Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Строительство и характеристика внешнего резонатора диодных лазеров для атомной физики

Published: April 24, 2014 doi: 10.3791/51184
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Quantum Science, The Australian National University

Summary

Это учебное бумаги для руководства строительством и диагностику внешних полости диодных лазеров (ECDLs), в том числе выбора компонентов и оптического выстраивания, а также основам измерений опорной частоты спектроскопии и ширину линии лазера для применения в области атомной физики.

Abstract

С момента своего развития в конце 1980-х, дешевые, надежные внешние полости диодные лазеры (ECDLs) заменили сложной и дорогостоящей традиционной краситель и титана Sapphire лазеры как рабочая лошадка лазера атомной физики лаборатории 1,2. Их универсальность и плодовитый использование всей атомной физики в таких приложениях, как абсорбционной спектроскопии и лазерного охлаждения 1,2 делает необходимым для входящих студентам получить твердое практическое понимание этих лазеров. Эта публикация опирается на плодотворную работу по Wieman 3, обновление компонентов, а также предоставление видео-учебник. Установка, частота замок и производительность характеристика из ECDL будет описано ниже. Обсуждение выбора компонентов и правильной установки обоих диодов и решеток, факторы, влияющие выбор режима внутри полости, собственно выравнивание для оптимальной внешней обратной связи, настройки оптики для чувствительных грубой и точной частоты измерений, краткого обзора лазерного Lockiнг методы и измерения ширину линии лазера включены.

Introduction

Измерение и манипулирования квантовое состояние атомов находится в центре атомной физики и требует умения решать конкретные переходы между атомными электронных состояний. Для примера рассмотрим рубидий, типичный и часто используется щелочного атом. Здесь длина волны света, соединяющего землю и первое возбужденное электронное состояние ~ 780 нм (384 ТГц) и жизни возбужденного состояния в связи с спонтанного излучения ~ 26 нс давая поглощения ширину линии 6 МГц 4. Таким образом, источник света с частотой устойчивости по меньшей мере одной части в 108 требуется, чтобы надежно решать этот переход.

Перед развитие ECDLs, лазеров на красителях и титан Сапфир лазеров, как правило, используется для атомной физики. Это большие, дорогие, сложные системы, которые предлагают оптическое усиление на большой пропускной способности и, следовательно, может быть настроен, чтобы перекрывать атомного перехода. Потенциал заменить эти усиления СМИ с дешевой, простой лазерного диода инженерии Wiй запрещенной согласования нужную длину волны была признана в начале 1980-х годов 1,2. Простой, легкий строить проекты, которые достигают ширины линий 100 кГц были хорошо понятны и общее место в начале 1990-х годов 3,5,6. Многие различные конфигурации и конструкции были продемонстрированы каждый с достоинствами и недостатками. Вероятно, наиболее распространенные конфигурации являются Литтроу 3,5,7,8 и Littman 9 конфигураций. Эта дискуссия сосредоточена на простейших, конфигурации Литтров, показанной на рисунке 1А.

Ряд механизмов настройки используются одновременно для достижения высокой точности при частоте лазера. Во-первых, требуется диод с запрещенной зоны производства достаточного усиления на требуемой длине волны достижимой при рабочей температуре. Типичный лазерный диод будет иметь прирост в течение нескольких нанометров (ТГц). Во-вторых, отражающий дифракционной решетки является угол настроена для обеспечения оптической обратной связи в диода на желаемыйдлина волны. В зависимости от решетки, диод, фокусирующей линзы использованы и их выравнивание, решетка выбирает частотный диапазон обычно 50-100 ГГц. Лазер будет колебаться на длине волны резонансного с внешним лазерного резонатора (между диодом задней грани и решетки). Настройка эту длину полости через длине волны лазера позволяет быть настроены через свободной области спектра (C / (2 л)) вокруг решетки пикового усиления где с является скоростью света и L, длина полости, как правило, 1 - 5 см (FSR 3-15 ГГц). Когда два режима полости подобная длина волны от пикового решетки длиной волны обратной лазер может работать многомодовых. Как режим колебательный резонатор настроен дальше от пика усиления, чем его соседним режиме лазер Режим хоп ограничения диапазона настройки. Поведение мод резонатора по отношению к решетки режиме можно увидеть на рисунке 3. Режим хоп диапазон бесплатно настройка ключевой показатель производительности для ECDL. При одновременном настройки решетки угол и длину резонатора можно настроить непрерывно во многих свободных спектральных диапазонах без режим хмель, делая обнаружения и блокировки в спектральных признаков гораздо легче 8. Электронная настройка длины оптического пути полости для блокировки может быть достигнуто путем сочетания настройки решетки угол / положение с помощью пьезо привод (рис. 1А) (пропускная способность сканирования ~ 1 кГц) и настройки диод ток, который в первую очередь модулирует преломления Индекс диода (пропускная способность сканирования ≥ 100 кГц). Использование лазерных диодов, а не антибликовым (AR) с покрытием чипсы усиления для активной среды добавляет дополнительное усложнение добавив лазерный диод внутреннего ответ полости, которая может иметь типичный свободный спектральный диапазон 100-200 ГГц. В этом случае полость должна быть температура адаптирована к ответ от решетки. Использование лазерного диода, а не AR покрытием чипа усиления позволит резко сократить режим хоп бесплатно тунинг диапазон, если нет средств, чтобы синхронно настроить ток диода или температуры. Наконец, для достижения ширину линии лучше, чем 100 кГц пристальное внимание должно быть обращено на устранение других источников шума. Это требует тщательного механической конструкции крепления, чтобы минимизировать акустическую вибрацию, стабилизацию температуры на уровне мК, действующее значение тока стабильность диода на уровне ≤ 30 нА и тщательной настройки усиления всех блокировки петли 10. Правильный выбор электроники для применения, так же важно, как лазерного и оптического дизайна. Список контроллеров диода и характеристики можно найти в таблице 1.

После стабилизации генерации была достигнута, то следующий требование, чтобы зафиксировать частоту лазера на ссылкой, например атомного перехода, оптическом резонаторе лазера или другого. Это устраняет последствия медленных заносов таких как небольшие колебания температуры, по существу устранения шумов для частот св полосе фиксирующего цикла. Есть множество методов, которые были разработаны для получения сигнала ошибки, каждый из которых подходит для конкретной системы отсчета блокировки. Сигнал ошибки для фазовой синхронизации двух лазеров могут быть получены путем смешивания двух лазеров на светоделитель. Фунт-Дривер зал 11 или поворотной блокировки 12 может быть использован для блокировки в полость. Чтобы заблокировать в атомной линии поглощения DAVLL 13 или насыщенного абсорбционной спектроскопии 3,14 в сочетании с текущей модуляции 10 Зеемана модуляции 10 или наклона-блокировки 15 может быть использован.

Замок из ECDL в рубидия перехода с помощью зеемановскую модуляцию насыщенного поглощения в клетке пара будет описана здесь. Если луч низкой интенсивности проходит через ячейку рубидий паров при комнатной температуре, а частота настраивается в непосредственной близости от нм атомного перехода 780 ряд доплеровского расширены функции поглощения ~ 500 МГц широкобудет наблюдаться вместо 6 МГц широкого природного ширины линии (расчеты для натуральных и доплеровских ширин можно найти в стопы 16). Если, однако, этот пучок ретро отражение, второй проход будет меньше поглощение на резонанс как атомы с нулевой продольной скорости уже частично возбуждаемой первом проходе 17. Другие частоты будет поглощаться различных популяций скорости при каждом проходе и, следовательно, поглощение не будет насыщен. Таким образом очевидно, функция передачи накладывается на Доплера расширен поглощения при переходах с шириной около естественной ширины линии могут быть получены. Это обеспечивает резкое абсолютное задание частоты для блокировки в. Частота атомного перехода может модулироваться с использованием эффекта Зеемана на сглаживание величину магнитного поля в эталонной ячейке. Подходящий однородное магнитное поле, могут быть получены с использованием электромагнитного установки, как показано на рисунке 5. Электронно смешиваниямодулированный сигнал с насыщенного поглощения передачи генерирует сигнал ошибки, который можно использовать для регулировки тока диода и интегрированную изменять напряжение пьезо. Таким образом, лазер может быть заблокирован с переходом без необходимости модулировать частоту лазера.

Ширина линии из ECDL обычно измеряется путем вмешательства два частотных заблокирован лазеры и того же типа на расщепитель 18 пучка. Частота биений между лазерами Затем измеряют с помощью быстрого фотодиод и РЧ анализатор спектра. Спектр шума за пределами полосы пропускания замок петли затем установлены на Фойгта (свертки гауссовского и лоренцевской) профиля. Шум от различных лазеров добавить в квадратуре. В случае двух эквивалентных лазеров это дает оборудованная ширина линии √ (2) раз один лазер ширина линии. Если лазерный доступен с известным ширины линии значительно меньшим, чем можно ожидать от ECDL и он находится в полосе перестройки ЕCDL, то, что может быть использован вместо. Другой метод, обычно используемый для измерения ширины линии является задержкой себя метод гомодинная 19,20, где часть пучка направляется вдоль оптической линии задержки, такие как волокна, а затем смешивают на светоделитель с лазером. Этот метод основан на задержке, являющейся большей, чем длина когерентности лазера при измерении. Это хорошо работает для шумных лазеров, но и для ширины линии 100 кГц лазера длина когерентности составляет около 3 км, что начинает становиться нецелесообразным. Кроме того, атомный переход в насыщенном поглощающей ячейки или резонатора Фабри-Перо может быть использован, чтобы обеспечить опорную частоту для измерения ширины линии лазерного. В этой системе частота лазера нужно будет сидеть за линейной части эфира насыщенный поглощения или Фабри-Перо резонансной, а не разрешено сканировать частоты. Измеряя шум сигнала на фотодиод и зная ширину резонанса, частота шума может быть найдено. Нижний предел Лиnewidth измерения затем ограничивается наклона резонанса передачи.

Присутствие высоких мод порядок генерации могут быть проверены на глядя на интенсивность шума на частоте свободного спектральном диапазоне с использованием анализатора спектра РЧ или с помощью сканирования Фабри-Перо или оптический анализатор спектра с разрешением лучше, чем свободный спектральный Диапазон ECDL. Грубый диапазон настройки может быть измерена путем измерения мощности в зависимости от длины волны (с использованием монохроматора волномером, или анализатора оптического спектра) при настройке лазера через ее пределами с помощью дифракционной решетки. Режим хоп бесплатно диапазон перестройки обычно измеряется с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо, когда режим хоп может быть обнаружена в качестве дисперсной скачка частоты.

Protocol

1. Выбор компонентов

  1. Выбор диод на соответствующей длине волны для атома интереса. Очень важно, чтобы выбранный диод быть одиночный режим (см и имеет достаточную мощность для приложения. Диод покрытием антибликовым идеально. Эти диоды не будет Ласе без добавления внешнего резонатора, и они предназначены специально для эксплуатации ECDL. Они имеют значительно более высокую производительность, особенно в приложениях, где сканирование длины волны лазера имеет важное значение. Лазерный диод используется здесь приведен в список материалов).
    Как и в MacAdam др.. 3, ECDL должны быть направлены на плотно соответствовать диод и коллимирующей линзы. Механическая стабильность и тепловой контакт имеют решающее значение для хорошей работы лазера. Для простоты конструкции и минимального обработки, успех был бы с помощью диодного лазера крепление со встроенным объективом трубки (перечень материалов).
  2. Выберите объектив для коллимирования диод. ЭтоВажно, что числовая апертура быть сравнима или больше, чем числовой апертурой диода в противном случае будет значительные потери. Большинство диоды имеют высокую числовую апертуру (> 0,5) и требуют асферические линзы, в противном случае аберрации приведет к очень низкой эффективности обратной связи. Убедитесь, что объектив Антибликовое покрытие на рабочей длине волны, выбрать объектив с большим фокусным расстоянием, чтобы увеличить размер пучка на решетку и дизайн волны вблизи рабочей длины волны, чтобы уменьшить аберрации. См. Список материалов для используемого объектива в продемонстрированной системе.
  3. Выберите соответствующую внешнюю решетку для диапазона частот лазерного диода и решетки тюнинг руки центрального угла. Длина волны света дифрагировавшего в первом порядке, конфигурация Литтроу, дается λ = 2 г греха (θ), где г является решетки межстрочный интервал, θ является решетки угол падения и λ21 длины волны (фиг. 1В). Есть два основных типа дифракционной решетки, голографические и правили, и оба могут быть пылали или нет. В зависимости от типа решетки дифрагированной мощности может существенно варьироваться. Стремитесь к голографической решетки с дифракционной эффективности между 20-30%. См. Список материалов для решетки, используемой в продемонстрированной системе.
  4. Используйте простой дизайн управляемой - сложность часто означает нестабильность. Есть огромное количество ECDL проекты, но самым простым является Литтроу 3,5,7,22. Прочитайте документы и принимает решение о большой режим хоп свободный диапазон (диапазон частот, на которые диод может непрерывно мелодия без внезапно прыгает на другую частоту), очень узкий ширина линии или уменьшить вариации указывая имеет большое значение для приложения. Получить столько информации, сколько возможно, прежде чем начать ECDL дизайн. Часто решетки ECDL является более чем достаточным для применения в атомной физике.
  5. Важно понимать, что производительность в ECDL наиболее сильно коренится в электронике, которые управляют тока диода и стабилизации температуры лазера. Без хорошего набора электроники механическая конструкция будет под-выполнить. В комплект входит сравнение различных тока и температуры контроллеров в таблице 1. Чем меньше ток шума, тем лучше лазер будет выполнять 23.

2. Ассамблея

  1. Для целей данной работы является отправной точкой для сборки ECDL будет полная ECDL механическая система установлена ​​на термоэлектрический модуль (TEC) без частоты выбора компонентов (т.е. решетки и лазерный диод).
  2. Начнем с размещения лазерного диода в соответствующей монтажное отверстие и закрепите его с помощью его монтажное кольцо. Будьте осторожны, не превышения момента монтажного кольца. Она должна быть плотно, но не туго.
  3. Перед подключением лазерный диод с действующим поставок, чеобы листе спецификаций диод для анода, катода и наземных назначении контактов. Это зависит от диода диода и положить ток через диод в обратном направлении будет уничтожить его.
    1. Лазерные диоды Приборы низкого напряжения, как правило, 5-10 V максимальная, и необходимо позаботиться, чтобы убедиться в отсутствии статического не разрядится им. Это хорошая практика, чтобы носить браслет при работе диодов и установить схему защиты (например, рисунок 2) на штырьки лазерных диодов, чтобы предотвратить высокое напряжение. Диод может и выводы земли должны быть постоянно заземлен, и использование тонких проволок может помочь в снижении сцепление механических колебаний.
  4. Установите максимальные и минимальные температуры и максимальные диодные и TEC текущие ограничения на контроллере диода в соответствии со значениями в диод спецификации. Если минимальная рабочая температура ниже точки росы для лаборатории затем использовать минимальную температуру ~ 2 ° C абове точки росы. Это позволит избежать образования конденсата.
  5. В спецификации лист диод обычно имеет длину волны по сравнению фигуру температуры при заданном тока диода. Используйте эту цифру в качестве эталона для первоначального установить температуру диода (и тока) в соответствии с длиной волны интереса. Если температура зависимости от длины волны графике недоступен регулировки заданной температуры до комнатной температуры.
  6. Поверните регулятор температуры и дайте стабилизации температуры.
  7. Включите диода и повернуть тока таким образом, что выходной пучок может быть отчетливо наблюдается со смотровой карты. Используйте ИК-карту, чтобы посмотреть в пучок.
  8. Вставьте асферический коллимирующей линзы и коллимации лазерного диода, регулируя расстояние между диодом и линзой. Для того, чтобы обеспечить хорошее коллимацию убедитесь, что луч имеет четкий путь, идеально> 3 м, и отрегулируйте положение объектива до диаметра пучка только после ECDL и в конце пути луча такие же, будучи уверенным, чтобы проверить, что я лучы не ориентируется в любой точке вдоль пути.
  9. Проверьте поляризацию от диодного лазера в нужное плоскости для дифракционной решетки (S или Р). В большинстве случаев поляризация диода вдоль короткой оси эллиптической формы луча, но это хорошая практика, чтобы проверить поляризацию ось использовании поляризационного светоделителя.
    1. Если ось луча не в нужной плоскости, ослабить диод монтажное кольцо и вращать до тех пор, диод правильной ориентации не будет достигнута. Некоторые ECDL конструкции позволяют это сделать с помощью лазера и подключен к источнику тока, а другие нет. Если текущие Провода питания должны быть удалены, чтобы повернуть диод, выключите подачу тока на блоке управления и удалите провода. Регулирование температуры ECDL может оставаться на время этого процесса. Помните всегда носить браслет при работе с диодом.
    2. Если бы это было необходимо, чтобы изменить диод повторите предыдущий шаг, чтобы recollimate диод.
  10. Дифракции плоскости решетки, как правило, обозначены производителем со стрелкой, перпендикулярной решетки линий и в направлении к проложенному отражения. Тщательно проверьте это, наблюдая отражение от источника широкополосного света, например, лампочку, в зависимости от угла.
    1. Если решетки проводится при стрелка назад к наблюдателю и широкого источника группа света над головой, отраженный свет будет меняться в цвете в зависимости от решетки углом.
    2. Установите решетку так, чтобы стрелка указывала назад к диода и, таким образом регулируя решетки угол изменяется длина волны отражаются обратно в диода (1А и 1В).
  11. После того, как решетки ориентация была подтверждена клей решетки на вибрирующей руку ECDL помощью быстро настройки клей, например, Loctite.

3. Обратная связь Выравнивание

  1. Наведите просмотра карты выравнивается по ECDL выходе будетя. Эта информация будет использоваться для мониторинга мощность лазера при вносятся корректировки в указанием дифрагировавшего пучка. Измеритель мощности также могут быть использованы, но медленнее в своем ответе.
  2. Отрегулируйте набор ток на блоке управления диод чуть ниже порогового тока для отражающих передних диодов граней и 1/3 максимального тока для AR покрытием диодов усиления. Светоотражающие передние диоды фасетные будет иметь пороговый ток на их спецификации или данных листов в то время как AR покрытием усиления микросхемы нет.
  3. Отрегулируйте угол решетки руку по горизонтали и вертикали, чтобы направить дифрагированный луч обратно в диод, эффективно делая внешний полость обратной связи. Когда луч направляется на лазерный диод будет значительное увеличение выходной мощности, наблюдается как заметное увеличение или яркой вспышкой на смотровой карты или резкому увеличению мощности при измерении с помощью измерителя мощности или фотодиод.
    1. Просмотра карты не очень количественная мера ое мощность, так что может быть необходимо постепенно снизить ток лазерного диода и не скорректировать обратной луч, пока выше поведения можно увидеть при минимально возможных тока.
    2. Регулировка коллимации объектива фокусировки или осевое положение для оптимизации фокусировки на диодной грани может еще больше снизить порог и увеличить выходную мощность, после чего необходимо будет повторной оптимизации решетки угол по горизонтали и вертикали.

4. Начальный выбор частоты

  1. Для первоначального выравнивания частот лазера абсолютное измерение длины волны с точностью <1 нм и в идеале <0,1 нм идеально подходит. Это грубая измерения частоты будет сделать это намного проще настраивать частоты лазера на атомного перехода на более позднем этапе. Есть много вариантов, в том числе с использованием волномером, анализатор оптического спектра, спектрометр или монохроматор с камерой. Убедитесь в том, калиброванный точным устройством используется или проверьте его Сalibration например, с использованием He-Ne лазера. С другой стороны, грубая регулировка частоты обычно может быть достигнуто путем ходьбе решетки угол и тока, когда лазер сканирование до тех пор, поглощение или сигнал флуоресценции от опорной ячейки пар не могут быть видны.
    1. Вообще вторичный пучок взял от основного луча, с помощью стеклянного клина призму или λ / 2 фазовые и поляризационный делитель луча, будет использоваться в качестве вклада в волномера. Эта установка оптики видно на рисунке 1D. См. Список материалов для материалов, используемых в этой демонстрации.
  2. Отрегулируйте ECDL, пока не будет достигнуто желаемое выходную длину волны. Диод вождения ток, температуру, решетки угол и внешний длину резонатора будет все это влияет на частоту лазера 24 (рис. 3).
    1. Начните с настройки решетки угол, либо вручную, либо с помощью пьезо. Во-вторых, настроить тока диода.
    2. Если нужный frequeNCY является синевой решетки диапазона развертки, температура диода должна быть снижена, и наоборот, если желаемая длина волны в красную область.

5. Точная настройка частоты и захвата частоты

  1. Настройка насыщенный абсорбционной спектроскопии на выходе ECDL с использованием конфигурации на рис 1F 3,14,17. Использование оптический вентиль непосредственно после лазера существенно (рис. 1С). Важно, чтобы избежать обратно отражение в лазер, который может привести к нестабильности. Насыщенный абсорбционной спектроскопии с использованием ссылочной ячейки, содержащий атом интереса это простой способ для блокировки лазер для узкой атомного перехода 25.
    1. Убедитесь, что ссылка на ячейку на угол, чтобы избежать обратно размышления и что зеркало ретро отражает луч обратно через ячейку пара с максимальным перекрытием. Двойной проход передаваемая мощность может контролироваться с помощью фотодиод как ECDL волны сканируется.
  2. Большинство контроллеров диодные будет иметь встроенную функцию сканирования, который будет сканировать длину волны, регулируя решетки напряжение пьезо и, следовательно, решетки угол и внешний длину резонатора или путем модуляции тока диода. Ширина, сканирование смещение и лазерной температура и ток должны быть скорректированы до сигнал поглощения не может рассматриваться на область применения, подключенного к детектору фото. Когда лазерный сканирует над атомного перехода должна быть возможность увидеть путь лазерного луча в клеточной паров флуоресцируют или мигать невооруженным глазом или через ИК-зрителя.
  3. Мощность на единицу площади в опорного луча для насыщенного абсорбционной спектроскопии должна быть на уровне или выше интенсивности насыщения для атомного перехода. Используйте пластины волны λ / 2 до поляризационного светоделителя увеличить мощность до ясный сигнал поглощения не видно. Расчеты интенсивности насыщения можно найти в Foot 16.
  4. С лазерного сканирования над нм Rb атомного перехода 780, широкий доплеровский расширил сигнал поглощения следует рассматривать, ~ 5 ширину ГГц, с несколькими резкими переходами ~ 10 МГц сожгли в Foot 16 (рис. 4). Минимизация мощности, используемой для генерации насыщенного сигнал поглощения необходимо уменьшить мощность расширение и повышения резкости функцию блокировки, чтобы.
  5. Для того, чтобы зафиксировать частоту ECDL, сигнал ошибки необходимости. Размещая катушки вокруг опорной ячейки как показано на рисунке 5 и 10 осциллирующих магнитное поле, зеемановские уровни и, следовательно, частоты переходов модулируются. В этом случае ток, проходящий через катушки зеемановскими модулируется около 250 кГц с магнитудой ~ 1 G.
  6. Смешайте сигнала поглощения от насыщенного поглощения фотоприемника с сигналом модуляции от функционального генератора. Когда выходной сигнал микшера рассматривается на область применения он должен быть сигнал ошибки сиMilar на рисунке 4. Величина сигнала ошибки будет зависеть от относительной фазы между двумя смешанных сигналов. Поверните сплиттер λ / 4 пучка перед ячейкой паров регулировать фазу.
  7. Постепенно уменьшить диапазон сканирования и настроить смещения в центр сканирования над переходом интерес без других переходов присутствующих.
  8. Пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) цепи (см., например, MacAdam соавт. 3) затем может быть использован для фиксации длины волны ECDL с использованием сигнала ошибки. ПИД усиления должна быть уменьшена ниже точки, в которой звон наблюдается, глядя на наличие модуляции в сигнале ошибки (например, с использованием анализатора спектра или преобразования Фурье сигнала ошибки следа).

6. Измерение Linewidth

  1. Для достижения точное измерение ширины линии необходимо иметь либо известны узкий источник ширина линии (другой лазер с лinewidth значительно меньше, чем ECDL), два одинаковых ECDLs или линии задержки долго по сравнению с длиной когерентности ECDL. Здесь два ECDLs будет вмешался, чтобы измерить ширину линии. Альтернативно, он может быть проще для блокировки к резонансу производимого атомного перехода или резонатора Фабри-Перо и подгонки к выше пропускной способности запирающего контура шума.
  2. Блокировка двух лазеров для различных сверхтонких переходов, в идеале около 100 МГц офсетных. Это сведет к минимуму воздействие электромагнитных помех.
  3. Режим, мощность и поляризация соответствовать два пучка и мешать их вместе, используя 50/50, nonpolarizing светоделитель. Совместите результате луч на детектор фото. Выходной сигнал от фотодетектора должно быть синусоидальной волны с частотой частоте два лазера смещением. Это может быть необходимо для ослабления или расфокусировки полученный луч так, чтобы не повредить или насытить фотодиод.
    1. Перекрытие из двух бьющих лучей будет определять бахрома продолжение следуетраст, если смотреть на область применения во время измерения ширины линии. Если челка контраст бедных, потратить дополнительное время более тщательный подбор режима и перекрытие лучей на светоделителем и детектором. Хороший способ, чтобы перекрывать двух пучков с помощью двух ирис ", или точечные отверстия, разделенные относительно большом расстоянии, ~ 1 м.
  4. Это будет трудно решить частотные колебания на область применения. Для лучшего измерения использовать анализатор спектра, который даст профиль Voigt с центром на частоте биений с шириной линии Δ е, равна свертке лазерного ширины линии (рис. 6). Для хорошем приближении след может быть пригодным к Гаусса и ширины линии, полученной из подгонки. Измеренная шум или ширина линии будет зависеть от приобретения или времени интеграции, которая может быть создана путем регулировки полосы разрешения на анализаторе спектра. По этой причине важно, чтобы процитировать время интегрирования при цитировании мeasured ширина линии.

Representative Results

Есть 5 основных этапов в процессе согласования, частота замок и характеризующий ширины линии ECDL. К ним относятся: получение обратной связи от решетки и используя это, чтобы установить грубой частоту ECDL измеренное на волномера, наблюдая лазерного поглощение в опорной ячейки, просмотр атомного перехода с разрешением вокруг естественной ширины линии в насыщенном установки абсорбционной спектроскопии, получения Сигнал ошибки относительно заданной перехода и блокировки к ней, и, наконец, наблюдая биений двух лазеров и измерения ширину линии лазера. Шаг первый успешно завершен, довольно тривиально, когда длина волны, получаемая на волномера соответствует атомного перехода интересов. При попытке достичь поглощения в опорной ячейки, цветение можно увидеть вдоль пути луча в клетке с просмотра ИК когда переход ударил. Если ECDL является сканирование клетка будет мигать. Насыщенный сигнал поглощения может быть трудно обнаружить Whe н первым выравнивания, так как линии передачи может быть очень мала по сравнению с пика поглощения Доплера. Когда вершины, подобные тем, которые показаны на рисунке 4, можно увидеть, насыщенная система поглощения работает должным образом. Регулируя параметры фазы и сканирования сигнал ошибки же, как показано на рисунке 4 должна быть получена. Для того чтобы измерить ширину линии ECDL необходимо получить сигнал биений между двумя лучами. Как лучи становятся все более и более перекрываются синусоида начнут появляться, как видно на сферу от фотодетектора. Держите адаптацию, пока контраст между пучностей и узлов не является крупнейшим. Когда сигнал биений затем пропускают через электронный анализатор спектра сигнала, аналогичной фиг.6 следует рассматривать. Лазерный ширина линии может быть измерена с этим сигналом. Полный комплект оптики можно увидеть на рисунке 1.

</ HTML"Рисунок 1" FO: контент-ширины = "5 дюймов" FO: Пребывание "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" Первоначально "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" />
.. Рисунок 1 Завершите настройку оптики Это пример полной установки оптики для системы ECDL обсудили:. Это показывает конфигурацию Литтроу из ECDL. Процент, как правило, 20-30%, из пучка, падающего на решетку дифрагирует обратно в диоде. Угол дифракции и угол отражения равны. Решетка крепится к стадии настройки, которая использует пьезо контролировать решетки угол B:. Выходной луч от лазерного диода падает на решетку под углом θ с 0-го порядка, отраженный от и дифракции 1-го порядка и отправили назад на пути падающего луча. Длина волны дифрагированного света задается λ = 2 г Sin (θ) в конфигурации Литтров C:. Положение, и ориентацией оптической являетсяolator уменьшить нежелательную обратную связь для лазерного диода D:. Выходной луч от лазерного поле проходит через фазовые λ / 2 и PBS и выравнивается по волномера. Власть в отраженной и прошедшей балок можно регулировать, вращая фазовые E:. Луч линия используется для эксперимента. Эта линия будет содержать большинство власти лазера F:. Проходят опорного пучка на уровне или выше интенсивности насыщения через PBS, λ / 4 фазовые, газовой ячейки ссылки, и ретро отражать его обратно на PBS. Важно, что два луча хорошо перекрываются, чтобы получить надлежащее спектроскопии насыщения. Фазовые обеспечит поляризацию света на ретро отраженном пучке будет повернут на 90 ° от падающего пучка позволяет ему выйти противоположный порт светоделителем. Нажмите здесь, чтобы увеличить мнимойэ.

Рисунок 2
Рисунок 2. Схема защиты диодного лазера. Схема защиты Пример для тока лазерного диода. R 1 и С 1 форма Принципиальная схема RC и будет отфильтровывать высокочастотный шум. D 1 и D 2 являются Шоттки и Стабилитроны соответственно. Диод Шоттки, который имеет быстрое время отклика, находится в месте, чтобы защитить от обратного напряжения, а стабилитрон, который имеет более медленное время отклика, предназначен для того току проходить, если над лазерных диодов максимальным рабочим напряжением, что позволяет избежать повреждению лазерного диода. Типичные значения для компонентов будет R 1 = 1 Ω, C 1 = 1 мкФ, D 1 = 30 В, D 2 = 6 V. Значения, выбранные для R1 и C1 будет ограничивать ток пропускной способности модуляции диода. Это может быть меньше, чемидеально, если сигнал ошибки производится с помощью модуляции тока вместо модуляции Зеемана обсуждался.

Рисунок 3
. Фигура 3 Конкуренция моды в ECDL Зеленый:.. Ширина линии решетки дифракционного порядка ≈ 50 ГГц в зависимости от решетки Красный твердого вещества: Режим внутренней полости лазерного диода с шириной линии ≈ 10 МГц и бесплатный спектральный диапазон ≈ 80 ГГц . Красная черта: Внутренняя полость из диода покрытием антибликовым. Эти диоды будут иметь ширину линии в диапазоне нм голубой:. Внешние моды резонатора с шириной линии ≈ 500 кГц и свободной спектральном диапазоне ≈ 5 ГГц. С 3 см в длину внешнего резонатора. Регулировка решетки угол будет сместить центр зеленой кривой и си менно изменить внешний длину резонатора, в свою очередь сдвига синюю кривую, а также. Регулировка тока диода и температуры сместится красные кривые.

Рисунок 4

.. Рисунок 4 абсорбционной спектроскопии Насыщенные и соответствующий сигнал ошибки для рубидия 87 Нижняя кривая:. Пики поглощения Насыщенные на гораздо более широком пика поглощения Доплера, сформированного из Доплера свободного спектроскопии. Верхняя кривая: Сигнал ошибки для соответствующего насыщенной системы поглощения. Этикетки выше сигнала ошибки соответствуют атомного перехода (F → F ').

JPG "/>

Рисунок 5. Зееман катушки. Катушка обернутые вокруг клетки парах рубидия, используемого в Зеемана модуляции.

Рисунок 6
Рисунок 6. Лазерная ширина линии. Сигнала, полученного из анализатора спектра на биений, образованного двумя аналогичными лазеров. Из рисунка, ритм имеет частоту 206,24 МГц и шириной линии 0,3 МГц с временем интеграции 20 мс.

</ TR>
Текущие управления Диапазон Шум
Thor Labs:
LDC200CV 0-20 мА <1 мкА (10 Гц -10 МГц)
LDC201CU 0-100 мА <0,2 мкА (10 Гц -10 МГц)
LDC202C 0-200 мА <1,5 мкА (10 Гц -1 МГц)
LDC205C 0-500 мА <3 мкА (10 Гц -1 МГц)
Moglabs:
DLC-202 0-200 мА <300 пА / √ Гц
0-250 мА <300 пА / √ Гц
DLC-502 0-500 мА <300 пА / √ Гц
Stanford Research Systems:
LDC500 0-100 мА <0,9 мкА RMS (10 Гц -1 МГц)
LDC501 0-500 мА <4,5 мкА RMS (10 Гц -1 МГц)
Toptica:
ДКК 110/100 0-100 мА 200 нА RMS (5 Гц-1 МГц)
Постоянный токС 110/500 0-500 мА 1 мкА RMS (5 Гц-1 МГц)
Регуляторы температуры
Thor Labs:
TED200C От -45 до 145 ° C ± 2 мК
Moglabs:
DLC-202 От -40 до 50 ° C ± 5 мК
DLC-252 От -40 до 50 ° C ± 5 мК
DLC-502 От -40 до 50 ° C ± 5 мК
Stanford Research Systems:
LDC500 От -55 до 150 ° C ± 2 мК
LDC501 От -55 до 150 ° C ± 2 мК
Toptica:
DTC 110 0-50 ° C ± 2 мК

Таблица 1. Ток диода и регуляторы температуры. Диодные тока и температуры контроллеры различных компаний 'с их диапазонов и уровней шума.

Discussion

Эта публикация показала, как перейти от разобранном ECDL через выравнивания и захвата частоты производить измерение лазерного ширины линии. Механическая конструкция и дизайн электроники, такие как ПИД сервоприводов, водителей диодных и терморегуляторов слишком специализируется, которые будут обсуждаться здесь, но были всесторонне обсуждены в ссылки публикаций 1,3,5.

Хотя диодные ECDL'S стали главным продуктом в атомных лабораториях физики, вида и переходов, что эти Устройства для может достигать ограничено. Значительный прогресс был достигнут в расширении диапазона длин волн от диодных лазеров на основе однако в настоящее время многие пробелы, особенно в УФ. Силовые ограничения систем ECDL продолжают ограничивать свои приложения. Голые диоды одномодовые в диапазоне мощности от μWatts в 100 мВт. Кроме того, конические усилители могут быть добавлены к системе ECDL увеличить одномодового общую мощность лазерадо уровня ватт. Если полномочия одномодовые гораздо больше, чем Ватт или других длинах волн требуются альтернативные лазерные архитектуры требуется. К ним относятся волоконных лазеров 26, твердотельных лазеров 27, такие как TiSaph лазеров или они могут полагаться на нелинейного преобразования частоты обрабатывает 27 например ВКР-лазеров, четыре смешение, суммарной частоты, или оптический параметрический генератор.

В этой публикации фокусируется на запирающего механизма, который зависит от атомного пара клетки. Для многих приложений в атомной физике простой мобильный стекло пара, как описано здесь, не могут быть доступны, так обстоит дело для таких видов, как Yb. Многие другие методы получения эталонного образца с различными видами были продемонстрированы такие как, хот атомных пучков, разрядных ламп, газовых клеток, йод буферных клеток и клеток распыления.

Эта конструкция лазерная система в своей основе ограничена ширин линий ≈ 30 кГц 28 и обычно ближе к 100 кГц. Если приложение требует более узкой ширины линии других методов стабилизации или альтернативный лазерный проектирует 26 обязательны для заполнения.

Всякий раз, когда работать с оптическими системами, чистота имеет первостепенное значение. Это хорошая практика, когда сначала внедряются и оптики, перчатки носить для предотвращения случайного прикосновения к оптической поверхности обработки. Если оптический поцарапан он не должен быть использован в лазерной системы. В большинстве случаев оптика с отпечатки пальцев или пыль могут быть очищены с помощью ацетона или сжатым воздухом соответственно. Любой дефект в оптической поверхности могут и будут вводить потери и потенциально шум в системе. Оптика крепления должны быть прикреплены к оптики скамейке во все времена и должны быть надежно заперт вниз, как только на месте.

При выравнивании оптики, такие как Фазовые и поляризационные светоделителей, обеспечить свет падает рядом перпендикулярно оптической поверхности, а AVOiding отражения обратно в лазер. Как угол падения отклоняется от 90 ° поведения этих оптических элементов становится все дальше и дальше от идеала. Чтобы свести к минимуму аберрации и увеличить лучи числовая апертура всегда должны путешествовать через центр линзы и быть нормальным на объектив. В противоположность этому, клетки пар должны быть размещены под небольшим углом к ​​падающему пучку, чтобы избежать эффектов эталонные. По этой причине многие клетки пара изготавливаются с непараллельными конечных граней.

Лазеры, используемые здесь, класс 3B. Даже побочные отражения имеют потенциал для повреждения глаз. Работа с лазеров этого типа должны быть выполнены только квалифицированным персоналом, знакомым с опасностями лазеров. Очки лазерной безопасности должны носить в любое время. Никогда не смотрите прямо на путь любого лазера для оптического выстраивания и обратить особое внимание, чтобы избежать генерации опасных зеркальных отражений прочь оптических компонентов. Всегда положительно прекратить линии луча USIнг луча свалку.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать. Конкретные продуктов и компаний, цитаты с целью только разъяснение и не означает одобрения со стороны авторов.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wieman, C. E., Hollberg, L. Using diode lasers for Atomic physics. Rev. Sci. Instrum. 62 (1), 1-20 (1991).
  2. Camparo, J. C. The diode laser in atomic physics. Cont. Phys. 26 (5), 443-477 (1985).
  3. MacAdam, K. B., Steinbach, A., Wieman, C. A narrowband tunable diode laser system with grating feedback, and a saturated absorption spectrometer for Cs and Rb. Am. J. Phys. 60, 1098 (1992).
  4. Steck, D. A. Rubidium 87 D line data. Los Alamos National Laboratory. , 1-29 (2001).
  5. Ricci, L., Weidemuller, M., Esslinger, T., Hemmerich, A., Zimmermann, C., Vuletic, V., Konig, W., Hansch, T. W. A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics. Opt. Commun. 117, 541-549 (1995).
  6. Zorabedian, P., Trutna, W. R. Jr Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser. Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).
  7. Hawthorn, C. J., Weber, K. P., Scholten, R. E. Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam. Rev. Sci. Inst. 72 (12), 4477-4479 (2001).
  8. Nilse, L., Davies, H. J., Adams, C. S. Synchronous tuning of extended cavity diode lasers: the case for an optimum pivot point. Appl. Opt. 38 (3), 548-553 (1999).
  9. Park, S. E., Kwon, T. Y., Shin, E., Lee, H. S. A Compact Extended-Cavity Diode Laser With a Littman Configuration. IEEE Trans. Inst. Meas. 52 (2), 280-283 (2003).
  10. Black, E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization. Am. J. Phys. 69 (1), 79-87 (2001).
  11. Shaddock, D. A., Gray, M. B., McClelland, D. E. Frequency locking a laser to an optical cavity by use of spatial mode interference. Opt. Lett. 24, 1499-1501 (1999).
  12. Corwin, K. L., Lu, Z. T., Hand, C. F., Epstein, R. J., Wieman, C. E. Frequency-stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vapor. Appl. Opt. 37 (15), 3295-3298 (1998).
  13. Schmidt, O., Knaak, K. -M., Mesche de Wynands, R. D. Cesium saturation spectroscopy revisited: How to reverse peaks and observe narrow resonances. Appl. Phys. B. 59, 167-178 (1994).
  14. Robins, N. P., Slagmolen, B. J. J., Shaddock, D. A., Close, J. D., Gray, M. B. Interferometric, modulation-free laser stabilization. Opt. Lett. 27, 1905-1907 (2002).
  15. Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. Atomic Phyisics. , Oxford. (2004).
  16. Foot, C. J. Atomic Physics. , Oxford. (2005).
  17. Haus, H. A. Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements. , Springer. (2000).
  18. Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Lett. 16 (16), 630-631 (1980).
  19. Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay. Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).
  20. Optics Hecht, E. , 4th, Addison Wesley. (2002).
  21. Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. A simple extended-cavity diode laser. Rev. Sci. Instrum. 69, 1236 (1998).
  22. Loh, H., Lin, Y., Teper, I., Cetina, M., Simon, J., Thompson, J. K., Vuletic, V. Influence of grating parameters on the linewidths of external-cavity diode lasers. Appl. Opt. 45 (36), 9191-9197 (2006).
  23. Rao, G. N., Reddy, M. N., Hecht, E. Atomic hyperfine structure studies using temperature/current tuning of diode lasers: An undergraduate experiment. Am. J. Phys. 66 (8), 702-712 (1998).
  24. Sane, S. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C. N., McDonald, G. D., Altin, P. A., Close, J. D., Robins, N. P. 11W narrow linewidth laser source at 780 nm for laser cooling and manipulation of Rubidium. Opt. Express. 20, 8915-8919 (2012).
  25. Koechner, W. Solid-State Laser Engineering. , 5th edition, Springer. (1999).
  26. Saliba, S. D., Scholten, R. E. Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers. Appl. Opt. 48 (36), 6961-6966 (2009).

Tags

Физика выпуск 86 внешним резонатором диодный лазер атомная спектроскопия лазерное охлаждение бозе-эйнштейновской конденсации Зееман модуляции
Строительство и характеристика внешнего резонатора диодных лазеров для атомной физики
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hardman, K. S., Bennetts, S., Debs,… More

Hardman, K. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C. N., McDonald, G. D., Robins, N. Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics. J. Vis. Exp. (86), e51184, doi:10.3791/51184 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter