Konstruktion og karakterisering af eksterne Cavity Diode lasere til Atomic Physics

Summary

Dette er en instruktions-papir til at lede opbygningen og diagnostik af eksterne hulrum diodelasere (ECDLs), herunder valg af komponenter og optisk justering, samt de grundlæggende principper for frekvens henvisning spektroskopi og laser lineWidth målinger til applikationer inden for atomfysik.

Abstract

Siden deres udvikling i slutningen af 1980'erne, billige, har pålidelige eksterne hulrum diodelasere (ECDLs) Erstattet komplekse og dyre traditionelle farvestof og Titanium Sapphire lasere som arbejdshest laser af atomare fysik laboratorier ^1,2. Deres alsidighed og frodig brug i hele atomare fysik i applikationer såsom absorption spektroskopi og laser køling ^1,2 gør det bydende nødvendigt for indkommende studerende til at få et solidt praktisk forståelse af disse lasere. Denne publikation bygger på den skelsættende arbejde Wieman ^3, opdatering komponenter og giver en video tutorial. Opsætningen, frekvens låsning og performance karakterisering af et ECDL vil blive beskrevet. Diskussion af valg af komponenter og korrekt montering af både dioder og riste er de faktorer, der påvirker valg af tilstand i hulrummet, korrekt justering for optimal ekstern feedback, optik setup for grov og fin frekvens følsomme målinger, en kort oversigt over laser locking teknikker, og laser lineWidth målinger er inkluderet.

Introduction

Måling og manipulere den kvantetilstand af atomer er kernen i atomfysik og kræver evne til at løse specifikke overgange mellem atomare elektroniske stater. For eksempel overveje rubidium, en typisk og meget anvendte alkali atom. Her lysets bølgelængde kobling jorden og første ophidset elektronisk tilstand er ~ 780 nm (384 THz) og ophidset tilstand levetid på grund af spontan emission ~ 26 nsec give en absorption liniebredden på 6 MHz ^4. Således er en lyskilde med frekvens stabilitet af mindst den ene del i 108 kræves for at pålideligt håndtere denne overgang.

Før udviklingen af ​​ECDLs, farvestof lasere og Titanium Sapphire lasere typisk blev brugt til atomfysik. Det er store, dyre, komplicerede systemer, der tilbyder optisk forstærkning over en stor båndbredde, og dermed kan afstemmes til at overlappe en atomar overgang. Potentiale til at erstatte disse gain medier med en billig, enkel diodelaser manipuleret with et båndgab matcher den ønskede bølgelængde blev anerkendt i begyndelsen af 1980'erne ^1,2. Enkel, let at bygge designs, der opnår 100 kHz linewidths var godt forstået og fælles sted ved begyndelsen af 1990'erne ^3,5,6. Mange forskellige konfigurationer og designs er blevet påvist, hver med fordele og ulemper. Nok den mest almindelige konfigurationer er Littrow ^3,5,7,8 og Littman 9 konfigurationer. Denne diskussion fokuserer på den enkleste, det Littrow konfigurationen vist i figur 1A.

En række tuning mekanismer samtidigt anvendes til at opnå en høj præcision i laser frekvens. Det første er en diode påkrævet med et båndgab producerer tilstrækkelig gevinst ved den ønskede bølgelængde på et opnåeligt driftstemperatur. Den typiske laserdiode vil have gevinst over flere nanometer (THz). For det andet, en reflekterende diffraktionsgitter er vinkel tunet til at give optisk feedback i dioden på det ønskedebølgelængde. Afhængigt af gitteret dioden anvendes fokuseringslinsen og deres tilpasning, vil gitteret vælge et frekvensområde på typisk 50-100 GHz. Laseren vil svinge ved en bølgelængde resonant med det eksterne laser hulrum (mellem dioden bageste facet og risten). Tuning denne kavitetslængde over en bølgelængde tillader laseren skal indstilles over et frit spektralt område (c / (2 L)) omkring risten gain peak hvor c er lysets hastighed, og L er kavitetslængden, typisk 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Når to hulrum tilstande er en lignende bølgelængde fra toppen rist tilbagemeldinger bølgelængde laseren kan løbe multimode. Da den oscillerende hulrum tilstand er yderligere tunet fra gevinsten højdepunkt end sine nabolande tilstand vil laseren tilstanden hop begrænser tuning rækkevidde. Opførslen af hulrummet tilstande med hensyn til gitteret tilstand kan ses i figur 3. Tilstanden hop fri tuning række er en vigtig metrisk en ECDL. Ved samtidig tuning gitteret vinkel og kavitetslængde er det muligt kontinuerligt at tune tværs af mange frie spektralområder uden tilstand humle, gør lokalisering og låsning til spektrale træk meget lettere ^8. Elektronisk tuning af den optiske vejlængde for kaviteten til låsning kan opnås ved en kombination af tuning gitteret vinkel / position ved hjælp af en piezo-aktuator (fig. 1A) (scanning båndbredde ~ 1 kHz) og tuning diodestrømmen som primært modulerer refraktive indeks af diode (scanning båndbredde ≥ 100 kHz). Brug laserdioder snarere end antireflekterende (AR) overtrukne gain chips til forstærkningsmediet tilføjer yderligere komplikation tilføje laserdioden indre hulrum reaktion, som kan have en typisk fri spektralområde 100-200 GHz. I dette tilfælde hulrummet skal temperaturen indstillet til at matche svaret fra gitteret. Ved hjælp af en laser diode snarere end en AR belagt gevinst chip vil dramatisk reducere tilstanden hop gratis tindstillingsmenu rækkevidde, medmindre der er et middel til synkront tune dioden strøm eller temperatur. Endelig, for at opnå en linewidth bedre end 100 kHz omhyggelig opmærksomhed skal rettes mod at fjerne andre støjkilder. Det kræver omhyggelig mekanisk design af holderne for at minimere akustisk vibration, mK niveau temperatur stabilisering, RMS nuværende stabilitet diode på ≤ 30 nA niveau og omhyggelig tuning af gevinsten af al låsning sløjfer ^10. At vælge den rette elektronik til ansøgningen er lige så vigtig som laser og optik design. En liste over diode controllere og specifikationer kan findes i tabel 1.

Når stabil strålende er opnået, det næste krav er at låse laser frekvens til en reference som en atomar overgang, en optisk hulrum eller en anden laser. Dette fjerner virkningerne af langsomme vildfarelser såsom små temperaturudsving, hovedsagelig fjerne støj for frekvenser medi båndbredden af ​​låse sløjfen. Der er et utal af låse teknikker, der er blevet udviklet for at opnå et fejlsignal, hver især egner sig til et bestemt referencesystem. Et fejlsignal for fase låsning to lasere, kan opnås ved blanding af de to lasere på en stråledeler. Pound-Drever hal ¹¹ eller tilt-lås ¹² kan bruges til at låse til et hulrum. For at låse til en atomabsorptionsteknik linje DAVLL ¹³ eller mættet absorptionsspektroskopi ^3,14 i kombination med nuværende graduering ^10, Zeeman modulation ^10, eller tilt-lås ¹⁵ kan anvendes.

Låsning af en ECDL en rubidium overgangen, Zeeman modulering af mættet absorption i en damp celle vil her blive beskrevet. Hvis en lav intensitet stråle passerer gennem en rubidiumdamp celle ved stuetemperatur, og frekvensen er indstillet i nærheden af ​​780 nm atomare overgang en række Doppler udvidet dæmpningsegenskaber ~ 500 MHz bredvil blive observeret i stedet for 6 MHz bred naturlige liniebredde (beregningerne for fysiske og Doppler linewidths kan findes i foden ^16). Men hvis denne stråle retro reflekteret, vil den anden pass har mindre absorption på resonans som atomer med et nul langsgående hastighed er allerede blevet delvist ophidset ved første passage ^17. Andre frekvenser vil blive absorberet af forskellige velocity befolkninger på hver passage, og derfor absorption vil ikke blive mættet. På denne måde en tilsyneladende transmission funktion oven på Doppler udvidet absorption ved overgange med en bredde om den naturlige liniebredde kan opnås. Dette giver en skarp frekvens henvisning absolut at låse til. Hyppigheden af ​​den atomare overgang kan moduleres ved hjælp af Zeeman effekt ved dithering størrelsen af ​​et magnetfelt i cellereferencen. En passende homogent magnetisk felt kan frembringes ved hjælp af en magnetventil opsætning, som vist i fig. 5. Elektronisk blandingden modulerede bølgeform med mættet absorption transmissionen genererer et fejlsignal, der kan anvendes til at justere diode strøm og integreres for at justere piezo spænding. Således kan laseren låses til overgangen uden at modulere laseren frekvens.

Linewidth af en ECDL måles almindeligvis ved at blande to frekvenser låste lasere af samme type på en stråledeler ^18. Stødfrekvensen mellem laserne måles derefter ved hjælp af en hurtig fotodiode og en RF-spektralanalysator. Støjspektret uden låsning loop båndbredde derefter monteret på en Voigt (foldning af en Gauss og Lorentzian) profil. Støjen fra de forskellige lasere tilføje i kvadratur. I tilfælde af to ligeværdige lasere dette giver en monteret liniebredde af √ (2) gange den enkelt laser liniebredden. Hvis en laser er tilgængelig med en kendt linewidth betydeligt mindre end forventet fra ECDL og det er inden for tuning række af ECDL, så der kan anvendes i stedet. En anden almindeligt anvendt metode til måling af liniebredde er forsinket selv homodyn teknik ^19,20 hvor en del af strålen er sendt langs en ​​optisk forsinkelseslinie såsom en fiber og derefter blandet på en stråledeler med laseren. Denne teknik er baseret på forsinkelsen er længere end kohærenslængden af ​​laseren under målingen. Dette virker godt for støjende lasere, men for en 100 kHz liniebredde laser kohærenslængden omkring 3 km, som begynder at blive upraktisk. Alternativt kan en atomar overgang i en mættet absorption celle eller et Fabry-Perot hulrum bruges til at give en frekvens reference for laser linewidth måling. I dette system laser frekvens bliver nødt til at sidde på en lineær del af ether en mættet absorption eller Fabry-Perot resonans snarere end lov til at scanne i frekvens. Ved at måle signal-støj på en fotodiode og kende resonans liniebredde kan frekvensen støj findes. Den nedre grænse for den linewidth måling er derefter begrænset af hældningen af ​​transmissionen resonans.

Tilstedeværelsen af ​​højere orden lasermediet tilstande kan kontrolleres for ved at se på intensitet støj på frekvensen af ​​den frie spektrale område ved hjælp af en RF spektrum analysator eller ved hjælp af en scanning Fabry-Perot eller et optisk spektrum analysator med en opløsning bedre end den frie spektrale vifte af ECDL. Den grove tuning område kan måles ved at måle strømmen som funktion af bølgelængden (ved hjælp af en wavemeter, monokromator eller optisk spektrum analysator), mens tuning laseren over sine grænser ved hjælp af gitteret. Tilstanden hop fri tuning serien er generelt målt ved hjælp af en scanning Fabry-Perot hulrum, hvor en tilstand hop kan påvises som en diskontinuert spring i frekvens.

Protocol

1.. Component Selection

1. Vælg en diode på den passende bølgelængde for atom af interesse. Det er afgørende, at den valgte diode være single-mode (sm og har tilstrækkelig strøm til ansøgningen. En anti-refleksbehandlet diode er ideel. Disse dioder vil ikke lase uden tilsætning af en ekstern hulrum, og de er designet specifikt til ECDL operation. De har betydeligt bedre ydeevne, især til anvendelser, hvor scanning af laserens bølgelængde er vigtig. Laserdioden her anvendes, er anført i liste over materialer).
   Som i MacAdam et al. ³ skal ECDL være udformet til stramt at passe diode og en kollimatorlinse. Mekanisk stabilitet og termisk kontakt er afgørende for en god drift af laseren. For at lette konstruktion og minimal bearbejdning, er det lykkedes havde ved hjælp af en diode laser mount med integreret objektiv rør (liste over materialer).
2. Vælg en linse til at kollimere diode. Deter vigtigt, at den numeriske apertur være sammenlignelig med eller større end den numeriske apertur af dioden ellers vil der være betydelige tab. De fleste dioder har en høj numerisk blænde (> 0,5) og kræver asfæriske linser, ellers afvigelser vil resultere i meget lave tilbagemelding effektivitet. Sørg for, at linsen er antirefleksbehandlede på drifts bølgelængde, skal du vælge en linse med en lang brændvidde at øge strålen størrelse på risten og et design bølgelængde nær driftsbølgelængden at reducere aberration. Se liste over materialer til linsen anvendes i demonstreret system.
3. Vælg den rigtige eksterne rist for laserdiode frekvensområde og risten tuning arm central vinkel. Lysets bølgelængde diffrakteret ind i den første ordre, Littrow konfiguration, er givet ved λ = 2 d sin (θ), hvor d er rist linjeafstand, θ er rivning indfaldsvinkel og λ denbølgelængde ²¹ (figur 1B). Der er to hovedtyper af diffraktionsgitter, holografiske og regeret, og begge kan være blazed eller ej. Afhængigt af typen af ​​rivning den afbøjede strøm kan variere betydeligt. Sigt efter et holografisk gitter med en diffraktionseffektiviteten på mellem 20-30%. Se liste over materialer til gitteret, der anvendes i den påviste system.
4. Brug den enkleste design håndterbare - kompleksitet betyder ofte ustabilitet. Der er et utal af ECDL design, men det enkleste er Littrow ^3,5,7,22. Læs papirerne og beslutte, om en stor tilstand hop fritgående (frekvensområdet, over hvilket dioden kan løbende tune uden pludselig at hoppe til en anden frekvens), en meget smal liniebredde eller nedsat peger variation er af største betydning for ansøgningen. Indhente så mange oplysninger som muligt, før du begynder ECDL design. Ofte rist ECDL er mere end tilstrækkeligt til applikationer i atomfysik.
5. Det er vigtigt at indse, at udførelsen af ​​en ECDL er stærkest forankret i elektronikken, der driver dioden aktuelle og stabilisere temperaturen af ​​laseren. Uden et godt sæt af elektronik den mekaniske konstruktion, vil under-udføre. Inkluderet er en sammenligning af forskellige nuværende og temperaturregulatorer i tabel 1. Jo lavere den nuværende støj, bedre laseren vil udføre ^23.

2.. Assembly

1. Ved anvendelsen af dette papir er udgangspunktet for ECDL samling vil være en komplet ECDL mekanisk system monteret på en termoelektrisk køler (TEC) uden frekvensen vælge komponenter (dvs. rivning og laser diode).
2. Begynd ved at placere laserdiode i deres respektive monteringshul, og fastgør den ved hjælp af dens montering ring. Vær forsigtig med ikke at over-moment monteringsringen. Det bør være lun, men ikke stramt.
3. Før du tilslutter laserdiode til den nuværende forsyning, check dioden specifikationen for anode, katode og jord pin opgaver. Dette varierer fra diode til diode og sætte strøm gennem dioden baglæns vil ødelægge det.
   1. Laserdioder er lav spænding enheder, typisk 5-10 V maksimum, og der skal drages omsorg for at sikre, at ingen statisk udledes til dem. Det er god praksis at bære en grundstødning rem, når du håndterer dioder og installere en beskyttelse kredsløb (fx figur 2) på tværs af laser diode ben for at forhindre høje spændinger. Dioden kan og pløkker skal være permanent jordet og brugen af ​​tynde tråde kan hjælpe til at reducere koblingen af ​​mekaniske vibrationer.
4. Indstil maksimum og minimum temperaturer og de maksimale diode og TEC nuværende grænser for diode controller i henhold til værdierne i diode specifikation ark. Hvis den minimale driftstemperatur er under dugpunktet for laboratoriet derefter bruge en minimumstemperatur på ~ 2 ° C ABOve dugpunktet. Dette vil undgå kondens.
5. Dioden specifikation ark har normalt en bølgelængde vs temperatur figur ved en given diode strøm. Brug dette tal som en henvisning til første omgang at indstille diode temperatur (og nuværende) til at matche bølgelængden af ​​interesse. Hvis en temperatur vs bølgelængde grafen er tilgængelig justere den indstillede temperatur til stuetemperatur.
6. Drej temperaturregulatoren, og tillader temperaturen at stabilisere sig.
7. Tænd diode og drej strøm op, således at produktionen stråle klart kan observeres med et betalingskort. Bruge en IR-kort for at se strålen.
8. Sæt asfæriske kollimatorlinse og kollimere laserdiode ved at justere afstanden mellem diode og linsen. For at sikre en god kollimation sørg strålen har en klar vej, ideelt> 3 m, og juster objektivet position, indtil strålen diameter lige efter ECDL og i slutningen af ​​strålegangen er de samme, og sørg for at kontrollere, at strålen is ikke at fokusere på noget punkt langs stien.
9. Kontroller polarisering fra diode-laseren er i den ønskede plan for diffraktionsgitteret (S eller P). I de fleste tilfælde polarisering af dioden er langs den korte akse af den elliptiske stråle form, men er det god praksis at kontrollere polarisering akse ved hjælp af en polariserende stråledeler.
   1. Hvis strålen akse ikke er i den ønskede plan, løsnes diode monteringsringen og drej diode indtil den korrekte orientering er opnået. Nogle ECDL designs tillade dette at ske med laseren på og forbundet til den aktuelle kilde og andre gør ikke. Hvis de nuværende forsyningsledningerne skal fjernes for at rotere diode, slukke for strømforsyningen på kontrolboksen, og fjern ledningerne. ECDL temperaturstyring kan forblive på under denne proces. Husk altid at bære en grundstødning rem, når du håndterer diode.
   2. Hvis det var nødvendigt at omplacere diode gentage det forrige trin til recollimate dioden.
10. Diffraktion plan gitteret sædvanligvis mærket af producenten med en pil vinkelret på gitterlinierne og i retning af den brændte refleksion. Dobbelt kontrollere dette ved at observere refleksionen fra en bredbåndet lyskilde, såsom en pære, som en funktion af vinkel.
    1. Hvis risten holdes med pilen pegende tilbage mod iagttageren og et bredt bånd lyskilde over hovedet, vil det reflekterede lys skifter farve som en funktion af rist vinkel.
    2. Monter risten, så pilen peger tilbage mod diode og dermed tilpasse rist vinkel varierer bølgelængden reflekteres tilbage i diode (figur 1A og 1B).
11. Når risten orientering er blevet bekræftet lim risten på ECDL tuning arm hjælp af hurtig indstilling lim såsom Loctite.

3.. Feedback Justering

1. Placer et betalingskort justeret til ECDL output væream. Dette vil blive anvendt til at overvåge lasereffekten som er foretaget justeringer til peger i diffrakterede stråle. En energimåler kan også bruges, men er langsommere i sit svar.
2. Justér den indstillede strøm på diode styreboks til lige under tærsklen strøm til reflekterende forreste facet dioder og 1/3 Den maksimale strøm for AR coatede diode gain chips. Reflekterende forreste facet dioder vil have en tærskel strøm på deres specifikation eller datablade mens AR belagt gain chips ikke.
3. Juster vinklen af ​​gitteret arm både vandret og lodret, til at styre det brudte stråle tilbage i diode, som reelt gør en ekstern feedback hulrum. Når strålen ledes ind i laserdiode vil der være en betydelig stigning i udgangseffekten, observerbare som en markant stigning eller lyse flash på et betalingskort eller en dramatisk stigning af magt, når den måles ved hjælp af en energimåler eller fotodiode.
   1. En visning kort er ikke en meget kvantitativ måling of strøm, så det kan være nødvendigt at gradvist sænke laserdiode strøm og justere feedback strålen, indtil den ovennævnte adfærd kan ses på det lavest mulige strøm.
   2. Justering af kollimation objektivets fokus eller aksial position for at optimere fokus på dioden facet yderligere kan sænke tærsklen og øge udgangseffekt hvorefter det vil være nødvendigt at optimerer rist vinkel vandret og lodret.

4.. Initial Frequency Selection

1. For den første frekvens justering af laseren en absolut måling af bølgelængde med en nøjagtighed på <1 nm og ideelt <0,1 nm er ideel. Denne frekvens måling grove vil gøre det meget nemmere at tune laseren frekvens på en atomar overgang i et senere trin. Der er mange muligheder, herunder ved hjælp af en wavemeter, et optisk spektrum analysator, spektrometer, eller en monochromator med et kamera. Sørg for, at en kalibreret præcis enhed bruges eller kontrollere sin calibration for eksempel ved hjælp af en HeNe laser. Alternativt kan grovindstilling frekvens normalt opnås ved at gå gitteret vinkel og strøm under laseren scanner indtil en absorption eller fluorescens-signal fra en reference damp celle kan ses.
   1. Generelt en sekundær stråle pillet ned fra fjernlys, ved hjælp af et glas kile prisme eller λ / 2 waveplate og polariserende stråledeler, vil blive brugt som input til wavemeter. Denne optik setup ses i figur 1D. Se liste over materialer til materialer, der anvendes i denne demonstration.
2. Juster ECDL indtil den ønskede udgangsbølgelængde opnås. Dioden drivende strøm, temperatur, rivning vinkel og ekstern kavitetslængde vil alle påvirke laserfrekvensen ²⁴ (fig. 3).
   1. Begynd med at justere gitteret vinkel, enten manuelt eller ved hjælp af piezo. Andet justere diode strøm.
   2. Hvis den ønskede frequeNCY er til den blå af gitteret sweep område bør dioden temperatur nedsættes, og omvendt, hvis den ønskede bølgelængde er til rød.

5. Fin Frequency Justeringer og Locking Frekvens

1. Opsæt mættet absorption spektroskopi på ECDL udgang med konfigurationen i figur 1F ^3,14,17. Anvendelsen af en optisk isolator umiddelbart efter laseren er afgørende (figur 1C). Det er vigtigt at undgå tilbage refleksion i laseren, hvilket kan forårsage ustabilitet. Mættet absorptionsspektroskopi hjælp af en reference celle, der indeholder den atom af interesse er en enkel måde at låse en laser til en smal atomar overgang ^25.
   1. Sørg cellereferencen er på en vinkel for at undgå tilbage refleksioner, og at spejlet retro reflekterer strålen tilbage gennem damp celle med maksimal overlap. Den dobbelte pass sendeeffekt kan overvåges ved hjælp af foto-diode som ECDL bølgelængde er scannet.
2. De fleste diode controllere vil have en indbygget i scanningsfunktion, der vil scanne bølgelængden ved at justere risten piezo spænding og dermed rist vinkel og ekstern hulrum længde eller ved at modulere dioden strøm. Bredden, skanningsoffset og laser temperatur og strøm bør justeres, indtil en absorption signal kan ses på en rækkevidde tilsluttet fotodetektor. Når laseren er at scanne over den atomare overgang bør det være muligt at se laserstrålen sti i damp celle fluorescerer eller blinke med det blotte øje eller gennem en IR-fremviser.
3. Den effekt per arealenhed i referenceperioden stråle til mættet absorption spektroskopi skal være på eller over for den atomare overgang mætning intensitet. Brug λ / 2 bølge plade før den polariserende stråledeler til at øge kraften, indtil en klar absorption signal kan ses. Beregninger af mætning intensiteter kan findes i Foot ^16..
4. Med laser scanning over 780 nm Rb atomare overgang bør en bred Doppler udvidet absorption signal ses ~ 5 GHz bredde med flere skarpe overgange ~ 10 MHz brændt i foden ¹⁶ (fig. 4). Minimering af strøm, der bruges til at generere den mættede absorption signalet er nødvendig for at reducere strømforbruget udvide og producere en skarpere funktion til at låse til.
5. For at låse ECDL frekvens, er der behov for et fejlsignal. Ved at placere spoler omkring reference celle som i figur 5. ¹⁰ og oscillere magnetfeltet, er Zeeman niveauer og dermed hyppigheden af overgangene moduleres. I dette tilfælde den strøm, der passerer gennem Zeeman spoler moduleres på omkring 250 kHz med en størrelse på ~ 1 G.
6. Bland absorptionen signalet fra den mættede absorption fotodetektor med modulationssignalet fra funktionen generator. Når udgangen fra mixeren ses på et omfang bør det være et fejlsignal siMilar til figur 4. Størrelsen af fejlsignalet vil afhænge af den relative fase mellem de to blandede signaler. Drej λ / 4 stråledeler før dampen celle til at justere fasen.
7. Gradvis at nedbringe den scanning rækkevidde og justere forskydningerne at centrere scanning over overgangen af ​​interesse med ingen andre overgange til stede.
8. En proportional-integral-derivat (PID) kredsløb (se for eksempel MacAdam et al. ³⁾ kan derefter bruges til at låse ECDL bølgelængde ved hjælp af fejlsignal. PID forstærkning bør reduceres under det punkt, hvor ringende observeres ved at se for tilstedeværelsen af graduering i fejlsignalet (fx ved hjælp af et spektrum analysator eller Fouriertransformation af fejlsignalet trace).

6.. Linewidth Måling

1. For at nå en nøjagtig linewidth måling er det nødvendigt at have enten et kendt smal liniebredde Kilden (en anden laser med linewidth betydeligt mindre end ECDL), to af de samme ECDLs eller en forsinkelseslinie lang sammenlignet med kohærenslængde ECDL. Her to ECDLs vil blive forstyrret at måle linewidth. Alternativt kan det være lettere at låse til en resonans fremstillet ved en atomar overgang eller en Fabry-Perot hulrummet og pasform til støj over båndbredden af ​​låse sløjfen.
2. Lås de to lasere til forskellige hyperfine overgange, helst omkring 100 MHz offset. Dette vil minimere effekten af ​​elektronisk støj.
3. Mode magt og polarisering matche de to stråler og blande dem sammen ved hjælp af en 50/50, nonpolarizing beam splitter. Juster den resulterende stråle på en fotodetektor. Udgangssignalet på fotodetektoren bør være en sinusbølge med en frekvens på to laserens frekvensforskydning. Det kan være nødvendigt at dæmpe eller defokusere den resulterende stråle, således ikke at beskadige eller mætte fotodiode.
   1. Overlappet af de to slå bjælker vil bestemme frynser contRast som ses på en rækkevidde under linewidth målingen. Hvis frynser kontrast er dårlig, bruge ekstra tid på at forbedre tilstanden matching og overlapning af strålerne på bjælken splitter og detektor. En god metode er at overlappe de to stråler ved hjælp af to Iris ', eller små huller, adskilt af en relativt stor afstand, ~ 1 meter.
4. Det vil være vanskeligt at løse de frekvensudsving på en rækkevidde. For den bedste måling anvender en spektrumanalysator, som vil give et Voigt nu centreret på beat frekvens med en liniebredde Δ f, svarende til foldet laser liniebredde (figur 6). Til en god tilnærmelse spor kan være egnet til en gaussisk og linewidth fås fra pasform. Den målte støj eller linewidth vil afhænge af erhvervelse eller integration tid, som kan indstilles ved at justere opløsningen båndbredde på spektrum analysator. Af denne grund er det vigtigt at citere integration tidspunktet citerer measured linewidth.

Representative Results

Der er 5 vigtigste trin i positioneringen frekvens låsning og karakterisere linewidth af ECDL. Disse er: at opnå feedback fra risten og bruge denne til at indstille den grove ECDL frekvens målt på en wavemeter, observere laser absorption i cellereferencen, ser den atomare overgang med en opløsning omkring den naturlige liniebredde i en mættet absorptionsspektroskopi setup, opnå en fejlsignal omkring den ønskede overgang og låsning til det, og til sidst observere rytmen notat af to lasere og måle laser liniebredden. Trin et er fuldført, temmelig trivielt, når bølgelængden som læst på wavemeter svarer til den atomare overgang af interesse. Når man forsøger at opnå absorption i cellereferencen, kan fluorescens ses langs strålegangen i cellen med en IR-fremviseren, når overgangen er ramt. Hvis ECDL scanner cellen vil blinke. En mættet absorption signalet kan være vanskeligt at få øje whe n først at placere fordi transmissionslinier kan være meget lille i forhold til Doppler absorptionstoppen. Når toppe, der svarer til dem vist i figur 4, kan ses, er mættet absorption systemet fungerer korrekt. Ved at justere parametrene fase-og scan skal der opnås et fejlsignal svarende til den i figur 4 viste. For at måle ECDL liniebredde er det nødvendigt at opnå et beat signal mellem to bjælker. Da strålerne bliver mere og mere overlappede en sinusbølge vil begynde at dukke op, som det ses på en rækkevidde fra en fotodetektor. Hold justeringen indtil kontrasten mellem knudepunkter og buge er størst. Når rytmen signal føres derefter gennem en elektronisk spektrumanalysator et signal svarende til figur 6 skal ses. Kan måles laser liniebredde fra dette signal. Den komplette optik opsætning, kan ses 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. Komplet optik setup Dette er et eksempel på en komplet optik setup for ECDL diskuterede system A:. Dette viser Littrow konfigurationen af en ECDL. En procentdel, typisk 20-30%, af den indfaldende på gitteret afbøjes tilbage i dioden. Diffraktionsvinklen og refleksion vinkel er ens. Gitteret er monteret på en stemmegaffel fase, som anvender en piezo at styre rist vinkel B:. Udgangen stråle fra laserdioden er indfaldende på gitteret ved vinklen θ med 0. orden reflekteres og den ^1. orden diffraktion bliver sendt tilbage langs den indfaldende stråle sti. Bølgelængden af brudte lys er givet ved λ = 2 d sin (θ) i Littrow konfiguration C:. Position og orientering af den optiske erolator at reducere uønskede feedback til laserdiode D:. Udgangen stråle fra laseren feltet passerer gennem en λ / 2 waveplate og PBS og er afstemt til wavemeter. Den effekt i de reflekterede og transmitterede stråler kan justeres ved at dreje waveplate E:. Beam linje bruges til forsøg. Denne linje vil indeholde størstedelen af laser magt F:. Pass en referencestråle på eller over mætning intensitet gennem en PBS, λ / 4 waveplate, henvisning gas celle, og retro reflektere den tilbage på PBS. Det er vigtigt, at de to stråler er godt overlappede få ordentlig mætning spektroskopi. Den waveplate vil sikre polarisering af lys på retro reflekterede stråle vil blive drejet 90 ° fra den indfaldende stråle gør det muligt at afslutte den modsatte port stråledeleren. Klik her for at se større image.

Figur 2.. Laser diode kredsløb beskyttelse. Eksempel beskyttelse kredsløb for laser diode strøm. R1 og C 1 formular en grundlæggende RC kredsløb og vil filtrere højfrekvent støj. D 1 og D 2 er Schottky og zenerdioder hhv. Schottky diode, der har en hurtig responstid, er på plads for at beskytte mod reverse spændinger og Zener diode, der har en langsommere responstid, er designet til at tillade strøm at passere, hvis over laserdioder maksimal driftsspænding og dermed undgå skade på laserdiode. Typiske værdier for komponenter vil være R1 = 1 Ω, C 1 = 1 mF, D 1 = 30 V, D 2 = 6 V. De valgte for R1 og C1-værdier vil begrænse strømmen modulationsbåndbredde af dioden. Dette kan være mindre endideelt, hvis en fejlsignal bliver produceret via strømmodulation stedet for Zeeman modulation diskuteret.

. Figur 3 konkurrerende transportformer i en ECDL Green:.. Linie bredde rist diffraktion orden ≈ 50 GHz afhængigt af risten Red fast: Den indre hulrum tilstand af en laserdiode med en linje bredde ≈ 10 MHz og gratis spektrale område ≈ 80 GHz . Rød streg: Den indre hulrum af en anti-refleksbehandlet diode. Disse dioder vil have en linje bredde i nm Blå:. Eksterne hulrum tilstande med en linje bredde ≈ 500 kHz og en fri spektrale område af ≈ 5 GHz. Fra en 3 cm lang ydre hulrum. Justering gitteret vinkel vil flytte midten af ​​det grønne kurve og si traf samtidig beslutning om at ændre den eksterne kavitetslængde gengæld flytte den blå kurve så godt. Justering af diode strøm og temperatur vil forskyde de røde kurver.

.. Figur 4. Mættet absorption spektroskopi og tilsvarende fejlsignal For Rubidium 87 Nederste kurve:. Mættet absorptionstoppe på meget bredere Doppler absorptionstoppen dannet af Doppler gratis spektroskopi. Øverste kurve: Fejl signal for den tilsvarende mættede absorption system. Etiketterne over fejlsignal svarer til den atomare overgang (F → F ').

jpg "/>

Figur 5. Zeeman Coil. Coil viklet omkring en rubidiumdamp celle, der anvendes i Zeeman graduering.

Figur 6.. Laser linewidth. Signal erhvervet fra et spektrum analysator af rytmen notat dannet af to lignende lasere. Af figuren, rytmen har en frekvens på 206,24 MHz og en linewidth af 0,3 MHz med en integration på 20 msek.

</ Tr>

Aktuelle Controls	Range	Støj
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 microamperemetret (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 microamperemetret RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	<4,5 microamperemetret 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 microamperemetret RMS (5 Hz-1 MHz)
Temperaturregulatorer
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

Tabel 1.. Diode Strøm og temperaturregulatorer. Forskellige selskabers diode nuværende og temperaturregulatorer med deres intervaller og støjniveau.

Discussion

Denne publikation har vist, hvordan man går fra en demonteret ECDL gennem tilpasning og frekvens låsning til at producere en måling af laser liniebredden. Den mekaniske konstruktion og udformningen af elektronik såsom PID servoer, diode chauffører og temperaturregulatorer er for specialiseret til at blive diskuteret her, men er blevet grundigt diskuteret i refererede publikationer ^1,3,5.

Selv diode ECDL er blevet et dagligt syn i atomfysik labs, arter og overgange, at disse anordninger kan nå, er begrænset. Der er gjort store fremskridt i at udvide bølgelængdeområdet fra diode baserede lasere dog i øjeblikket mange huller forbliver især i UV. Power begrænsninger af ECDL systemer fortsætter med at begrænse deres ansøgninger. Bare single-mode dioder spænder i kraft fra μWatts til 100-vis af mWatts. Derudover kan koniske forstærkere føjes til et ECDL system til at øge singlemode samlede lasereffektop til Watt-niveau. Hvis single-mode beføjelser meget større end en watt eller andre bølgelængder er påkrævet alternative laser arkitekturer er påkrævet. Disse omfatter fiberlasere ^26, solid state lasere ²⁷ såsom TiSaph lasere eller de kan stole på ikke-lineær frekvenskonvertering processer ²⁷ såsom Raman lasere, fire bølge blanding, frekvens sum generation, eller en optisk parametrisk oscillator.

Denne publikation fokuserer på en låsemekanisme, der er afhængig af en atom-damp celle. For mange anvendelser i atomfysik en simpel glas damp celle, som diskuteres her, er måske ikke tilgængelige, sådan er tilfældet for arter som Yb. Mange andre teknikker til opnåelse af en referenceprøve med en række arter er blevet demonstreret, såsom varme atomare bjælker, udladningslamper, buffer gasceller, jod-celler og sputtering celler.

Denne laser system design er i sagens natur begrænset til linewidths af ≈ 30 kHz ²8 og typisk tættere til 100 kHz. Hvis programmet kræver et smallere lineWidth andre stabiliserende teknikker eller alternative laser designs ²⁶ er påkrævet.

Når du arbejder med optiske systemer, renlighed er af allerstørste betydning. Det er god praksis, når først at blive introduceret til og håndtering optik, handsker for at undgå utilsigtet rører den optiske overflade. Hvis en optik er ridset det bør ikke anvendes i et lasersystem. I de fleste tilfælde optik med fingeraftryk eller støv kan rengøres med acetone eller trykluft hhv. Enhver ufuldkommenhed i en optisk overflade kan og vil indføre tab og potentielt støj i systemet. Bør fastsættes Optik mounts til optik bænk på alle tidspunkter og skal være fast boltet ned en gang på plads.

Ved positioneringen optik såsom waveplates og polariserende stråledelere sikre lyset er indfaldende nær vinkelret på den optiske overflade mens avoiding refleksioner tilbage til laseren. Da indfaldsvinklen afviger fra 90 ° adfærd disse optiske elementer bliver længere og længere fra ideel. For at minimere aberration og maksimere blændetal bjælker skal altid kun gennem midten af ​​linser og være normal på objektivet. Derimod bør en damp celle anbringes i en lille vinkel til den indfaldende stråle for at undgå Etalon effekter. Af denne grund mange damp celler er fremstillet med ikke-parallelle ende facetter.

De lasere, der anvendes her er klasse 3B. Selv omstrejfende refleksioner har potentiale for øjenskader. Arbejde med lasere af denne type bør kun foretages af uddannet personale, der kender farerne ved lasere. Laser beskyttelsesbriller skal bæres på alle tidspunkter. Kig aldrig direkte i retning af enhver laser til optisk justering og tage særlig omhu for at undgå at skabe farlige spejlende refleksioner off optiske komponenter. Altid positivt opsige stråle linjer USIng en stråle 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