原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

Engineering
 

Summary

これは、外部共振器型ダイオード部品の選択や光学的アライメントを含むレーザー(ECDLs)、だけでなく、原子物理学の分野でのアプリケーションのための周波数基準分光法とレーザ線幅測定の基礎を構築し、診断を導くための教育紙である。

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Hardman, K. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C., 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).

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Abstract

1980年代後半にその開発以来、安価で信頼性の高い外部共振器ダイオードレーザー(ECDLs)は原子物理研究室1,2の主力レーザーのような複雑で高価な伝統的な染料とチタンサファイアレーザーを交換した。その汎用性と、1,2冷却吸収分光法やレーザーなどのアプリケーションで原子物理学全体で多作の使用は、それが不可欠入ってくる学生がこれらのレーザのしっかりと実践的な理解を得るようになります。この公報は、コンポーネントのアップデート、ウィーマン3で独創的な研究に基づいて構築され、ビデオチュートリアルを提供する。 ECDLの設定、周波数ロックと性能評価について説明する。部品の選択とダイオードと格子の両方の適切な取り付けについての議論、キャビティ内のモード選択に影響を与える要因、最適な外付け帰還のための適切な配置、粗調整と微周波数に敏感な測定のための光学系のセットアップ、レーザーlockiの概要ngの技術は、レーザ線幅の測定が含まれる。

Introduction

原子の量子状態を測定し、操作することは、原子物理学の中心にあり、原子の電子状態との間の特定の遷移に対処する能力が必要です。例えばルビジウム、一般的なはるかに使用するアルカリ原子を考えてみましょう。ここでは、地面を結合する光の波長と第一励起電子状態は、〜〜のため、自然放出に780 nmの(384テラヘルツ)と励起状態の寿命である26 6 MHzの4の吸収線幅を与えるNSEC。したがって、108における少なくとも一部の周波数安定度を有する光源を確実この遷移に対処するために必要とされる。

ECDLs、色素レーザーやチタンサファイアレーザーの開発は、通常、原子物理学のために使用された前に。これらは、大きな帯域幅にわたって光利得を提供し、したがって、原子遷移に重なるように調整することができる、大規模で高価な、複雑なシステムである。安く、簡単なダイオードレーザー設計WIこれらの利得媒体に取って代わる可能性所望の波長に一致するバンドギャップ番目の1980年代初めの1,2に認識された。シンプルな、100 kHzの線幅を達成デザインを構築しやすいがよく、1990年代初め3,5,6が理解し、共通の場所ました。多くの異なる構成やデザインは、長所と短所をそれぞれ実証されている。おそらく、最も一般的な構成は、リトロー3,5,7,8とリットマン9の構成です。この議論は、図1(a)に示す最も簡単な、リトロー構成に焦点を当てています。

同調機構の数は、同時にレーザ周波数において高い精度を達成するために使用される。まず、ダイオードが達成可能な動作温度で所望の波長で十分な利得を製造バンドギャップを有する必要とされる。典型的なレーザーダイオードは、数ナノメートル(テラヘルツ)以上のゲインを持つことになります。第二に、反射型の回折格子では、所望のダイオードに光フィードバックを提供するように調整角度である波長。回折格子に依存して、ダイオードは、フォーカスレンズが使用され、それらの配向、格子は、典型的には50〜100ギガヘルツの周波数範囲を選択する。レーザーは、(ダイオード後端面と格子の間)外部レーザキャビティとの共振波長で発振します。波長にわたってこのキャビティ長を同調レーザは、cは 、光及びLの速度である格子利得ピークの周りに自由スペクトル範囲の(c /(2 L))にわたって調整することができるため、共振器長であり、典型的には1 - 5センチメートル(FSR 3月15日ギガヘルツ)。 2キャビティモードがピーク格子帰還波長から同様の波長である場合には、レーザーは、マルチモードを実行することができる。発振キャビティモードは、その隣接モードより利得ピークからさらに同調されるように、レーザ意志モードホップが同調範囲を制限する。グレーティングモードに対する空洞モードの動作は、図3に見ることができる。モードホップフリー同調範囲はECDLのための主要な性能指標である。同時に格子角度と共振器長を調整することにより、8はるかに簡単に配置し、スペクトルの特徴にロックすること、モードホップのない多くの自由スペクトル範囲にわたって連続的に調整することが可能である。止するためのキャビティの光路長の電子同調がピエゾアクチュエータ( 図1A)(走査バンド幅約1 kHz)を用いて、グレーティング角度/位置を調整すると、主屈折率を変調電流ダイオードをチューニングするの組み合わせによって達成することができるダイオード(走査帯域幅≥100 kHzの)のインデックス。利得媒体レーザダイオードではなく、反射防止(AR)コーティングされた利得チップを使用すると、100〜200ギガヘルツの典型的な自由スペクトル範囲を有することができるレーザダイオード内部空洞応答を添加するさらなる合併症を加算する。この場合、空洞は格子からの応答に一致するように調整された温度にする必要があります。レーザダイオードではなく、ARコーティングされたゲインチップを使用すると、劇的にモードホップフリーのtを減少させる同期のチューニングダイオード電流または温度を達成するための手段がない限りuning範囲。最後に、100 kHzの細心の注意よりも優れた線幅を達成するために、他のノイズ源を除去するために支払わなければならない。これは音響振動を最小限に抑えるためにマウントの慎重な機械設計を必要とする、 のMKレベルの温度安定化、≤30 nAのレベルでのダイオードの電流安定性と、すべてのロック10をループのゲインを慎重にチューニングを実効値 。アプリケーションのための適切な電子機器を選択すると、レーザーや光学系の設計と同様に重要です。ダイオード·コントローラおよび仕様のリストを表1に見出すことができる。

安定したレーザ発振が達成されたら、次の要件は、原子転移、光キャビティ又は他のレーザのような基準にレーザ周波数をロックすることである。これは本質的に周波数のノイズを排除し、このような小さな温度変動などの低速のドリフトの影響を除去ロックループの帯域幅内。特定の参照システムの各々は、適した、誤差​​信号を得るために開発されている技法をロックする無数がある。つのレーザをロックするための位相誤差信号は、ビームスプリッタの2つのレーザを混合することにより得ることができる。パウンド-ドホール11、チルトロック12は、空洞にロックするために使用することができます。電流変調10と組み合わせて、原子吸光ラインDAVLL 13以上の飽和吸収分光法3,14にロックするには、ゼーマン変調10、チルトロック15を使用することできる。

蒸気セルにおける飽和吸収のゼーマン変調を用いたルビジウム遷移ECDLのロックが、ここで説明する。低強度のビームは、室温でルビジウム蒸気セルを通過し、周波数は780nmの原子遷移の近傍に同調されている場合、ドップラーの数が〜500MHzの広い吸収特徴を広げむしろ6 MHz幅の自然線幅(自然とドップラー線幅の計算は、フット16に記載されています)よりも観察される。しかし、このビームがレトロ反映されている場合はゼロ縦速度と原子はすでに部分的に、最初のパス17によって励起されたように、第2のパスが共鳴にあまり吸収を持つことになります。他の周波数は、各パスで異なる速度集団によって吸収されるので、吸収が飽和しないであろう。このようにして、ドップラーに重ね見かけの透過機能を得ることができる天然の線幅は約幅遷移の吸収を広げる。これはにロックするシャープな絶対的な周波数基準を提供します。原子遷移の周波数は、基準セルの磁場の大きさをディザリングすることによってゼーマン効果を用いて変調されてもよい。好適な均一磁場は、 図5に示すように、ソレノイドセットアップを使用して製造することができる。電子混合飽和吸収送信と変調波形は、ダイオード電流を調整するために使用されるピエゾ電圧を調整するために統合することができるエラー信号を生成する。従って、レーザは、レーザ周波数を変調することなく遷移にロックされてもよい。

ECDLの線幅は、一般的に、ビームスプリッタ18に同じ型の2つの周波数同期レーザを干渉することによって測定されます。レーザ間のビート周波数は次いで、高速フォトダイオードとRFスペクトラム·アナライザを用いて測定される。ロック·ループ帯域幅を超えた雑音スペクトルは、プロファイルフォークト(ガウスとローレンツの畳み込み)に取り付けられている。異なるレーザからのノイズは、直交に追加します。 2同等のレーザの場合、これは√の嵌合線幅を(2)倍、単一のレーザ線幅を提供します。レーザはECDLから予想されるよりも著しく小さい公知の線幅で使用可能であり、それはEの同調範囲内にある場合CDLは、その代わりに使用することができる。一般的に線幅を測定するために使用される別の方法は、ビームの一部は、ファイバなどの光遅延線に沿って送信され、次にレーザーをビームスプリッタに混合される遅延自己ホモダイン技法19,20である。この技術は、被測定レーザのコヒーレンス長よりも長い遅延に依存する。これは、ノイズの多いレーザーに適していますが、100 kHzの線幅レーザー用のコヒーレンス長は、非現実的になり始めるの周りに3キロです。代替的に、飽和吸収セル又はファブリペローキャビティにおける原子の遷移は、レーザ線幅測定のための周波数基準を提供するために使用することができる。このシステムでは、レーザ周波数は、エーテルの直線部分ではなく、周波数をスキャンすることができより飽和吸収またはファブリペロー共振に座ってする必要があります。フォトダイオード上の信号ノイズを測定し、共振線幅を知ることにより、高周波ノイズを求めることができる。リチウムの下限newidth測定は、次いで、透過共振の勾配によって制限される。

より高次の存在は、レーザ発振モードがRFスペクトラム·アナライザを用いて自由スペクトル範囲の周波数における強度雑音を見ることによって、またはそれ以上の自由スペクトル分解能で走査ファブリペローまたは光スペクトルアナライザを使用することによってチェックすることができるECDLの範囲。粗同調範囲は、格子を用いて限界を横切ってレーザをチューニングしながら(波長計、モノクロメータ、又は、光スペクトラムアナライザを用いて)波長の関数として電力を測定することによって測定することができる。モードホップフリー同調範囲は、一般に、モードホップの周波数が不連続ジャンプとして検出することができる走査型ファブリ·ペロー共振器を用いて測定される。

Protocol

1。コンポーネントの選択

  1. 興味のある原子について適切な波長でダイオードを選択します。これは、選択されたダイオードは、シングルモード(SMことが重要であり、アプリケーションのための十分な力を持っている。反射防止コーティングされたダイオードが理想的である。これらのダイオードは、外部共振器を添加していないLASEず、彼らはECDL動作用に明示的に設計されています。彼らは、特にレーザーの波長をスキャンすることが重要であるアプリケーションのために、大幅に優れた性能を有する。ここで使用されるレーザダイオード)材料のリストに記載されています。
    マカダムのように。3、ECDLはしっかりとダイオードとコリメートレンズに合うように設計されなければならない。機械的安定性および熱的接触は、レーザの良好な動作のために重要である。建設、最小限の加工を容易にするために、成功は、ダイオードレーザは、集積レンズ筒(材料のリスト)で使用したマウントされている。
  2. ダイオードを平行にするレンズを選択します。それ開口数がそれ以外の実質的な損失があるだろう匹敵するか、またはダイオードの開口数よりも大きいことが重要である。ほとんどのダイオードは、高開口数(> 0.5)を有する非球面レンズを必要とする、そうでなければ収差が非常に低く、フィードバック効率をもたらすであろう。収差を低減するために格子と動作波長近傍の設計波長でのビームサイズを増加させるために長い焦点距離のレンズを選択し、確認し、レンズが動作波長において反射防止コーティングであることを確認してください。実証システムで使用されるレンズのための材料のリストを参照してください。
  3. レーザダイオードの周波数範囲と格子チューニングアーム中心角のための適切な外部の格子を選択します。一次に回折される光の波長は、リトロー構成は、dは格子線の間隔、λ= 2 Dの(θ)で与えられ、θは入射回折格子の角度であり、λ波長21( 図1B)。そこ回折の2つの主なタイプは、回折格子、ホログラフィックおよび罫線であり、両者はブレーズいてもいなくてもよい。回折された電力格子の種類に応じて、実質的に異なる場合があります。百分の20から30までの間の回折効率を持つホログラフィック格子を目指す。実証システムで使用される回折格子のための材料のリストを参照してください。
  4. 管理可能な最も単純な設計を使用する - 複雑さは、多くの場合、不安定性を意味します。そこにECDLのデザインの膨大な数がありますが、最も簡単なのはリトロー3,5,7,22です。論文を読み、大規模なモードホップフリーレンジ(周波数範囲はその上にダイオードが連続して急に別の周波数にジャンプせずに調整することができます)、非常に狭い線幅または減少ポインティング変動はアプリケーションのために最も重要であるかどうかを決定します。 ECDL設計を開始する前に、できるだけ多くの情報を入手します。多くの場合、格子ECDLは原子物理学の応用に十分以上である。
  5. それは、ECDLの性能が最も強くダイオード電流を駆動し、レーザの温度を安定させる電子機器に根ざしていることを認識することが重要である。エレクトロニクスの良いセットせずに機械的なデザインはアンダーが実行されます。含まれるのは、表1の異なる電流、温度コントローラーの比較である。電流ノイズが低いほど、より良いレーザーが23を実行します。

2アセンブリ

  1. 本論文の目的のためにECDLアセンブリの出発点は、成分( すなわち格子およびレーザーダイオード)を選択する周波数のない熱電冷却(TEC)に搭載された完全なECDL機械システムになります。
  2. そのそれぞれの取り付け穴にレーザダイオードを配置することによって開始し、その取り付けリングを使用して固定します。ていない過トルクマウントリングに注意してください。ジャストサイズが、タイトではない必要があります。
  3. 電流を供給し、レーザダイオードを接続する前に、CHEアノード、カソードとグランド·ピンの割り当てについては、ダイオードの仕様書をCK。これはダイオードからのダイオードに変化し、逆方向ダイオードを流れる電流を置くこと、それを破壊します。
    1. レーザダイオードは、低電圧デバイス、通常5〜10 Vの最大値であり、注意が静的がそれらに排出されないように注意する必要があります。これは、製品を取り扱う際に接地ストラップを着用し、高電圧を防止するために、レーザダイオードのピンの間に保護回路( 例えば 図2)をインストールすることをお勧めします。ダイオード缶とグランド·ピンは永久に接地する必要があり、細いワイヤの使用は、機械的な振動の結合を低減するのを助けることができる。
  4. ダイオード仕様書の値に従って最大値と最小温度とダイオード·コントローラの最大ダイオードとTECの電流制限を設定する。最低作動温度は、ラボ用の露点未満である場合、約2°Cダボの最低温度を使用露点を見る。これは、結露を避けることができます。
  5. ダイオード仕様書は通常、指定されたダイオード電流の温度図対波長を有する。対象となる波長と一致するように、最初はダイオード温度(および電流)を設定するために参考にしてください。波長対温度のグラフを室温に設定温度を調整できない場合。
  6. 上の温度調節器の電源を入れ、温度を安定させる。
  7. ダイオードを投入し、出力ビームが明確に視認カードで観察できるように、電流を上げる。ビームを表示するには、IRカードを使用してください。
  8. 非球面コリメータレンズを挿入し、ダイオードとレンズとの間の分離を調節することにより、レーザダイオードをコリメートする。良い平行化を確実にするために理想的> 3メートル、ビームは明確なパスを持っていることを確認し、ECDLと、ビーム経路の最後にはそれを確認している、同一の直後のビーム径までレンズ位置を調整ビームIパスに沿った任意の点で焦点を当てていないよ。
  9. ダイオードレーザーからの偏光をチェックするには、(SまたはP)を回折格子のために必要な平面内にある。ほとんどの場合、ダイオードの偏光は楕円ビーム形状の短軸に沿っているが、それは、偏光ビームスプリッタを使用した偏光軸をチェックすることをお勧めします。
    1. ビーム軸が所望の平面内にない場合、ダイオード取付リングを緩め、適切な配向が達成されるまで、ダイオードを回転させる。いくつかのECDLの設計では、これにレーザーで行われ、電流源に接続することを可能にする他はない。電流供給線がダイオードを回転させるために除去されなければならない場合は、コントロールボックスでの電流供給をオフにして、配線を外します。 ECDLの温度制御は、このプロセス中に残ることができる。ダイオードを取り扱うときは、必ずアースストラップを着用することを忘れないでください。
    2. それはダイオードの位置を変更する必要があった場合はダイオードをrecollimate前の手順を繰り返します。
  10. 回折格子の回折面は、通常、格子線に対して垂直な矢印とブレーズ反射方向には製造業者によって標識される。ダブル角度の関数として、例えば、電球のように、広帯域光源からの反射を観察することによってこれを確認する。
    1. 格子は矢印が頭の上に観測者と広帯域光源に向かって戻って指して保持されている場合、反射された光は、回折格子の角度の関数としての色に変化します。
    2. バックダイオードに向けたため、回折格子の角度を調整する矢印の波長がバックダイオードに( 図1Aおよび1B)を反射し変化するように回折格子をマウントします。
  11. 回折格子の向きは、接着剤などのロックタイトなどの高速な設定接着剤を使用してECDLチューニングアームの格子が確認された後。

3。フィードバックアライメント

  1. ECDL出力に整列視聴カードも置くAM。これは、調整は、回折ビームのポインティングに行われるようにレーザーパワーを監視するために使用される。パワーメータを使用しても、その応答遅い可能性があります。
  2. ダイオード制御ボックスの設定電流を調整するだけで反射フロントファセットダイオードと1月3日のARコーティングされたダイオード·ゲイン·チップの最大電流のしきい値電流以下で 。 ARコートゲインチップがいない間に反射フロントファセットダイオードは、その仕様やデータシート上のしきい値電流を持つことになります。
  3. 、水平方向にも垂直方向に回折格子アームの角度を調整し、バックダイオードに回折ビームを操縦するために、効果的に外部フィードバック空洞を作る。ビームは、レーザダイオードに向けられるとき、視聴カードまたはパワーメータやフォトダイオードを使用して測定された電力の劇的な増加に著しい増加又は明るい閃光として観察出力電力の大幅な増加が存在するであろう。
    1. 鑑賞カードは非常に定量的尺度のOではありませんfは電源を増分レーザダイオード電流を低下させ、上記の動作まで帰還ビームを再調整する必要があるので、できるだけ低い電流で見ることができる。
    2. ダイオードファセットで集束最適化するためにコリメーションレンズ焦点又は軸方向位置を調整することで、さらに閾値を下げ、それが水平方向および垂直方向に回折格子角度を再最適化することが必要であろう後の出力電力を増大させることができる。

4。初期周波数の選択

  1. レーザーの初期周波数整合理想的に<1 nmおよび<0.1 ​​nmのが理想的であるの精度で波長の絶対測定のため。この粗い周波数測定は、後の工程で原子遷移にレーザ周波数をチューニングすることがずっと簡単になります。波長計、光スペクトラムアナライザ、スペクトロメータ、またはカメラとモノクロメーターを使用したなど、多くのオプションがあります。校正され、正確な装置が使用されていることを確認したり、Cをチェック例えばalibration、HeNeレーザーを用いた。あるいは、粗い周波数調整は、通常、蒸気基準セルからの吸収または蛍光シグナルを見ることができるまで、レーザ走査の間の格子角と電流を歩くことによって達成することができる。
    1. 一般に、二次ビームがガラスウェッジプリズム又はλ/ 2波長板と偏光ビームスプリッタを用いて、メインビームからピックオフ、波長計のための入力として使用される。この光学セットアップを図1Dに見られる。このデモで使用される材料のための材料のリストを参照してください。
  2. 所望の出力波長が得られるまでECDLを調整します。電流、温度、格子の角度と外部共振器長を駆動ダイオードはすべて、レーザ周波数24( 図3)に影響する。
    1. 手やピエゾを使用するか、格子の角度を調整することから始めます。第二に、ダイオード電流を調整します。
    2. もし希望するfreque所望の波長が赤である場合には、格子NCY掃引範囲の青に、ダイオードの温度が低下し、その逆されるべきである。

5。細かい周波数調整と周波数ロック

  1. 図1F 3,14,17で構成を使用してECDL出力に飽和吸収分光法を設定します。直後に、レーザー後の光アイソレータを使用すること( 図1C)が不可欠である。それが不安定になる可能性がありますレーザーの中に後方反射を避けることが重要である。興味のある原子を含む、参照セルを使用して飽和吸収分光法は、狭い原子遷移25にレーザーをロックするための簡単な方法です。
    1. 参照セルが後方反射を避けるために、角度にあり、ミラーレトロバック最大オーバーラップを有する蒸気セルを通して光を反映していることを確認してください。ダブルパス伝達された動力はEとしてフォトダイオードを用いてモニターすることができるCDL波長がスキャンされます。
  2. ほとんどのダイオード·コントローラは、格子ピエゾ電圧、したがって格子角度と外部共振器長を調整することによって、又はダイオード電流を変調することにより、波長をスキャンし、スキャン機能が組み込まれています。吸収信号は、光検出器に接続されたスコープで見ることができるまで、幅、オフセットおよびレーザ温度と現在のスキャンを調整すべきである。レーザーは原子遷移オーバースキャンされる場合、それは肉眼でまたはIRビューアから蒸気セルの蛍光を発するか、Flashのレーザ光路を見ることが可能なはずである。
  3. 飽和吸収分光法のための参照光の単位面積あたりの電力は、原子遷移の飽和強度で以上である必要があります。クリア吸収信号を見ることができるまで、電力を増加させるために偏光ビームスプリッタの前にλ/ 2波長板を用いる。飽和強度の計算は、フット16に記載されています。
  4. 780ナノメートルのRb原子遷移上のレーザー走査で、広いドップラー広がり吸収信号は、フット16内で燃焼〜10 MHzの( 図4)は、複数の鋭い遷移に、〜5 GHzの幅が見られるべきである。飽和吸収信号を生成するために使用される電力を最小化することが電力の拡がりを低減し、よりシャープにロックする機能を生成することが必要である。
  5. ECDLの周波数をロックするために、誤差信号が必要である。 図5の 10のように基準セルの周囲にコイルを配置し、磁界を振動させることにより、ゼーマンレベル、従って遷移の周波数が変調される。この場合、ゼーマンコイルに流れる電流を約1 Gの大きさ約250 kHzで変調され、
  6. 関数発生器からの変調信号が飽和吸収光検出器からの吸収信号を混合する。ミキサからの出力はオシロスコープで見たときには、エラー信号siをすべきである図4を参照するmilar。誤差信号の強度は、2つの混合信号間の相対位相に依存するであろう。位相を調整する蒸気セルの前にλ/ 4のビームスプリッタを回転させます。
  7. 徐々にスキャン範囲を減らし、現在無し他の遷移に関心の推移の上にスキャンを中心にオフセットを調整します。
  8. 比例積分微分(PID)回路(例えばマカダム3参照)、エラー信号を用いてECDLの波長をロックするために使用されてもよい。 PIDゲインはリンギングが(エラー信号トレースのフーリエスペクトルアナライザまたはフーリエ変換を用いて、例えば )エラー信号における変調の存在を調べることによって観察される点未満に減少されるべきである。

6。線幅測定

  1. 正確な線幅測定を達成するためには、リットルで公知の狭い線幅ソース(他のレーザのいずれかを有することが必要であるECDLよりも大幅に少ないinewidth)、同じECDLsまたは長いECDLのコヒーレンス長に比べて遅延線の2。ここ2 ECDLsは線幅を測定するために干渉されます。あるいは、ロックループの帯域幅以上のノイズに対する原子遷移又はファブリペローキャビティと嵌合することにより製造さ共鳴にロックすることが容易であり得る。
  2. 異なる超微細遷移に2レーザーをロックし、理想的には約100 MHzのオフセット。これは電子ノイズの影響を最小限に抑えることができます。
  3. モード、電源および分極が2つのビームを一致させ、ビームスプリッタを無偏50/50を使用してそれらを一緒に干渉する。光検出器上の結果、ビームの位置を合わせます。光検出器の信号出力は、オフセット2レーザの周波数の周波数の正弦波である必要があります。フォトダイオードが損傷したり、飽和しないように、それは、結果として生じるビームを減衰またはデフォーカスする必要があるかもしれない。
    1. 2鼓動ビームの重なりは、フリンジの続きを決定しますRASTなどの線幅測定中にスコープで見た。縞コントラストが悪いと、ビームスプリッタと検出器上のビームのモードマッチングと重なりを改善する追加の時間を費やす。良い方法は、「2虹彩を用いて2つのビームをオーバーラップすることで、比較的大きな距離によって隔てピンホール、約1 mである。
  4. これは、オシロスコープの周波数変動を解決することは困難になります。最高の測定のために、線幅とのビート周波数を中心とフォークト·プロファイルを与えるであろう、スペクトラムアナライザを使用 Δfは 、畳み込まれたレーザ線幅に等しい( 図6)。良い近似にトレースは、ガウスフィットから得線幅にフィットさせることができる。測定されたノイズや線幅がスペクトルアナライザの分解能帯域幅を調整することによって設定することができる捕捉又は積分時間に依存する。男の言葉を引用すると、この理由のため、積分時間を引用することは重要であるeasured線幅。

Representative Results

、周波数ロックを整列させ、ECDLの線幅を特徴付けるに関わる5つの主要なステップがあります。これらは:格子からのフィードバックを得て、参照セルにレーザー吸収を観測する、波長計で測定した粗ECDL周波数を設定し、これを使用して、飽和吸収分光セットアップで自然な線幅の周りの分解能で原子遷移を見て、取得するエラーそれに必要な移行とロック付近の信号、そして最終的に2つのレーザのビートノートを観察し、レーザ線幅を測定する。第一段階が正常にかなり自明波長計で読み取るように波長が関心の原子遷移に対応するときに、終了する。参照セルにおける吸収を達成しようとするときに遷移に達したときに、蛍光は、IRビューアでセル内のビーム経路に沿って見ることができる。 ECDLがセルをスキャンしている場合は点滅します。飽和吸収信号は、WHE見つけることは困難である伝送線はドップラー吸収ピークに比べて非常に小さい可能性があるため、n個の第整列させる。 図4に示したものと同様のピークが、見ることができる場合には、飽和吸収システムが正常に動作している。位相及びスキャンパラメータを調整することにより、図4に示したものと同様のエラー信号が得られるべきである。 ECDL線幅を測定するためには、2つのビーム間のビート信号を得ることが必要である。ビームがますます重なっなると正弦波は、光検出器からの範囲に見られるように、表示されるようになります。ノードとアンチノードの間のコントラストが最大になるまで揃えておいてください。ビート信号は、次に類似の電子信号のスペクトラムアナライザを通過する際6が理解されるべきである。レーザ線幅は、この信号から測定することができる。完全な光学セットアップを図1に見ることができる。

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図1完成光学系のセットアップこれは、A議論ECDLシステムのための完全な光学系の設定の一例です。。。これはECDLのリトロー構成を示している。パーセンテージは、回折格子に入射するビームの20〜30%、典型的には、バックダイオードに回折される。回折角と反射角は等しい。回折格子は、回折格子の角度を制御するためのピエゾを使用してチューニングステージに取り付けられているB:レーザダイオードからの出力ビームは、0次反射およびバックオフ送信される1次回折角度θで回折格子に入射する入射ビーム経路に沿っ。回折光の波長は、リトロー構成で、λ= 2 Dの(θ)で与えられるC:光の位置、向きがあるolatorレーザダイオードDに不要なフィードバックを防止するために、次のレーザボックスからの出力ビームは、λ/ 2波長板とPBSを通過し、波長計に揃えられます。反射および透過ビームのパワーは、波長板を回転させることによって調整することができるE:実験に用いたビームライン。この行は、レーザのパワーの大部分を含むことになるFは:PBSを飽和強度で以上の参照光を渡し、λ/ 4波長板、参照ガスセル、レトロ戻し、PBSにそれを反映している。それは、二つのビームがよく、適切な飽和分光法を取得するために重複していることが重要です。波長板は、ビームスプリッタの反対側のポートから出ることを可能に入射ビームから90°回転されるレトロな反射ビームの光の偏光を保証します。 大きなIMAGを見るにはここをクリックしてくださいE。

図2
図2レーザダイオード保護回路。レーザダイオード電流の例示保護回路R 1およびC 1形態の基本的なRC回路および高周波ノイズD 1及びD 2をフィルタリングし、それぞれのショットキーツェナーダイオードである。速い応答時間を有するショットキーダイオードは、逆電圧から保護するために所定の位置にあり、遅い応答時間を有するツェナーダイオードは、それによって回避電流があれば、レーザダイオードの最大動作電圧以上に通過できるように設計されているレーザダイオードの損傷。コンポーネントの典型的な値は、R 1 = 1Ω、C 1 = 1 mFでD 1 = 30 Vになり、D 2 = 6 VのR1とC1のために選択された値は、ダイオードの電流変調帯域幅が制限されます。これは、より小さくてもよい理想的なエラー信号は電流変調の代わりに論じゼーマン変調を介して生成されている場合。

図3
図3 ECDLグリーンモードを競合:格子に応じて50GHzの≈回折次数格子の線幅を赤色固体として得た。10 MHzおよび自由スペクトル領域≈80 GHzの≈線幅のレーザダイオードの内部空洞モードレッドダッシュ:反射防止コーティングされたダイオードの内部空洞。これらのダイオードは、nm範囲の線幅を有する青色:≈500 kHzと≈5GHz帯の自由スペクトル範囲の線幅を有する外部キャビティモードを。長さ3cmの外部キャビティから。回折格子の角度を調整すると、緑色の曲線とSiの中心をシフトします同時進行だけでなく、青色の曲線をシフト順番に外部共振器の長さを変更してください。ダイオード電流と温度の調整は、赤の曲線をシフトします。

図4

図4飽和吸収分光法とそれに対応するエラー信号ルビジウム87下側の曲線:。ドップラー無料分光法から形成されたはるかに広いドップラー吸収ピークに飽和吸収ピーク。上側の曲線:対応する飽和吸収システムのための誤差信号。誤差信号の上のラベルには、原子遷移(F→F ')に対応しています。

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図5。ゼーマンコイル。コイルはゼーマン変調で使用されるルビジウム蒸気セルの周りに巻か。

図6
図6。レーザ線幅。信号は、2つの類似したレーザーによって形成されたビート音のスペクトラムアナライザから取得した。図から、ビートが206.24 MHzおよび20ミリ秒の積分時間0.3メガヘルツの線幅の周波数を有する。

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電流を制御する レンジ ノイズ
トールラボ:
LDC200CV 0〜20ミリアンペア <1μA(10ヘルツ-10メガヘルツ)
LDC201CU 0〜100ミリアンペア <0.2μA(10ヘルツ-10メガヘルツ)
LDC202C 0〜200ミリアンペア <1.5μA(10ヘルツ-1メガヘルツ)
LDC205C 0〜500ミリアンペア <3μA(10ヘルツ-1メガヘルツ)
Moglabs:
DLC-202 0〜200ミリアンペア <300 PA /√Hzで
0〜250ミリアンペア <300 PA /√Hzで
DLC-502 0〜500ミリアンペア <300 PA /√Hzで
スタンフォード·リサーチ·システム:
LDC500 0〜100ミリアンペア <0.9μAのRMS(10 Hzで-1メガヘルツ)
LDC501 0〜500ミリアンペア <4.5μAのRMS(10 Hzで-1メガヘルツ)
TOPTICA:
DCC 100分の110 0〜100ミリアンペア 200 nAのRMS(5 HZ-1 MHzの)
DCC 500分の110 0〜500ミリアンペア 1μARMSで(5 HZ-1 MHzの)
温度調節器
トールラボ:
TED200C -45〜145℃、 ±2 mKで
Moglabs:
DLC-202 -40〜50℃ ±5 mKで
DLC-252 -40〜50℃ ±5 mKで
DLC-502 -40〜50℃ ±5 mKで
スタンフォード·リサーチ·システム:
LDC500 -55〜150℃、 ±2 mKで
LDC501 -55〜150℃、 ±2 mKで
TOPTICA:
DTC 110 0〜50℃ ±2 mKで

表1。ダイオード電流および温度調節器。その範囲とノイズレベルとの様々な企業のダイオード電流と温度コントローラ。

Discussion

この公報は、レーザ線幅の測定を生成するために整列し、周波数ロックを通じて解体しECDLから移動する方法を示しています。機械設計などのPIDサーボ、ダイオード·ドライバ、および温度コントローラなどの電子機器の設計では、ここで議論するにはあまりにも専門的であるが、総合的に参照された出版物1,3,5で議論されてきた。

ダイオードECDL年代は原子物理学ラボで定番となっているが、これらのクレビスが到達できる種と遷移が制限されています。多くの進歩は、しかしながら、現在多くのギャップは、特にUVに残る系レーザダイオードの波長範囲を広げるてなされたものである。 ECDLシステムの電力​​制限は、アプリケーションを制限し続けています。裸シングルモード·ダイオードはμWattsからミリワットの100のへの電力の範囲である。さらに、テーパ増幅器は、シングルモードレーザ総電力を増加させるECDL系に添加することができるワットレベルまで。ワットまたは他の波長よりもはるかに大きいシングルモード·パワーが必要な場合は別のレーザ·アーキテクチャが必要とされる。これらは、ファイバレーザ26,27例えばTiSaphレーザなどの固体レーザ、またはそれらが非線形周波数変換に依存することができるようなラマンレーザーのような27を処理し、四光波混合、和周波発生、または光パラメトリック発振器を含む。

この出版物は、原子蒸気セルに依存しているロック機構に焦点を当てています。原子物理学の単純なガラス蒸気セル内の多くのアプリケーションでは、ここで説明したように、使用できない場合があり、そのようにはYbのような種の場合である。様々な種で基準試料を得るための多くの他の技術は、例えば、ホット原子ビーム、放電ランプ、緩衝ガス·セル、ヨウ素細胞、およびスパッタリング細胞として実証されている。

このレーザシステムの設計は、本質的に≈30 kHzの2の線幅に制限される8、通常は100kHzに近い。アプリケーションでは、26が必要な狭い線幅の他安定化技術や代替レーザ設計を必要とする場合。

光学系での作業時はいつでも、清潔さが最も重要である。最初に導入され、手袋を誤って光学面に触れないように着用して光学部品を取り扱うされる際には、お勧めします。視神経に傷がされた場合には、レーザ·システムでは使用しないでください。ほとんどの場合、指紋や埃を有する光学系がそれぞれアセトンまたは圧縮空気で洗浄することができる。光学面内の任意の欠陥は、システムに損失や潜在的にノイズを導入しますことができます。光学マウントは、すべての回で、光学ベンチに固定する必要があり、しっかりと所定の位置に一度ダウンしてボルトで固定する必要があります。

例えば、波長板と偏光ビームスプリッタ等の光学部品を整列させるとき、光は、光学面に垂直入射付近にあることを確認しながら、AVO背中のレーザーに反射をiding。これらの光学素子の挙動は理想から更になり、さらに°入射角として90から外れる。収差を最小限に抑え、開口数の光を最大化するためには、常にレンズの中心を通過し、レンズに対して垂直である必要があります。対照的に、気相セルは、エタロン効果を回避するために、入射ビームに対してわずかな角度で配置されるべきである。このような理由から、多くの蒸気セルは非平行端面で製造されています。

ここで使用されるレーザーは、クラス3Bです。でも、浮遊反射が眼の損傷の可能性があります。このタイプのレーザーでの仕事は、レーザーの危険性を熟知し訓練を受けた者が行うべきである。レーザー安全メガネを常に着用する。光学的アライメントのための任意のレーザーのパスへの直接見ておらず、光学部品オフ危険な鏡面反射を生成しないようするために特別な注意を取ることはない。常に積極的にビームラインのUSIを終了ビームダンプngの。

Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。具体的な製品名および会社の引用は明確化を目的としており、作成者による保証はありません。

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

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References

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