Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

1. Komponentenauswahl Wählen einer Diode bei der geeigneten Wellenlänge für das Atom von Interesse. Es ist wichtig, dass die ausgewählte Diode Einzelmodus (SM sein und eine ausreichende Leistung für die Anwendung. Eine Antireflex-Diode ist ideal. Diese Dioden werden nicht lase ohne Zusatz einer externen Kavität, und sie sind ausdrücklich ECDL Betrieb ausgelegt. sie haben eine deutlich bessere Performance, insbesondere für Anwendungen, bei denen das Abtasten der Wellenlänge des Lasers ist wichtig. Die Laserdiode verwendet, ist hier in Materialliste aufgeführt). Wie in McAdam et al. 3, muss der ECDL zu eng ausgelegt passen die Diode und einer Sammellinse werden. Mechanische Stabilität und thermischen Kontakt sind entscheidend für die gute Funktion des Lasers. Zur Vereinfachung der Konstruktion und minimale Bearbeitung, hat Erfolg wurde mit einem Diodenlaser-Halterung mit integriertem Objektiv Rohr (Materialliste). Wählen Sie ein Objektiv, um die Diode zu bündeln. EsWichtig ist, dass die numerische Apertur vergleichbar oder größer als die numerische Apertur der Diode da sonst erhebliche Verluste sein. Die meisten Dioden haben eine hohe numerische Apertur (> 0.5) und benötigen asphärische Linsen, sonst Aberrationen in sehr geringen Rückwirkung führen. Achten Sie darauf, das Objektiv ist Anti-Reflexion bei der Betriebswellenlänge beschichtet, wählen Sie ein Objektiv mit großer Brennweite, um die Strahlgröße auf das Gitter und ein Design-Wellenlänge in der Nähe der Betriebswellenlänge zu erhöhen, um Aberration verringern. Siehe Liste der Materialien für die Linse in der gezeigt System verwendet. Wählen Sie den entsprechenden externen Gitter zur der Laserdiode Frequenzbereich und der Gitter Abstimmarms Mittelwinkel. Die Wellenlänge von Licht in der ersten Ordnung gebeugt wird, Littrow-Konfiguration ist durch λ = 2 d sin (θ), wobei d der Gitterlinienabstand gegeben ist, θ der Einfallswinkel des Gitters und λ dieWellenlänge 21 (Fig. 1B). Es gibt zwei Haupttypen von Beugungsgitter, holographische und Beherrschten, und beide können loderte werden oder nicht. Abhängig von der Art der Gitter das gebeugte Leistung kann beträchtlich variieren. Ziel ist ein holographisches Gitter mit einer Beugungseffizienz von 20-30%. Siehe Liste der Materialien für die Gitter in der gezeigt System verwendet. Verwenden Sie die einfachste Ausführung überschaubar – Komplexität bedeutet oft Instabilität. Es gibt eine große Anzahl von ECDL-Designs, aber die einfachste ist die Littrow 3,5,7,22. Lesen Sie die Papiere und zu entscheiden, ob eine große Modensprungbereich frei (der Frequenzbereich, in dem die Diode kann kontinuierlich optimieren, ohne plötzlich einen Sprung auf eine andere Frequenz), eine sehr schmale Linienbreite reduziert oder Zeige Variante ist von größter Bedeutung für die Anwendung. Erhalten Sie so viele Informationen wie möglich vor Beginn der ECDL-Design. Oft ist die Gitter ECDL ist mehr als ausreichend für Anwendungen in der Atomphysik. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Leistung eines ECDL ist am stärksten in der Elektronik, die den Diodenstrom treiben und Stabilisierung der Temperatur des Laser verwurzelt. Ohne einen guten Satz von Elektronik-Design wird die mechanische Unterdurchzuführen. Eingeschlossen ist ein Vergleich der verschiedenen Strom-und Temperatursteuerungen in Tabelle 1. Je niedriger die Stromrauschen, desto besser wird der Laser 23 auszuführen. 2. Versammlung Für die Zwecke dieser Arbeit der Ausgangspunkt für den ECDL Montage wird eine auf einem thermoelektrischen Kühler (TEC) montiert komplette ECDL mechanische System ohne die Frequenz der Auswahl der Komponenten (dh Gitter und Laserdiode) sein. Beginnen Sie, indem die Laserdiode in der jeweiligen Montageöffnung und befestigen Sie ihn mit seiner Montagering. Seien Sie vorsichtig, nicht zu über-Drehmoment der Befestigungsring. Es sollte gemütlich aber nicht fest sein. Vor dem Anschließen der Laserdiode an die Stromversorgung, check die Diode Datenblatt für die Anode, Kathode und Bodenanschlussbelegungen. Dies variiert von Diode zu Diode und Inbetriebnahme der Strom durch die Diode rückwärts wird es zu zerstören. Laserdioden sind Niederspannungsvorrichtungen, typischerweise 5-10 V max und muß darauf geachtet werden, keine statische wird sie entladen werden. Es ist gute Praxis, ein Erdungsband tragen beim Umgang mit Dioden und installieren Sie eine Schutzschaltung (z. B. Abbildung 2) über die Laserdiode Pins zu hohen Spannungen zu verhindern. Die Diode kann und Masse-Pins sollte dauerhaft geerdet werden und die Verwendung von dünnen Drähten kann bei der Reduzierung der Kopplung von mechanischen Schwingungen zu unterstützen. Stellen Sie die maximalen und minimalen Temperaturen und die maximalen Diode und TEC Stromgrenzen auf der Diodencontroller nach den Werten in der Diode Datenblatt. Wenn die Mindestbetriebstemperatur unter Taupunkt für das Labor dann eine Mindesttemperatur von ~ 2 ° C above Taupunkt. Dies wird Kondensation zu vermeiden. Die Diode Datenblatt hat in der Regel eine Wellenlänge vs Temperaturwert zu einem bestimmten Diodenstrom. Verwenden Sie dieses Bild als Referenz, um die Diodentemperatur (und Strom) zunächst auf die Wellenlänge von Interesse entsprechen. Wenn eine Temperatur vs Wellenlänge Graph nicht verfügbar ist Einstellen der Solltemperatur auf Raumtemperatur. Drehen Sie den Temperaturregler auf und damit die Temperatur zu stabilisieren. Schalten Sie die Diode und schalten Sie den Strom so einrichten, dass der Ausgangsstrahl kann eindeutig mit einem Sichtkarte zu beachten. Verwenden Sie eine IR-Karte, um den Strahl zu sehen. Einfügen der asphärischen Kollimatorlinse kollimiert und die Laserdiode durch Einstellung des Abstands zwischen der Diode und dem Objektiv. Um eine gute Kollimation, vergewissern Sie sich der Strahl einen klaren Weg, idealerweise> 3 m, und stellen Sie die Objektivposition, bis der Strahldurchmesser kurz nach dem ECDL und am Ende des Strahlengangs die gleichen sind, wird Sie sicher, dass der Check der Strahl is nicht an einem beliebigen Punkt entlang der Bahn konzentriert. Überprüfen Sie die Polarisation des Diodenlasers in der gewünschten Ebene des Beugungsgitters (S oder P). In den meisten Fällen ist die Polarisation der Diode ist entlang der kurzen Achse des elliptischen Strahlform, aber es ist eine gute Übung, um die Polarisation Achse mit einem Polarisationsstrahlteiler zu überprüfen. Wenn der Strahlachse ist nicht in der gewünschten Ebene, lösen Sie die Diode Montagering und drehen die Diode, bis die richtige Ausrichtung erreicht wird. Einige ECDL Designs ermöglichen es dem Laser durchgeführt und mit der Stromquelle verbunden werden und andere nicht. Wenn die Stromversorgungsleitungen müssen entfernt werden, um die Diode zu drehen, schalten Sie die Stromversorgung am Steuergerät und entfernen Sie die Drähte. Der ECDL Temperaturregelung kann während dieses Prozesses auf bleiben. Denken Sie daran, tragen Sie immer ein Erdungsband bei der Handhabung der Diode. Wenn es notwendig war, neu zu positionieren die Diode wiederholen Sie den vorherigen Schritt, um die Diode kollimieren. Die Beugungsebene des Gitters ist in der Regel vom Hersteller mit einem Pfeil senkrecht zu den Gitterlinien und in der Richtung des Blaze-Reflexion bezeichnet. Überprüfen Sie dies durch die Beobachtung der Reflexion von einer Breitband-Lichtquelle, wie einer Glühbirne, als eine Funktion des Winkels. Wenn das Gitter mit dem Pfeil zurück in Richtung des Beobachters und einer Breitbandlichtquelle über den Kopf gehalten werden, wird das reflektierte Licht in Farbe als Funktion der Gitterwinkel ändern. Montieren Sie das Gitter so, dass der Pfeil wieder in Richtung der Diode und somit Anpassung der Gitterwinkel variiert die Wellenlänge reflektiert zurück in die Diode (1A und 1B). Sobald die Gitterorientierung hat sich bestätigt Kleber das Gitter auf der ECDL-Tuning Arm mit schnellen Einstellung kleben wie Loctite. 3. Meinung Ausrichtung Legen Sie eine Smartcard in das ECDL-Ausgang ausgerichtet seinbin. Dies wird verwendet, um die Laserleistung zu überwachen, Anpassungen an der Zeige des gebeugten Strahls vorgenommen werden. Ein Leistungsmesser kann auch verwendet werden, aber langsamer in der Reaktion. Stellen Sie den Sollstrom auf der Diode Steuerkasten bis knapp unterhalb des Schwellenstrom für reflektierende Frontfläche Dioden und 1/3 der Maximalstrom für AR beschichteten Diode Gewinn-Chips. Reflektierende Frontfacette Dioden einen Schwellenstrom auf ihrer Spezifikation oder Datenblätter haben, während AR-beschichteten Chips Gewinn nicht. Stellen Sie den Winkel des Gitters Arm horizontal und vertikal, um den gebeugten Strahl zurück in die Diode zu lenken, was effektiv eine externe Feedback Höhle. Wenn der Strahl in die Laserdiode geleitet wird es eine deutliche Erhöhung der Ausgangsleistung, als beobachtbare deutliche Erhöhung oder helle Blitz auf eine Smartcard oder einem dramatischen Anstieg der Leistung, wenn gemessen mit einem Leistungsmesser oder eine Photodiode sein. Eine Smartcard ist nicht ein sehr quantitatives Maß of Leistung, so kann es erforderlich sein, schrittweise senken den Laserdiodenstrom und passen Sie die Rückkopplungsstrahl bis zum og Verhalten kann zu möglichst niedrigen Strom gesehen werden. Einstellen der Sammellinse Fokus oder axialen Position zu optimieren Schwerpunkt an der Diode Facette kann weiter die Schwelle zu erhöhen und Ausgangsleistung nach dem es notwendig sein, die Gitterwinkel horizontal und vertikal reoptimize. 4. Initial Frequency Selection Für die anfängliche Frequenzausrichtung des Lasers eine absolute Messung der Wellenlänge mit einer Genauigkeit von <1 nm und idealerweise <0,1 nm ist ideal. Diese grobe Frequenzmessung wird es viel einfacher wird, die Laserfrequenz auf einen atomaren Übergang in einem späteren Schritt zu machen. Es gibt viele Optionen, einschließlich der Verwendung eines Wellenlängenmesser, einen optischen Spektrum-Analysator, Spektrometer oder ein Monochromator mit einer Kamera. Stellen Sie sicher, dass eine genau kalibriert Gerät verwendet wird, oder überprüfen Sie die cALIBRIERUNG beispielsweise unter Verwendung eines HeNe-Lasers. Alternativ kann die Frequenz-Grobeinstellung normalerweise Fuß der Gitterwinkel und Strom, während der Laser Scanning bis ein Absorptions-oder Fluoreszenzsignal von einem Dampfreferenzzelle ist ersichtlich, erreicht werden. Im allgemeinen ein Sekundärstrahl gerichtet aus dem Hauptstrahl mit einem Glaskeilprisma oder λ / 2 Verzögerungsplatte und Polarisationsstrahlteiler, wird als Eingang für die Wellenlängenmesser verwendet werden. Diese Optik Aufbau ist in Abbildung 1D gesehen. Siehe Liste der Materialien für Materialien in dieser Demonstration eingesetzt. Einstellen des ECDL bis die gewünschte Ausgangswellenlänge erhalten wird. Der Diodentreiberstrom, Temperatur, Gitterwinkel und externen Resonatorlänge alle beeinflussen die Laserfrequenz 24 (Fig. 3). Beginnen Sie mit der Einstellung der Gitterwinkel, entweder von Hand oder mit Hilfe des piezo. Zweitens, stellen Sie den Diodenstrom. Wenn die gewünschte frequency ist es, das Blau des Gitters Sweep-Bereich sollte die Diodentemperatur verringert werden, und umgekehrt, wenn die gewünschte Wellenlänge ist, um die roten Zahlen. 5. Feinen Frequenzanpassung und Frequenz Locking Bis gesättigten Absorptionsspektroskopie auf der ECDL-Ausgabe über die Konfiguration in 1F 3,14,17 ein. Die Verwendung eines optischen Isolators unmittelbar nach der Laser wesentlich ist (Fig. 1C). Es ist wichtig zu vermeiden Reflexion zurück in den Laser, die zu Instabilität führen kann. Gesättigte Absorptionsspektroskopie mit einer Referenzzelle, die das Atom von Interesse ist ein einfacher Weg, um einen Laser zu einem schmalen atomaren Übergangs 25 zu sperren. Sicherstellen, dass der Referenzzelle auf einem Winkel zur Rückreflexionen zu vermeiden, und daß der Spiegel retro reflektiert den Strahl zurück durch die Dampfzelle mit maximaler Überlappung. Der Doppeldurchgangs übertragene Leistung kann unter Verwendung der Photodiode als E überwacht werdenCDL Wellenlänge abgetastet wird. Die meisten Diode-Controller wird in eine Scan-Funktion, die die Wellenlänge durch Anpassung der Gitterpiezospannung und damit die Gitterwinkel und externen Kavität Länge oder durch Modulation des Diodenstrom scannt gebaut. Die Breite-, Offset-und Laser-Scan Temperatur und Strom sollte so eingestellt, bis ein Absorptionssignal kann auf einem Spielraum, um den Photodetektor verbunden angesehen werden kann. Wenn der Laser Scanning über den atomaren Übergang sollte es möglich sein, den Laserstrahlpfad in der Dampfzelle fluoreszieren sehen oder den Blitz mit dem bloßen Auge oder mit einem IR-Betrachter. Die Leistung pro Flächeneinheit in dem Referenzstrahl für gesättigte Absorptionsspektroskopie bei oder oberhalb der Sättigungsintensität des atomaren Übergangs sein. Verwenden Sie die λ / 2 Wellenplatte vor dem Polarisationsstrahlteiler, um die Leistung zu erhöhen, bis eine klare Absorptionssignal gesehen werden kann. Berechnungen der Sättigungsintensitäten in Fuß 16 zu finden. Mit der Laser-Scanning über die 780 nm Rb atomaren Übergang, sollte eine große Doppler-verbreiterten Absorptionssignal gesehen werden kann, ~ 5-GHz-Breite, mit mehreren scharfen Übergänge ~ 10 MHz in 16 Fuß verbrannt (Abbildung 4). Die Minimierung der Energie für die Erzeugung des gesättigten Absorptionssignal verwendet wird, ist notwendig, um Stromverbreiterung zu reduzieren und eine schärfere Funktion zu sperren. Um den ECDL Frequenz zu sperren, wird ein Fehlersignal benötigt. Durch Anordnen von Spulen um die Referenzzelle, wie in 5 und 10 Oszillieren des magnetischen Feldes werden die Zeeman-Niveaus und damit die Frequenzen der Übergänge moduliert. In diesem Fall ist der Strom, der durch den Zeeman-Spulen wird auf etwa 250 kHz mit einer Größe von ~ 1 G. modulierten Mischen das Absorptionssignal aus der gesättigten Absorptionsphotodetektor mit dem Modulationssignal von dem Funktionsgenerator. Wenn das Ausgangssignal des Mischers wird auf einem Rahmen betrachtet sollte es ein Fehlersignal si seinmilar auf 4. Die Grße des Fehlersignals hängt von der relativen Phase zwischen den beiden Mischsignalen abhängen. Drehen Sie den λ / 4 Strahlteiler vor der Dampfzelle, um die Phase anzupassen. Schrittweise Reduzierung des Scan-Bereich und stellen Sie die Offsets, um den Scan über den Übergang von Interesse mit keinem anderen vorliegenden Übergänge zu zentrieren. Ein Proportional-Integral-Differential (PID)-Schaltung (siehe beispielsweise McAdam et al. 3) kann dann verwendet werden, um den ECDL Wellenlänge unter Verwendung des Fehlersignals zu verriegeln. Die PID-Verstärkung sollte unter dem Punkt, an dem Klingeln wird durch die Suche nach dem Vorhandensein von Modulation in dem Fehlersignal (z. B. mit einem Spektrumanalysator oder Fourier-Transformation des Fehlersignalspur) beobachtet, reduziert werden. 6. Linienbreite Mess Um eine genaue Messung der Linienbreite zu erreichen, ist es notwendig, entweder eine bekannte schmale Linienbreite (anderer Laser mit l habeninewidth deutlich weniger als die ECDL), zwei gleiche ECDLs oder einer Verzögerungsleitung lang ist im Vergleich mit der Kohärenzlänge des ECDL. Hier zwei ECDLs wird gestört werden, um die Linienbreite zu messen. Alternativ kann es einfacher sein, um eine Resonanz durch einen atomaren Übergang oder ein Fabry-Perot-Kavität und die Anpassung an das Rauschen oberhalb der Bandbreite des Verriegelungsschleife erzeugt verriegeln. Sperren Sie die zwei Laser auf verschiedene Hyperfeinübergänge, Offset ideal um die 100 MHz. Dies minimiert die Auswirkungen des elektronischen Rauschens. Modus, Energie und Polarisation entsprechen die beiden Strahlen und stören sie zusammen mit einem 50/50, nicht polarisierenden Strahlteiler. Richten Sie die resultierende Strahl auf einen Photodetektor. Der Signalausgang des Photodetektors ist eine Sinuswelle mit einer Frequenz von den beiden Laser des Frequenzversatzes ist. Es kann notwendig sein, zu dämpfen oder Defokussierung des resultierenden Strahls, um nicht zu beschädigen oder zu sättigen, die Photodiode. Die Überlappung der beiden Strahlen gegen den Rand cont bestimmenrast wie auf einem Rahmen während der Linienbreite Messung angesehen. Wenn der Streifenkontrast schlecht ist, verbringen mehr Zeit zur Verbesserung der Modenanpassung und Überlappung der Strahlen auf der Strahlteiler und Detektor. Eine gute Methode, um die zwei Strahlen überlappen, unter Verwendung von zwei Iris oder Stiftlöchern, um einen relativ großen Abstand voneinander getrennt, ~ 1 m. Es wird schwierig sein, die Frequenzschwankungen auf einem Rahmen zu lösen. Für die beste Messung verwenden Sie einen Spektrum-Analyzer, die eine Voigt-Profil auf der Schwebungsfrequenz zentriert mit einer Linienbreite geben wird Δ f, die gleich der gefalteten Laserlinienbreite (6). In guter Näherung kann die Spur mit einer Gauß und die von der Passform erhaltenen Linienbreite sein. Die gemessene Lärm oder Linienbreite wird auf den Erwerb oder die Integrationszeit, die durch Einstellen der Auflösebandbreite auf der Spektrum-Analysator eingestellt werden können, hängen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Integrationszeit zu zitieren, wenn unter Angabe der measured Linienbreite.