원자 물리학에 대한 외부 공동 다이오드 레이저의 구조 및 특성

1. 구성 ​​요소 선택 관심의 원자에 해당하는 파장의 다이오드를 선택합니다. 그것은 선택한 다이오드 단일 모드 (SM하고 응용 프로그램에 대한 충분한 능력을 가지고하는 것이 중요합니다. 반사 방지 코팅 된 다이오드가 이상적입니다.이 다이오드는 외부 공간의 추가없이 LASE하지 않습니다 그들이 ECDL 작업에 대해 명시 적으로 설계되어 있습니다. 그들은 특히 레이저의 파장을 스캔하는 것이 중요 애플리케이션을 위해, 훨씬 더 나은 성능을 가지고 있습니다. 여기에 사용되는 레이저 다이오드) 재료의 목록에 나열되어 있습니다. 에 맥 아담 등. 3으로, ECDL 단단히 다이오드와 시준 렌즈에 맞게 설계되어야한다. 기계적 안정성 및 열 접촉은 레이저의 좋은 작업에 중요합니다. 건설, 최소한의 가공의 용이성을 위해, 성공은 다이오드 레이저가 통합 된 렌즈 튜브 (자료 목록) 마운트를 사용했다되었습니다. 다이오드를 조준하는 렌즈를 선택합니다. 그것개구 달리 상당한 손실이있을 것이다 대등 또는 다이오드의 개구 수보다 더 큰 것이 중요하다. 대부분의 다이오드는 높은 개구 (> 0.5)가 비구면 렌즈를 필요로, 달리 수차는 매우 낮은 피드백의 효율성을 초래할 것이다. 수차를 감소시키는 회절 격자와 동작 파장 근처의 설계 파장에서 빔 크기를 증가시키기 위해 긴 초점 길이 렌즈를 선택, 확인 렌즈 작동 파장에서 반사 방지 코팅인지 확인. 입증 된 시스템에 사용되는 렌즈 재료의 목록을 참조하십시오. 레이저 다이오드의 주파수 범위 및 격자 튜닝 아암 중심각위한 적절한 외부 격자를 선택한다. 첫 번째 순서로 회절 된 빛의 파장, 리트로 구성이, d는 격자 줄 간격이다 λ = 2 D의 죄 (θ)에 의해 주어진, θ는 입사 격자 각도와 λ(그림 1B) 21 파장. 거기에, 격자 홀로그램과 지배 회절의 두 가지 종류가 있으며, 모두가 뭐래 또는 수 없습니다. 전력 회절 격자의 유형에 따라 실질적으로 변할 수있다. 20 ~ 30 % 사이의 회절 효율을 갖는 홀로그램 그레이팅 조준. 입증 된 시스템에 사용되는 격자 재료의 목록을 참조하십시오. 관리 단순한 디자인을 사용 – 복잡도는 종종 불안정을 의미한다. 이 ECDL 디자인의 광대 한 수는 있지만 가장 간단한 리트로 3,5,7,22입니다. 논문을 읽고 큰 모드 홉 무료 범위 (주파수 범위가있는 동안 다이오드가 지속적으로 갑자기 다른 주파수로 점프하지 않고 조정할 수 있습니다), 매우 좁은 선폭 또는 감소 포인팅 변화가 응용 프로그램에 대한 가장 중요한 정보인지 여부를 결정합니다. ECDL 디자인을 시작하기 전에 가능한 한 많은 정보를 얻습니다. 종종 격자 ECDL은 원자 물리학의 응용 프로그램에 대한 적절한 이상입니다. 그것은 ECDL의 성능이 가장 강하게 다이오드 전류를 구동하고, 레이저의 온도를 안정화 전자에 뿌리를 실현하는 것이 중요하다. 전자의 좋은 세트를 사용하지 않고 기계적인 디자인의 밑에 수행합니다. 를 포함하는 표 1에 다른 전류 및 온도 제어기의 비교이다. 전류 잡음 낮을수록 레이저 (23)를 수행한다. 2. 총회 본 연구의 목적 ECDL 조립체위한 출발점은 컴포넌트 (즉, 격자 및 레이저 다이오드)를 선택하는 주파수없이 열전 냉각기 (TEC)에 장착 완료 ECDL 기계 시스템 일 것이다. 그 각각의 장착 구멍에 레이저 다이오드를 배치하는 것으로 시작 및 부착 링을 사용하여 고정. 끝나지 토크 장착 링에주의하십시오. 그것은 아늑하고 그러나 단단해야한다. 전류 공급, 체에 레이저 다이오드를 연결하기 전에애노드, 캐소드 및 접지 핀 할당 다이오드 사양서를 CK. 이 다이오드에서 다이오드 변화와 다이오드를 통해 전류를 넣는 것은 거꾸로을 파괴 할 것이다. 레이저 다이오드는 낮은 전압 장치, 일반적으로 5 ~ 10 V의 최대 및 관리가 정적이 그들로 배출되지 않도록주의해야합니다. 이 다이오드를 처리 할 때 접지 끈을 착용하고 높은 전압을 방지하기 위해 레이저 다이오드 핀 사이에 보호 회로 (예를 들어, 그림 2)를 설치하는 것이 좋습니다. 다이오드 및 접지 핀이 영구적으로 접지되어야하고 세선의 사용은 기계적 진동의 커플 링을 감소 시키는데 도움을 줄 수있다. 다이오드 사양서의 값에 따라, 최대 및 최소 온도와 다이오드 컨트롤러 최대 다이오드와 TEC 전류 제한을 설정. 최소 작동 온도가 실험실에 대한 이슬점 이하 인 경우 1 ~ 2 ° C ABO의 최저 온도를 사용노점을했습니다. 이 응축을 방지 할 것이다. 다이오드 사양 시트는 일반적으로 주어진 다이오드 전류의 파장 대 온도도 있습니다. 처음에 그 파장과 일치하도록 다이오드 온도 (전류)를 설정하는 기준으로서이 수치를 사용한다. 파장 대 온도의 그래프를 사용할 수없는 경우에는 실온 설정 온도를 조정한다. 의 온도 조절기의 전원을 켜고 온도가 안정 될 수 있도록. 다이오드를 켜고 출력 빔이 선명하게보기 카드로 관찰 할 수 있도록 현재를 켭니다. 빔을 볼 IR 카드를 사용하십시오. 비구면 콜리 메이팅 렌즈를 삽입하고 다이오드와 렌즈 사이의 간격을 조정하여 레이저 다이오드를 시준. 좋은 시준을 지키기 위하여 빔 명확한 경로를 가지고 있는지 확인 이상적> 3m, 단지 ECDL 전후 빔 경로의 끝에서 빔 직경까지 렌즈 위치를 조정 해당 검사하는 것을 확인되고, 동일 빔 I경로를 따라 어느 시점에 초점이 아니다. 다이오드 레이저로부터 분극을 체크는 (S 또는 P)을 회절 격자에 대한 원하는 평면에있다. 대부분의 경우, 다이오드의 편광은 타원 빔 형상의 짧은 축 방향이지만, 편광 빔 스플리터를 사용하여 축 편광을 확인하는 좋은 방법이다. 광축이 원하는 평면에 있지 않은 경우, 다이오드 장착 링을 풀고 적절한 배향이 얻어 질 때까지 회전 다이오드. 일부 ECDL 설계는 이것이에 레이저로 수행하고, 전류원에 연결되도록 허용하고 나머지는하지 않는다. 전류 공급 선이 다이오드를 회전하기 위해 제거해야하는 경우, 컨트롤 박스에 전류 공급을 끄고 전선을 제거합니다. ECDL 온도 제어가이 과정에 남아있을 수있다. 다이오드를 처리 할 때 항상 접지 대를 착용해야합니다. 그것은 다이오드 다이오드를 recollimate 이전 단계를 반복하여 위치를 변경 할 필요가 있다면. 회절 격자의 회절면은 일반적으로 격자 라인에 수직으로 그리고 화살표 블레이즈 반사 방향으로 제조자에 의해 표시된다. 이중 각도의 함수와 같은 전구와 같은 광대역 광원으로부터의 반사를, 관찰함으로써이를 확인. 격자는 화살표가 머리 관찰자와 광대역 광원을 향해 다시 가리키는 개최하는 경우, 반사 된 빛은 회절 격자 각도의 함수로 색상이 변경됩니다. 다시 다이오드쪽으로 따라서 격자 각도를 조절 화살표가이 파장이 다시 다이오드로 (그림 1A 및 1B)를 반영 변화되도록 격자를 장착합니다. 격자 배향 접착제 록타이트 등과 같은 빠른 설정 접착제를 사용 ECDL 튜닝 암에 격자 확인되면. 3. 피드백 정렬 ECDL 출력에 정렬보기 카드를 수 놓습니다입니다. 이 조정은 회절 빔 포인팅 이루어지는대로 레이저 파워를 모니터하기 위해 사용될 것이다. 파워 미터도 사용하지만 응답 속도가 느립니다 수 있습니다. 다이오드 제어 박스에 설정 전류를 조정하는 것만 반사 전면 패싯 다이오드 및 1 / 3 AR 코팅 다이오드 이득 칩에 대한 최대 전류 임계 전류 이하. AR 이득 칩하지 않는 코팅하는 동안 반사 앞면 다이오드는 규격이나 데이터 시트의 임계 전류를해야합니다. , 수평 및 수직 격자 팔의 각도를 조정 다시 다이오드에 회절 빔을 조종하기 위해, 효율적으로 외부 피드백 공동 제작. 빔은 레이저 다이오드에 관한 것이다 때 뷰잉 카드 또는 전력계 또는 포토 다이오드를 사용하여 측정 전력의 극적인 증가의 현저한 증가 또는 밝은 플래시와 같은 관찰 가능한 출력 전력의 상당한 증가가있을 것이다. 보기 카드는 매우 정량적 측정 O 없습니다힘 F는 점진적 레이저 다이오드 전류를 낮추고 위의 동작까지 피드백 빔을 다시 조정해야 할 수 있도록 가능한 한 낮은 전류에서 볼 수있다. 다이오드 패싯에 초점을 최적화하기위한 시준 렌즈 초점 또는 축 방향 위치를 조정하면, 상기 임계 값을 낮추고는 수평 및 수직 격자 각도를 다시 최적화 할 필요가있을 것이다 후에 출력 전력을 증가시킬 수있다. 4. 초기 주파수 선택 이상적으로 초기 주파수 레이저의 정렬 1 nm의 <의 정밀도를 가진 파장의 절대 측정을 위해 <0.1 ​​nm의 이상적입니다. 이 거친 주파수 측정은 훨씬 쉽게 이후 단계에서 원자 전이 상 조정 레이저 주파수를에 만들 것입니다. 파장계, 광 스펙트럼 분석기, 분광계, 또는 카메라와 분광기를 사용하는 등 많은 옵션이 있습니다. 확실히 보정 정확한 장치를 사용하거나 그 C를 확인헬륨 네온 레이저를 사용하여, 예를 들어 alibration. 대안 적으로, 초기 주파수 조정은 보통 증기 레퍼런스 셀에서 흡수 또는 형광 신호가 볼 수있을 때까지 레이저 스캐닝 동안 격자 각도와 현재 워킹에 의해 달성 될 수있다. 일반적으로 보조 빔이 유리 웨지 프리즘 또는 λ / 2 파장 판과 편광 빔 스플리터를 이용하여, 메인 빔으로부터 고른, 파장계에 대한 입력으로 사용될 것이다. 이 광학 설정은 그림 1D에서 볼 수있다. 이 데모에 사용되는 재료에 대한 재료의 목록을 참조하십시오. 원하는 출력 파장을 얻을 때까지 ECDL을 조정합니다. 전류, 온도, 격자 각도와 외부 공동의 길이를 운전 다이오드는 모두 레이저 주파수 (24) (그림 3)에 영향을 미칠 것입니다. 손으로 또는 압전을 사용하거나, 격자 각도를 조절하여 시작합니다. 둘째, 다이오드 전류를 조정한다. 만약 원하는 freque를원하는 파장이 적색에있는 경우 NCY가 격자 스위프 범위의 청색이며, 다이오드의 온도가 감소하고 그 반대로한다. 5. 미세 주파수 조정 및 주파수 잠금 그림 1 층 3,14,17의 구성을 사용하여 ECDL 출력에 포화 흡수 분광을 설정합니다. 즉각 레이저 후의 광 아이솔레이터의 사용 (도 1C) 필수적이다. 그것은 불안정을 야기 할 수있는 레이저에 반사를 다시하지 않도록하는 것이 중요합니다. 또한 원자를 함유, 레퍼런스 셀을 사용하여 포화 흡수 분광법 좁은 원자 전이 (25)에 레이저를 잠글 수있는 간단한 방법이다. 기준 셀이 반사를 다시 피하기 위해 각도에 미러 복고풍이 다시 최대 오버랩 증기 셀을 통해 빔을 반영하도록합니다. 더블 패스 송신 전력은 E로서 포토 다이오드를 이용하여 모니터링 될 수있다CDL 파장은 스캔됩니다. 대부분의 다이오드 컨트롤러 것이다 격자 압전 전압 따라서 격자 각 및 외부 공동의 길이를 조절함으로써 또는 다이오드 전류를 변조함으로써 파장을 스캔 스캔 기능 내장. 폭은, 오프셋 스캔 흡수 신호는 광 검출기에 연결된 범위에서 볼 수있을 때까지 레이저 온도 및 전류가 조정되어야한다. 레이저 원자 전이 위에 주사 경우에는 증기 셀에서 형광을 레이저 빔 경로를 참조하거나 육안 또는 IR 뷰어를 통해 플래시 할 수 있어야한다. 포화 흡수 분광학에 대한 참조광의 단위 면적당의 전력은 원자 전이에 대한 포화 농도에 이상이어야한다. 클리어 흡수 신호가 볼 수있을 때까지 전력을 증가시키기 위해 편광 빔 스플리터 앞에 λ / 2 파장 판을 사용한다. 포화 농도의 계산은 발 16에서 찾을 수 있습니다. 780 nm의 RB 원자 전환을 통해 레이저 스캐닝으로, 넓은 도플러 확대 흡수 신호가 발 16 불 ~ 10 MHz의 (그림 4) 여러 날카로운 전환과 함께, ~ 5 GHz의 폭을 볼 수 있어야합니다. 포화 흡수 신호를 생성하기 위해 사용되는 전력을 최소화하는 전력 넓어을 줄이고 LOCK으로 선명 기능을 생성 할 필요가있다. ECDL 주파수를 잠글하기 위해, 에러 신호가 필요하다. 도 5의 10과 레퍼런스 셀 주변 코일을 배치하고 자계를 진동함으로써 제만 레벨 및 전이 따라서 주파수가 변조된다. 이 경우 제만 코일을 통해 흐르는 전류는 1 ~ G.의 크기를 갖는 약 250 kHz에서 변조된다 함수 발생기로부터 변조 신호와 포화 흡수 광 검출기로부터 흡수 된 신호를 혼합한다. 믹서로부터 출력 범위에서 볼 때 그 오차 신호 SI되어야밀라 (milar)도 4. 에러 신호의 크기는 두 개의 혼합 된 신호들 간의 상대적 위상에 의존 할 것이다. 위상을 조정하는 증기 셀 전에 λ / 4 빔 스플리터를 돌립니다. 점진적으로 스캔 범위를 줄이고 현재 다른 ​​전환과 관심의 전환을 통해 스캔을 중앙에 오프셋을 조정합니다. 비례 – 적분 – 미분 (PID) 회로 (예를 들어 참조 맥 아담 등. 3) 다음 에러 신호를 이용하여 ECDL 파장을 고정하기 위해 사용될 수있다. PID 이득은 링잉 (에러 신호 트레이스의 변형 스펙트럼 분석기 또는 푸리에 변환을 사용하는 예) 에러 신호의 변조의 존재를보고 관찰되는 지점 이하로 감소되어야한다. 6. 선폭 측정 정확한 선폭 측정을 달성하기 위하여는 어느 알려진 좁은 선폭 소스 (다른 레이저 L으로 가질 필요가있다) ECDL보다 상당히 적은 inewidth, 동일 ECDLs 또는 긴 ECDL의 간섭 성 길이에 비해 지연 라인의이. 여기에 두 ECDLs은 선폭을 측정하기 위해 방해한다. 대안으로, 잠금 루프의 대역폭 상기 노이즈 원자 전이 또는 파브리 – 페로 캐비티와 적당한 의해 생성 공진 잠글 쉬울 수있다. 다른 초 미세 전환, 오프셋 이상적으로 약 100 MHz로 두 개의 레이저를 잠급니다. 이것은 전자 노이즈의 영향을 최소화 할 것이다. 모드, 전력 및 편광 빔이 일치하고 빔 스플리터를 nonpolarizing, (50 / 50)를 사용하여 함께 그것들을 방해. 광 검출기의 결과 빔을 맞 춥니 다. 광 검출기에서 출력 된 신호는 오프셋이 레이저의 주파수의 주파수를 가진 정현파이어야한다. 포토 다이오드가 손상되거나 포화되지 않도록이 결과 빔을 감쇠 또는 디 포커스 할 필요가있다. 두 구타 보의 중복 프린지 (계속)을 결정합니다RAST로 선폭 측정시 범위에서 볼. 프린지 콘트라스트가 불량 인 경우, 빔 분할기 및 검출기에 빔 모드 매칭 및 오버랩을 향상시키는 추가적인 시간을 보낸다. 좋은 방법 '이 조리개를 사용하여 빔이 겹치는 경우, 또는 상대적으로 큰 거리만큼 분리 된 핀 홀, ~ 1m. 이 범위의 주파수 변동을 해결하기 어려울 것입니다. 최고의 측정 된 선폭과 비트 주파수를 중심 보이트 프로파일을 줄 것이다, 스펙트럼 분석기를 사용 Δ의 F, 콘볼 루션 레이저 선폭에 해당한다 (그림 6). 좋은 근사 추적은 가우스와 맞는로부터 얻어진 선폭에 적합 할 수있다. 측정 된 소음 또는 선폭은 스펙트럼 분석기의 분해능 대역폭을 조정함으로써 설정 될 수있다 취득 또는 적분 시간에 의존 할 것이다. 이러한 이유로 m를 인용 할 때의 적분 시간을 인용하는 것이 중요easured 선폭.