Detta är en instruktions papper att styra byggandet och diagnostik av externa hålighet diodlasrar (ECDLs), inklusive komponentval och optisk justering, samt grunderna i frekvensreferens spektroskopi och laserlinjebreddmått för applikationer inom atomfysik.
Eftersom deras utveckling i slutet av 1980, billiga, har tillförlitliga externa hålighet diodlasrar (ECDLs) ersatt komplex och dyr traditionell färg och Titanium Sapphire lasrar som arbetshästen laser av atomfysiklabb 1,2. Deras mångsidighet och produktiv användning under atomfysik i tillämpningar såsom absorptionsspektroskopi och laser kylning 1,2 gör det nödvändigt för inkommande studenter att få en fast praktisk förståelse för dessa lasrar. Denna publikation bygger på banbrytande arbete av Wieman 3, uppdatering av komponenter, och ger en video tutorial. Installationen, frekvenslåsning och prestanda karakterisering av ett ECDL att beskrivas. Diskussion om komponentval och korrekt montering av både dioder och galler, de faktorer som påverkar val av läge i hålrummet, korrekt inriktning för optimal extern återkoppling, optik setup för grovt och fint frekvens känsliga mätningar, en kort översikt av laser locking tekniker och laserlinjebreddmätningar ingår.
Att mäta och manipulera kvanttillstånd av atomerna är i centrum för atomfysik och kräver förmåga att ta itu med särskilda övergångar mellan atomära elektroniska stater. Till exempel anser rubidium, en typisk och mycket använt alkali atom. Här, är våglängden för ljus koppling marken och första exciterade elektroniska tillstånd ~ 780 nm (384 THz) och det exciterade tillståndet livstid på grund av spontan emission är ~ 26 nsek ge en absorption linjebredd på 6 MHz 4. Således är en ljuskälla med frekvensstabilitet på åtminstone en del i 108 erfordras för att på ett tillförlitligt sätt ta itu med denna övergång.
Innan utvecklingen av ECDLs, färgämneslasrar och Titanium Sapphire lasrar var normalt för atomfysik. Dessa är stora, dyra, komplicerade system som ger optisk förstärkning över en stor bandbredd och därmed kan anpassas för att överlappa en atomövergång. Potentialen att ersätta dessa vinst media med en billig, enkel diodlaser konstruerad with ett bandgap som matchar den önskade våglängden redovisades i början av 1980-talet 1,2. Enkelt, lätt att bygga konstruktioner som uppnår 100 kHz linjebredder var väl förstått och gemensam plats från början av 1990-talet 3,5,6. Många olika konfigurationer och konstruktioner har visats med olika fördelar och nackdelar. Förmodligen den vanligaste konfigurationerna är de Littrow 3,5,7,8 och Littman 9 konfigurationer. Diskussionen fokuserar på det enklaste, det Littrow konfigurationen visas i Figur 1A.
Ett antal avstämningsmekanismerna samtidigt används för att uppnå en hög precision vid laserfrekvensen. För det första är en diod som krävs med ett bandgap som producerar tillräcklig förstärkning vid den önskade våglängden på en möjlig driftstemperatur. Den typiska laserdiod kommer att ha förstärkningen över flera nanometer (THZ). För det andra är en reflekterande diffraktionsgitter vinkel avstämd för att ge optisk återkoppling i dioden på den önskadevåglängd. Beroende på gittret, dioden, använde de fokuserande lins och deras inriktning, kommer gittret väljer ett frekvensområde av typiskt 50 till 100 GHz. Lasern kommer att svänga vid en våglängd resonant med den externa laserkaviteten (mellan dioden bakre fasett och gallret). Tuning denna kavitet längd över en våglängd gör att lasern att avstämmas över ett fritt spektralområde (c / (2 L)) runt gittret förstärkningstoppen där c är ljushastigheten och L är kavitetens längd, typiskt 1 – 5 cm (FSR 3-15 GHz). När två kavitetsmoder är en liknande våglängd från toppen galler återkoppling våglängd lasern kan köra multimode. Som den oscillerande hålighet läget är inställd längre från förstärkningstoppen än dess angränsande läge laser kommer läget hop begränsar avstämningsområdet. Beteendet hos kavitetsmoder med avseende på gittrets läge kan ses i figur 3. Läget hop fri avstämningsområdet är en nyckelPrestandaMått för ett ECDL. Genom att samtidigt tuning gittret vinkel och kavitetslängden är det möjligt att kontinuerligt stämma över många fria spektralområden utan läge humle, vilket gör att lokalisera och låsa till spektrala särdrag mycket lättare 8. Elektronisk inställning av den optiska väglängden i hålrummet för låsning kan uppnås genom en kombination av tuning gallret vinkel / position med hjälp av en piezo ställdon (Figur 1A) (skanning bandbredd ~ 1 kHz) och tuning diodströmmen som främst modulerar brytnings index på dioden (scanning bandbredd ≥ 100 kHz). Användning av laserdioder i stället för anti-reflektion (AR) belagda förstärknings chips för förstärkningsmediet tillför den ytterligare komplikationen av tillsats laserdioden inre kavitet svar som kan ha en typisk fria spektralområdet 100-200 GHz. I detta fall är det håligheten måste vara temperatur avstämd för att matcha svaret från gittret. Med hjälp av en laserdiod snarare än en AR belagda vinst chip kommer att dramatiskt minska läge hop gratis Tuning intervall om inte det finns ett sätt att synkront tune diodströmmen eller temperatur. Slutligen, för att uppnå en linjebredd bättre än 100 kHz uppmärksamhet måste ägnas åt att eliminera andra bullerkällor. Detta kräver noggrann mekanisk konstruktion av fästen för att minimera akustiska vibrationer, mK temperaturnivå stabilisering, rms nuvarande stabilitet dioden vid ≤ 30 nA nivå och noggrann trimning av vinsten av alla lås slingor 10. Välja rätt elektronik för programmet är precis lika viktigt som laser och optik design. En lista över diod styrenheter och specifikationer återfinns i tabell 1.
När stabil lasring har åstadkommits, är nästa krav att låsa laserfrekvensen till en referens såsom en atomövergång, en optisk kavitet eller en annan laser. Detta tar bort effekterna av långsamma drivor såsom små temperaturvariationer, i huvudsak eliminera buller för frekvenser medi bandbredden av låsningsslingan. Det finns en myriad av låsnings tekniker som har utvecklats för att erhålla en felsignal, som var lämpad för en särskild referenssystemet. En felsignal för faslåsning två lasrar som kan erhållas genom blandning av de två lasrarna på en stråldelare. Pound-Drever hall 11 eller tilt-låsning 12 kan användas för att låsa till en hålighet. För att låsa till en atomär absorption linje DAVLL 13 eller mättad absorptionsspektroskopi 3,14 i kombination med strömmodule 10, Zeeman module 10, eller tilt-låsning 15 kan användas.
Låsningen av ett ECDL till en rubidium övergång med hjälp av Zeeman modulering av mättad absorption i en ånga cell kommer att beskrivas här. Om en låg intensitet strålen passerar genom en rubidium ånga cell vid rumstemperatur och frekvensen är avstämd i närheten av 780 nm atomövergång ett antal doppler breddat absorption funktioner ~ 500 MHz brettkommer att iakttas i stället för 6 MHz breda naturliga linjebredden (beräkningar för natur-och Dopplerlinjebredder finns i Foot 16). Om emellertid denna stråle retro reflekteras, kommer det andra passet har mindre absorption på resonans som atomer med en nolla longitudinell hastighet har redan delvis upphetsad av det första passet 17. Andra frekvenser kommer att absorberas av olika hastighets populationer på varje pass och därför absorptionen inte kommer vara mättad. På detta sätt kan en synbar överföringsfunktionen överlagd på Doppler breddat absorption vid övergångar med en bredd om den naturliga linjebredden kan erhållas. Detta ger en skarp absolut frekvensreferens att låsa till. Frekvensen av den atomära övergången kan moduleras med användning av Zeeman effekt med rastrering storleken hos ett magnetiskt fält i referenscellen. Ett lämpligt homogent magnetfält kan framställas med hjälp av en magnetkonfigurationen som visas i figur 5. Elektroniskt blandningsden modulerade vågformen med mättad absorption överföring alstrar en felsignal, som kan användas för att justera diodströmmen och integreras för att justera den piezo spänning. Sålunda kan laser låsas till övergången utan att modulera laserns frekvens.
Den linjebredden hos en ECDL mäts i allmänhet genom att blanda två frekvens låsta lasrar av samma typ på en stråldelare 18. Den svävningsfrekvens mellan lasrarna mäts sedan med användning av en snabb fotodiod och en RF-spektrumanalyserare. Den bullerspektrumet bortom låsningsslingbandbredden är sedan monteras på en Voigt (faltning av en Gauss och Lorentz) profil. Bullret från de olika lasrar lägga i kvadratur. I fallet med två likvärdiga lasrar detta ger en monterad linjebredd av √ (2) gånger den enda laserlinjebredds. Om en laser är tillgänglig med en känd linjebredd betydligt mindre än förväntat på grundval ECDL och det är inom inställningsområdet för ECDL, så som skulle kunna användas i stället. En annan metod som ofta används för att mäta linjebredden är fördröjd själv homodyn teknik 19,20 där del av strålen sänds längs en optisk fördröjningsledning, såsom en fiber och blandades sedan på en stråldelare med lasern. Denna teknik förlitar sig på fördröjningen är längre än koherenslängden hos lasern under mätning. Detta fungerar bra för bullriga lasrar men för en 100 kHz linjebredd laser koherenslängden är ca 3 km, vilket börjar bli opraktiskt. Alternativt kan en atom-övergång i en mättad absorption cell eller en Fabry-Perot-kavitet användas för att tillhandahålla en frekvensreferens för laserlinjebredd-mätning. I detta system laserfrekvensen kommer att behöva sitta vid en linjär del av eter mättad absorption eller Fabry-Perot resonans i stället tillåts att skanna i frekvens. Genom mätning av signalbrus på en fotodiod och vetskap resonanslinjebredden kan frekvensbrus hittas. Den undre gränsen för den linewidth mätning begränsas då av lutningen av transmissions resonans.
Närvaron av högre ordning lasrande lägen kan kontrolleras genom att titta på intensitetsbrus vid frekvensen för det fria spektralområdet med användning av en RF-spektrumanalyserare eller genom användning av ett svep Fabry-Perot-eller en optisk spektrumanalysator med en upplösning bättre än den fria spektrala intervallet ECDL. Den grovavstämningsområde kan mätas genom att mäta strömmen som en funktion av våglängd (med användning av en wavemeter, monokromator eller optisk spektrumanalysator) medan avstämma lasern över sina gränser med hjälp av gittret. Läget hop fri avstämningsområde mäts i allmänhet med hjälp av en scanning Fabry-Perot kavitet där ett läge hop kan detekteras som ett diskontinuerligt hopp i frekvensen.
Denna publikation har visat hur man går från en demonterad ECDL genom anpassning och frekvenslåsning för att producera en mätning av laserlinjebredden. Den mekaniska konstruktionen och utformningen av elektronik såsom PID-servon, diod förare och temperaturregulatorer är alltför specialiserade som skall diskuteras här, men har utförligt diskuterats i refererade publikationer 1,3,5.
Även diod ECDL-talet har blivit en stapelvara i atomfysiklabb, de arter och övergångar som dessa anordningar kan nå är begränsad. Stora framsteg har gjorts i att bredda våglängdsområdet från diodbaserade lasrar dock idag många luckor kvar särskilt i UV. Kraft begränsningar av ECDL-system fortsätter att begränsa sina ansökningar. Bare single-mode-dioder varierar i kraft från μWatts till 100-tals Watt. Dessutom kan avsmalnande förstärkare sättas till en ECDL systemet öka enkelmods total lasereffektupp till Watt-nivå. Om single-mode krafter mycket större än en watt eller andra våglängder krävs alternativa laserarkitekturer krävs. Dessa inkluderar fiberlasrar 26, solid state laser 27 såsom TiSaph lasrar eller de kan förlita sig på icke-linjär frekvensomvandling processer 27 såsom Raman-lasrar, fyra våg blandning, summafrekvensgenerering, eller en optisk parametrisk oscillator.
Denna skrift är inriktad på en låsmekanism som är beroende av en atomånga cell. För många tillämpningar inom atomfysik ett enkelt glas ånga cell, som diskuteras här, inte kan vara tillgängliga, är fallet för arter som Yb sådan. Många andra tekniker för att erhålla ett referensprov med en mängd olika arter har visats såsom varma atomstrålar, gasurladdningslampor, buffert gasceller, jod-celler, och förstoftning celler.
Denna laser systemdesign är i sig begränsad till linjebredder på ≈ 30 kHz 28 och oftast närmare 100 kHz. Om applikationen kräver en smalare linjebredds andra stabiliseringsteknik eller alternativa laser design 26 krävs.
När du arbetar med optiska system, är renlighet av yttersta vikt. Det är god praxis när först introduceras till och hantering optik som handskar användas för att undvika misstag vidröra den optiska ytan. Om en optik är repad den inte skall användas i ett lasersystem. I de flesta fall kan rengöras optik med fingeravtryck eller damm med aceton eller tryckluft respektive. Varje brist i en optisk yta kan och kommer att införa förlust och eventuellt brus i systemet. Optik fästen bör fastställas till den optiska bänken hela tiden och bör vara ordentligt fastskruvad ner en gång på plats.
Vid injusteringen optik som waveplates och polariserande stråldelare, se till att ljuset faller in nära vinkelrätt mot den optiska ytan medan avoIding reflektioner tillbaka in i lasern. Eftersom infallsvinkeln avviker från 90 ° beteendet hos dessa optiska element blir längre och längre ifrån idealisk. För att minimera aberration och maximera numeriska bländar balkar ska alltid röra sig genom centrum av linser och vara normalt att linsen. I motsats härtill bör en ånga cell placeras i en liten vinkel till den infallande strålen för att undvika Etalon effekter. Av denna anledning många ånga celler tillverkas med icke-parallella slut fasetter.
De lasrar som används här är klass 3B. Även ströreflektioner har potential för ögonskador. Arbeta med laser av denna typ bör endast utföras av utbildad personal som känner till riskerna med laser. Laser skyddsglasögon bör användas vid alla tillfällen. Titta aldrig direkt i riktning mot en laser för optisk inriktning och särskilt se till att undvika att skapa farliga spegelreflektioner off optiska komponenter. Alltid positivt avsluta beam linjer USIng en balk dumpa.
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 |