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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Laser Diode (Rubidium, 780nm) |
Roithner | ADL-78901TX | Various wavelengths, powers, case sizes and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier) |
Diffraction Grating (Rubidium, 780nm) |
Newport | 05HG1800-500-1 | Holographic or rullered (Optional blazing) (Thor Labs, Newport) |
Viewing Card | Thor Labs | VRC5 | Infared 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 | Infared viewer |