskede plan for diffraksjonsgitteret (S, P). I de fleste tilfeller polarisering av dioden er langs den korte akse for den elliptiske form trålen, men det er god praksis å kontrollere polarisasjonen akse ved hjelp av en polariserende strålesplitter.
   1. Hvis strålen akse ikke er i det ønskede plan, løsne diode monteringsringen og roter diode inntil den riktige orientering er oppnådd. Noen ECDL utførelser tillater at dette skal gjøres med laseren på og koblet til strømkilden og andre ikke. Hvis de nåværende ledningene må fjernes for å rotere diode, slå av strømtilførselen på kontrollboksen og fjerne ledningene. Den ECDL temperaturkontroll kan forbli på i løpet av denne prosessen. Husk å alltid bruke en jordingsstropp når du håndterer diode.
   2. Hvis det var nødvendig å omplassere diode gjenta forrige trinn for å recollimate dioden.
10. Den diffraksjon planet for gitteret blir vanligvis merket av produsenten med en pil vinkelrett på gitterlinjer og i retning av den blinkede refleksjon. Dobbelt kontrollere dette ved å observere refleksjon fra en bred-bånds-lyskilde, slik som en lyspære, som en funksjon av vinkel.
    1. Hvis gitteret er holdt med pilen peker tilbake mot observatøren, og en bredbåndet lyskilde over hodet, vil det reflekterte lys fargeforandring som funksjon av gitter vinkel.
    2. Monter risten slik at pilen peker tilbake mot diode og dermed justere risten vinkelen varierer bølgelengden reflekteres tilbake til dioden (figur 1A og 1B).
11. Når grating orientering har blitt bekreftet lim risten på ECDL tuning arm ved hjelp av rask innstilling lim som Loctite.

Tre. Tilbakemelding Alignment

1. Plasser en visning kort justert til ECDL produksjonen væream. Dette vil bli brukt for å overvåke lasereffekten som justeringer er gjort til det pekende i den diffrakterte strålen. En kraftmåler kan også brukes, men er tregere i sitt svar.
2. Juster sett strøm på diode kontrollboksen til like under terskelen gjeldende for reflekterende foran fasett dioder og 1/3 av maksimal aktuelle for AR belagt diode gain chips. Refleks foran fasett dioder vil ha en terskel strøm på sine spesifikasjon eller datablader mens AR belagt gain chips ikke.
3. Juster vinkelen av risten armen både horisontalt og vertikalt, for å styre diffraktert stråle tilbake inn i den diode, effektivt gjør et eksternt tilbakemelding hulrom. Når strålen er rettet inn i laserdioden vil det være en betydelig økning i utgangseffekten, observeres som en markert økning eller lys blinker på et visningskort eller en dramatisk økning av strømmen når den måles ved hjelp av en kraftmåler eller fotodiode.
   1. En visning kort er ikke en veldig kvantitativt mål of strømmen slik at det kan være nødvendig å gradvis senke laserdiodestrøm, og justere tilbake strålen før den ovennevnte atferd kan sees på et lavest mulig strøm.
   2. Justere collimation fokuset eller aksial posisjon til å optimalisere fokus på diode fasett kan ytterligere senke terskelen og øke utgangseffekt etter som det vil være nødvendig å reoptimize gittervinkel horisontalt og vertikalt.

4. Initial Frequency Selection

1. For den innledende frekvens justering av laseren en absolutt måling av bølgelengden med en presisjon på <1 nm og helst <0,1 nm er ideelt. Denne grove frekvensmåling vil gjøre det mye lettere å justere laser frekvens på en atom overgang i et senere trinn. Det finnes mange alternativer, inkludert å bruke en wavemeter, en optisk spektrum analysator, spektrometer, eller en monochromator med et kamera. Sørg for at en kalibrert nøyaktig enhet brukes eller sjekke sin calibration for eksempel ved hjelp av en HeNe-laser. Alternativt kan det grove frekvensjustering oppnås vanligvis ved å gå risten vinkel og strøm mens laseren er scanning inntil en absorpsjon eller fluorescens-signal fra en dampreferansecelle kan sees.
   1. Vanligvis en sekundærbjelke plukket av fra hovedfeltet, ved hjelp av et glass kile prisme eller λ / 2 waveplate og polariserende beam splitter, vil bli brukt som en inngang for wavemeter. Dette optikk oppsettet er sett i figur 1D. Slå opp liste over materialer for materialer som brukes i denne demonstrasjonen.
2. Juster Datakortet til den ønskede utgangsbølgelengde oppnås. Dioden drivstrøm, temperatur, rist vinkel og ytre hulrom lengde vil alle påvirke laserfrekvensen ²⁴ (figur 3).
   1. Begynn med å justere gitter vinkel, enten for hånd eller ved hjelp av piezo. Dernest justere diode gjeldende.
   2. Hvis ønsket frequeNCY skal den blå av risten sveipeområde, bør diode temperaturen senkes og omvendt hvis den ønskede bølgelengden er til rødt.

5. Fin Frekvens Justeringer og Frequency Locking

1. Sett opp mettet absorpsjon spektroskopi på ECDL-utgang med konfigurasjonen i figur 1F ^3,14,17. Bruken av en optisk isolator umiddelbart etter at laseren er vesentlig (figur 1C). Det er viktig å unngå refleksjoner tilbake inn i laseren, noe som kan føre til ustabilitet. Mettet absorpsjon-spektroskopi ved bruk av en referansecelle, som inneholder atom av interesse er en enkel måte å låse en laser til en smal atom overgang ^25..
   1. Sikre referansecellen er i en vinkel for å unngå refleksjoner tilbake, og at speilet retro reflekterer strålen tilbake gjennom dampcelle med maksimal overlapping. Den doble pass overført makt kan overvåkes ved hjelp av fotodiode som ECDL bølgelengde skannes.
2. De diodestyringer vil ha en innebygget i skannefunksjon som skanner den bølgelengde ved å justere gitter piezo spenningen og dermed ristvinkelen og ytre hulrom lengde eller ved å modulere diodestrømmen. Bredden, skanne offset og laser temperatur og strøm bør justeres inntil en absorpsjon signal kan sees på et omfang som er koblet til fotodetektor. Når laseren avsøker over atom overgangs det skal være mulig å se laserstrålens bane i dampcellen fluoresce eller blinke med det blotte øye eller gjennom en IR-seer.
3. Kraften pr arealenhet i referansestråle for mettet absorpsjonsspektroskopi må være lik eller høyere enn metningsintensiteten for atom overgang. Bruk λ / 2 bølge-plate før den polariserende strålesplitteren for å øke kraften inntil en klar absorpsjon signal kan sees. Beregninger av metnings intensiteter kan bli funnet i Foot ^16.
4. Med laser scanning over 780 nm Rb atom overgang bør bred Doppler utvidet absorpsjon signal sees, ~ 5 GHz bredde, med flere skarpe overganger ~ 10 MHz brent i foten ¹⁶ (fig. 4). Minimalisering av strømmen som brukes for å generere den mettede absorpsjon signalet er nødvendig for å redusere strøm utvidelse og produsere en skarpere funksjon for å låse til.
5. For å kunne låse Datakortet frekvens, blir et feilsignal er nødvendig. Ved å plassere spolene rundt referansecelle som vist i figur 5 ¹⁰ og oscillerende magnetfeltet, blir Zeeman nivåer og således frekvensen av den modulerte overganger. I dette tilfellet vil strømmen som går gjennom den Zeeman spoler er modulert på rundt 250 kHz med en styrke på ~ 1 G.
6. Bland absorpsjon signalet fra den mettede absorpsjonen fotodetektor med modulasjonssignalet fra funksjonsgeneratoren. Når utgangssignalet fra blanderen er vist i et omfang bør det være et feilsignal SIMilar til figur 4.. Størrelsen av feilsignalet vil være avhengig av den relative fase mellom de to ulike retninger. Drei λ / 4 strålesplitter før dampcellen for å justere fasen.
7. Gradvis redusere frekvensområde og justere forskyvningene å sentrere scan over overgangen av interesse med noen andre overganger stede.
8. En proporsjonal-integral-derivat (PID) krets (se for eksempel MacAdam et al. ³⁾ kan da benyttes for å låse Datakortet bølgelengde ved hjelp av feilsignalet. PID-forsterkningen bør reduseres til under det punkt hvor ringing observeres ved å se etter tilstedeværelsen av modulasjon i feilsignalet (for eksempel ved hjelp av en spektrumanalysator eller Fourier transform av feilsignalet trace).

6. Linewidth Måling

1. For å oppnå en nøyaktig måling linje bredde er det nødvendig å ha enten en kjent smal linje bredde kilde (en annen laser med linewidth betydelig mindre enn Datakortet), to av de samme ECDLs eller en forsinkelseslinje lang sammenlignet med den koherente lengden av Datakortet. Her to ECDLs vil bli forstyrret å måle linewidth. Alternativt kan det være lettere å låse til en resonans som produseres av en atom-overgang eller et Fabry-Perot-hulrommet og passer til støy over båndbredden av låsesløyfen.
2. Lås de to lasere til ulike hyperfine overganger, helst rundt 100 MHz offset. Dette vil minimere virkningen av elektronisk støy.
3. Mode, makt og polarisering matche de to bjelker og forstyrre dem sammen ved hjelp av en 50/50, nonpolarizing strålesplitter. Juster den resulterende trålen på en fotodetektor. Den signal-utgangen på fotodetektoren bør være en sinusbølge med en frekvens av de to laserfrekvensforskyvning. Det kan være nødvendig å dempe eller uskarp den resulterende strålen slik at den ikke skades eller mette fotodioden.
   1. Overlappingen av de to stråler som slår vil bestemme frynse fortsrast som vises på et omfang under linewidth måling. Hvis frynse kontrast er dårlig, bruke ekstra tid på å forbedre modustilpasning og overlapping av strålene på stråledeleren og detektor. En god metode er å overlappe de to bjelker med to iris ', eller pin hull, atskilt med en relativt stor avstand, ~ 1 m.
4. Det vil være vanskelig å løse på frekvensvariasjoner på et omfang. For den beste målingen bruke en spektrum analysator, som vil gi en Voigt profil sentrert på beat frekvens med en linewidth Δ f, lik den konvolvert laser linje bredde (figur 6). Til en god tilnærming sporingen kan være egnet til en Gaussian og linewidth hentet fra passform. Den målte støy eller linje bredde vil avhenge av ervervet eller integrasjonstiden, som kan innstilles ved å justere båndbredden oppløsningen på spektrum analysator. Av denne grunn er det viktig å sitere integreringstiden når sitere measured linewidth.

Representative Results

Det er fem hovedtrinn involvert i å samkjøre, frekvenslåsing og karakteriserer linewidth av ECDL. Disse er: å få tilbakemeldinger fra gitteret og bruke denne til å angi grov ECDL frekvens måles på en wavemeter, observere laser absorpsjon i referansecelle, ser på atom overgang med en oppløsning rundt den naturlige linewidth i en mettet absorpsjonsspektroskopi oppsett, opparbeidelse av en feil signal rundt den ønskede overgangen og låsing til det, og til slutt observere beat notat av to lasere og måle laser linewidth. Trinn en er fullført, ganske trivielt når bølgelengden som leser på wavemeter tilsvarer atom overgang av interesse. Ved forsøk på å oppnå absorpsjon i referansecellen, kan florescence sees langs strålebanen i cellen med en IR-seer når overgangen er truffet. Hvis ECDL skanner cellen vil blinke. En mettet absorpsjon signal kan være vanskelig å få øye på Whe n første samkjøre fordi overføringslinjer kan være svært liten i forhold til Doppler absorpsjonstopp. Når topper, tilsvarende de som er vist i figur 4, kan sees, er den mettede absorpsjon systemet fungerer riktig. Ved å justere fase-og skanningsparametre et feilsignal lik den som er vist i figur 4 skal opp-nås. For å måle Datakortet linje bredde er det nødvendig å skaffe et svevningssignal mellom to bjelker. Som bjelkene blir mer og mer overlappes en sinuskurve vil begynne å dukke opp, som sett på et omfang fra en fotodetektor. Hold samkjøre inntil kontrasten mellom nodene og anti-noder er størst. Når det svevningssignal blir deretter ført gjennom en elektronisk spektralanalysator et signal tilsvarende figur 6 bør bli sett. Laseren linje bredde kan måles fra dette signal. Den komplette optikk oppsett kan sees i figur 1.

"Figur 1" fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" />
.. Figur 1 Komplett optikk setup Dette er et eksempel på en komplett optikk oppsett for ECDL system diskutert A:. Denne viser Littrow konfigurasjon av en ECDL. En prosentandel, typisk 20-30%, av strålen som faller inn på gitteret blir diffraktert tilbake inn i dioden. Den diffraksjon vinkel og refleksjonsvinkelen er like. Risten er montert til en annen innstillingstrinn som anvender et piezo til å styre gitteret vinkel B:. Utgangsstrålen fra laserdioden er innfallende på gitteret med en vinkel θ med 0. orden reflekteres fra, og den ^1. orden diffraksjon blir sendt tilbake langs hendelsen strålebanen. Bølgelengden til diffraktert lys er gitt ved λ = 2 d sin (θ) i Littrow konfigurasjon C:. Position, og retningen på den optiske erolator å redusere uønsket tilbakemelding til laserdioden D:. utgangsstrålen fra laseren boksen passerer gjennom en λ / 2 waveplate og PBS, og er justert til wavemeter. Kraften i de reflekterte og overførte bjelker kan justeres ved å rotere waveplate E:. Beam linje brukt til eksperimentet. Denne linjen vil inneholde mesteparten av laseren kraft F:. Passere en referansestråle ved eller over metningsintensiteten gjennom en PBS, λ / 4 waveplate, referansegasscelle, og retro reflektere den tilbake mot PBS. Det er viktig at de to stråler er også overlappes for å få riktig metning spektroskopi. Den waveplate vil sikre polarisering av lys på retro reflekterte strålen vil bli rotert 90 ° fra hendelsen strålen slik at det å gå ut av motsatt port av strålen splitter. Klikk her for å se større image.

Figur 2. Laserdiod beskyttelseskretsen. Eksempel beskyttelseskrets for laserdioden strøm. R1 og C 1 danner en grunnleggende RC-krets og vil filtrere ut høy-frekvens støy. D-1 og D-2 er henholdsvis Schottky og Zenerdioder. Den Schottky-diode som har en rask responstid, er på plass for å beskytte mot omvendte spenninger, og Zener-diode, som har en langsommere reaksjonstid, er utformet for å tillate strøm å passere hvis over laserdioder maksimale driftsspenning, og dermed unngå skade for laserdioden. Typiske verdier for komponentene vil være R 1 = 1 Ω, C 1 = 1 mF, D 1 = 30 V, D 2 = 6 V. Verdiene valgt for R1 og C1 vil begrense den aktuelle modulasjon båndbredden av dioden. Dette kan være mindre ennideelt hvis et feilsignal blir produsert via strømmodulering i stedet for Zeeman module diskutert.

. Figur 3 Konkurrerende moduser i en ECDL. GRØNT:. Linjebredde på rist diffraksjon orden ≈ 50 GHz avhengig av rist Red solid: Den interne hulrom modus av en laser diode med en linjebredde ≈ 10 MHz og gratis spektralområdet ≈ 80 GHz . Rød strek: Den interne hulrom av en anti-refleksjon belagt diode. Disse diodene vil ha et linjebredde i nm rekkevidde Blå:. Eksterne hulrom moduser med en linjebredde på ≈ 500 kHz og en gratis spektralområde ≈ 5 GHz. Fra en 3 cm lang ytre hulrom. Justere grating vinkel vil skifte sentrum av den grønne kurven og si multaneously endre det ytre hulrom lengde i sin tur forskyve blå kurven også. Justering av diodestrømmen og temperaturen vil forskyve de røde kurver.

.. Figur 4. Mettet absorpsjon spektroskopi og tilsvarende feil signal For Rubidium 87 Nedre Curve:. Mettet absorpsjonstopper på mye bredere Doppler absorpsjonstopp dannet fra Doppler gratis spektroskopi. Øvre kurve: Feil-signalet for den korresponderende mettede absorpsjon system. Etikettene ovenfor feilsignalet svarer til den atom overgangen (F → F ').

jpg "/>

Figur 5. Zeeman Coil. Coil pakket rundt en rubidium damp celle som brukes i Zeeman modulasjon.

Figur 6. Laser linewidth. Signal kjøpt fra en spektrum analysator på valdet notatet dannet av to lignende lasere. Fra figuren, har takten en frekvens på 206,24 MHz og en linje bredde på 0,3 MHz med en integrasjonstid på 20 msek.

</ Tr>

Omløps Controls	Range	Støy
Thor Labs:
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)
DCC 110/500	0-500 mA	1 μA RMS (5 Hz-1 MHz)
Temperaturregulator
Thor Labs:
TED200C	-45 Til 145 ° C	± 2 mK
Moglabs:
DLC-202	-40 Til 50 ° C	± 5 mK
DLC-252	-40 Til 50 ° C	± 5 mK
DLC-502	-40 Til 50 ° C	± 5 mK
Stanford Research Systems:
LDC500	-55 Til 150 ° C	± 2 mK
LDC501	-55 Til 150 ° C	± 2 mK
Toptica:
DTC 110	0-50 ° C	± 2 mK

Tabell 1. Diode Nåværende og temperaturkontrollere. Ulike selskapenes diode nåværende og temperaturkontrollere med sine serier og støynivå.

Discussion

Publikasjonen viser hvordan man skal bevege seg fra en demontert Datakortet gjennom innretting og frekvenslåsing for å produsere et mål på laser linje bredde. Mekanisk design og utforming av elektronikk som PID servoer, diode drivere og temperaturkontrollere er for spesialisert til å bli diskutert her, men har blitt grundig diskutert i refererte publikasjoner ^1,3,5.

Selv diode ECDL-tallet har blitt et fast innslag i atomfysikk laboratorier, arter og overganger at disse devises kan nå er begrenset. Mye fremgang har blitt gjort i å utvide bølgelengdeområdet fra diode baserte lasere men for tiden mange hull forblir spesielt i UV. Strøm begrensninger i ECDL systemer fortsetter å begrense sine søknader. Bare single modus dioder varierer i kraft fra μWatts til 100 er av mWatts. I tillegg kan koniske forsterkere legges til en Datakortet system for å øke enkelmodus total lasereffektenopp til watt nivå. Ved enkelmodus krefter mye større enn en watt eller andre bølgelengder som er nødvendig for alternative laser arkitekturer er nødvendig. Disse inkluderer fiber lasere ^26, solid state lasere ²⁷ som TiSaph lasere eller de kan stole på ikke-lineær frekvens konvertering prosesser ²⁷ som Raman lasere, fire bølge miksing, sum frekvens generasjon, eller en optisk parametrisk oscillator.

Denne publikasjonen fokuserer på en låsemekanisme som er avhengig av en atomdampen celle. For mange anvendelser i atomfysikk et enkelt glass damp celle, som omtalt her, ikke kan være tilgjengelig, er et slikt tilfelle for arter som Yb. Mange andre teknikker for å skaffe en referanseprøve med en rekke arter har blitt demonstrert for eksempel, varme atom bjelker, utladningslamper, buffergassceller, jod-celler, og sputtering celler.

Denne laseren system design er iboende begrenset til linewidths av ≈ 30 kHz ²8, og vanligvis tettere til 100 kHz. Dersom programmet krever en smalere linewidth andre stabiliseringsteknikker eller alternativ laser design ²⁶ er nødvendig.

Når du arbeider med optiske systemer, er renslighet av største betydning. Det er god praksis når først blir introdusert til og håndtering optikk som hansker for å hindre uhell berøre den optiske overflaten. Dersom en optisk er skrapet det ikke bør benyttes i et lasersystem. I de fleste tilfeller optikk med fingeravtrykk eller støv kan rengjøres med aceton eller trykkluft hhv. Enhver ufullkommenhet i en optisk overflate kan, og vil innføre tap og potensielt støy i systemet. Optikk mounts bør festes til optikk benk til enhver tid, og bør være godt boltet ned en gang på plass.

Når samkjøre optikk som waveplates og polariserende strålespaltere, at ikke lyset er hendelsen nær vinkelrett på den optiske overflaten mens avoiding refleksjoner tilbake i laser. Som hendelsen vinkelen avviker fra 90 ° oppførselen til disse optiske elementer blir lenger og lenger fra ideelt. For å minimere avvik og maksimere numerisk apertur bjelker bør alltid reise gjennom sentrum av linser og være normal til objektivet. I motsetning til dette må en dampcelle plasseres i en liten vinkel til hendelsen stråle for å unngå Etalon effekter. Av denne grunn mange damp cellene er produsert med nonparallel end fasetter.

Lasere som brukes her er klasse 3B. Selv Stray refleksjoner har potensial for øyeskader. Arbeid med lasere av denne typen bør kun utføres av opplært personell som er kjent med farene ved lasere. Laser vernebriller bør brukes til enhver tid. Se aldri direkte ned banen i alle laser for optisk justering og ta særlig forsiktighet for å unngå å generere farlige speil refleksjoner av optiske komponenter. Alltid positivt avslutte strålen linjer USIng en bjelke dump.

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