البناء وتوصيف الخارجية تجويف ديود ليزر للفيزياء الذرية
Summary
هذا هو ورقة التعليمية لتوجيه البناء والتشخيص الليزر الخارجية تجويف الصمام الثنائي (ECDLs)، بما في ذلك اختيار عنصر والمواءمة البصرية، فضلا عن أساسيات التردد الطيفي المرجعية وlinewidth الليزر القياسات للتطبيقات في مجال الفيزياء الذرية.
Abstract
منذ تنميتها في أواخر 1980s، ورخيصة وموثوقة ليزر ديود تجويف خارجي (ECDLs) قد حلت محل الصبغة التقليدية معقدة ومكلفة والليزر التيتانيوم الياقوت مثل الليزر العمود الفقري لمختبرات الفيزياء الذرية 1،2. تعدد استعمالاتها واستخدام وافرة في جميع أنحاء الفيزياء الذرية في تطبيقات مثل التحليل الطيفي امتصاص الليزر والتبريد 1،2 يحتم على الطلبة الجدد لاكتساب فهم عملي لهذه الشركة ليزر. يبني هذا المنشور على العمل المنوي بواسطة يمان 3، وتحديث المكونات، وتوفير شريط فيديو تعليمي. سيتم وصف الإعداد، قفل التردد والأداء توصيف لECDL. مناقشة اختيار عنصر والتركيب الصحيح لكل من الثنائيات وحواجز شبكية، والعوامل التي تؤثر على اختيار واسطة داخل تجويف، المحاذاة الصحيحة للتغذية الراجعة الخارجية المثلى، والإعداد البصريات لقياس التردد الحساسة الخشنة وغرامة، لمحة موجزة عن locki الليزريتم تضمين تقنيات نانوغرام، والقياسات linewidth الليزر.
Introduction
قياس والتلاعب الدولة الكم من الذرات هو في صميم الفيزياء الذرية ويتطلب القدرة على معالجة التحولات محددة بين الدول الإلكترونية ذرية. على سبيل المثال النظر الروبيديوم، ذرة القلويات المستعملة نموذجية والكثير. هنا، الطول الموجي للضوء اقتران الأرض والدولة الالكترونية متحمس الأول هو 780 نانومتر ~ (384 THz لل) وعمر الدولة متحمس بسبب الانبعاثات العفوية و~ 26 NSEC إعطاء linewidth امتصاص 6 ميغاهيرتز 4. وبالتالي، لا بد من مصدر للضوء مع الاستقرار تردد من جزء واحد على الأقل في 108 لمعالجة هذا التحول بشكل موثوق.
قبل تطوير ECDLs، وأشعة الليزر والليزر صبغ الياقوت التيتانيوم وعادة ما تستخدم في الفيزياء الذرية. هذه هي ومكلفة النظم الكبيرة والمعقدة التي تقدم مكاسب البصرية أكثر من عرض النطاق الترددي كبيرة وبالتالي يمكن ضبطها لتتداخل انتقال ذرية. القدرة على استبدال وسائل الإعلام هذه المكاسب مع رخيصة وبسيطة ليزر ديود المهندسة وايعشر واعترف ذات فجوة الحزمة مطابقة الطول الموجي المطلوب في 1980s في وقت مبكر 1،2. بسيطة وسهلة لبناء التصاميم التي تحقق 100 كيلو هرتز linewidths كانت مفهومة جيدا، ومكان مشترك من قبل 1990s في وقت مبكر 3،5،6. وقد أثبتت العديد من التشكيلات وتصاميم مختلفة ولكل منها مزاياه وعيوبه. ربما تكوينات الأكثر شيوعا هي Littrow 3،5،7،8 ويتمان 9 تكوينات. وتركز هذه المناقشة على أبسط، والتكوين Littrow هو مبين في الشكل 1A.
ويستخدم عدد من آليات ضبط في وقت واحد لتحقيق دقة عالية في وتيرة الليزر. أولا، لا بد من الصمام الثنائي مع ذات فجوة الحزمة انتاج ما يكفي من مكاسب في الطول الموجي المطلوب في درجة حرارة التشغيل للتحقيق. سوف يزر ديود نموذجية ديك مكاسب على مدى عدة نانومتر (THz لل). ثانيا، الحيود مقضب هو انعكاس زاوية ضبطها لتوفير التغذية المرتدة البصرية في الصمام الثنائي في المطلوبالطول الموجي. اعتمادا على صريف، الصمام الثنائي، وتستخدم عدسة التركيز واتساقها، وصريف تحديد نطاق تردد من عادة 50-100 غيغاهيرتز. سوف الليزر التأرجح في الطول الموجي الرنانة مع تجويف الليزر الخارجي (الصمام الثنائي بين الوجه الخلفي وصريف). ضبط هذا الطول الموجي تجويف عبر يسمح ليزر ليتم ضبطها عبر المدى الطيفي الحرة (ج / (2 L)) حول كسب الذروة صريف حيث c هي سرعة الضوء وL، هو طول تجويف، عادة 1 – 5 سم (FSR 3-15 غيغاهرتز). عندما وضعين تجويف هي طول موجة مماثلة من ذروة صريف ردود الفعل الطول الموجي الليزر قد تعمل المتعدد. كما يتم ضبطها في وضع تجويف تتأرجح مزيد من كسب الذروة من وضع المجاورة لها إرادة الهيب وضع ليزر يحد من نطاق الضبط. يمكن أن ينظر إلى سلوك وسائط تجويف فيما يتعلق وضع صريف في الشكل 3. والهيب وضع الموالفة الحرة النطاق هو مقياس الأداء الرئيسية لECDL. عن طريق ضبط في وقت واحد زاوية صريف وطول تجويف فمن الممكن لضبط بشكل مستمر في العديد من نطاقات طيفية مجانا دون وضع القفزات، مما يجعل تحديد مكان وقفل إلى ميزات الطيفية أسهل بكثير 8. ويمكن تحقيق ضبط الإلكترونية من طول مسار بصري من تجويف للتأمين من خلال مزيج من ضبط صريف الزاوية / موقف باستخدام المحرك بيزو (الشكل 1A) (عرض النطاق الترددي المسح ~ 1 كيلو هرتز) وضبط الصمام الثنائي الحالي الذي ينظم في المقام الأول على الانكسار مؤشر الصمام الثنائي (عرض النطاق الترددي المسح ≥ 100 كيلو هرتز). استخدام الثنائيات الليزر بدلا من المضادة للانعكاس (AR) رقائق مكاسب المغلفة لتحقيق مكاسب متوسطة يضيف تعقيدات إضافية من إضافة يزر ديود استجابة تجويف الداخلية التي قد يكون لها المدى الطيفي حرة نموذجية من 100-200 غيغاهرتز. في هذه الحالة يجب أن يكون تجويف درجة حرارة ضبطها لتتناسب مع استجابة من صريف. وسوف تستخدم الصمام الثنائي ليزر بدلا من كسب رقاقة AR المغلفة الحد بشكل كبير من حر ر الهيب وضعمجموعة uning ما لم يكن هناك وسيلة لضبط متزامن الصمام الثنائي الحالي أو درجة الحرارة. أخيرا، لتحقيق linewidth أفضل من 100 كيلو هرتز الاهتمام الدقيق يجب أن تدفع للقضاء على مصادر الضجيج الأخرى. هذا يتطلب التصميم الميكانيكي دقيق لليتصاعد لتقليل الاهتزاز الصوتية، وتثبيت درجة حرارة مستوى MK، RMS الاستقرار الحالي من الصمام الثنائي على مستوى ≤ 30 غ وضبط دقيق لكسب جميع حلقات تأمين 10. اختيار الالكترونيات المناسبة لتطبيق هو مجرد هامة مثل الليزر والبصريات التصميم. ويمكن الاطلاع على قائمة وحدات تحكم الصمام الثنائي والمواصفات في الجدول 1.
مرة واحدة وقد تحقق إحلال مستقرة، والشرط التالي لقفل تردد الليزر إلى مرجع مثل التحول الذري، وهو تجويف بصري أو ليزر آخر. هذا يزيل آثار الانجرافات بطيئة مثل تقلبات صغيرة في درجة الحرارة، والقضاء على الضوضاء أساسا للترددات معفي عرض النطاق الترددي للحلقة قفل. هناك عدد لا يحصى من التقنيات التي تم تطويرها للحصول على إشارة خطأ، ولكل مناسبة لنظام الإشارة بوجه خاص تأمين. إشارة خطأ للمرحلة تأمين اثنين من الليزر يمكن الحصول عليها عن طريق خلط اثنين من الليزر على شعاع الخائن. الجنيه Drever قاعة 11 أو يمكن استخدام 12 قفل لقفل الميل إلى تجويف. لقفل لخط الامتصاص الذري DAVLL 13 أو المشبعة امتصاص الطيفي 3،14 في تركيبة مع التشكيل الحالي 10، زيمان التشكيل 10، أو 15-قفل الميل يمكن استخدامها.
سيتم وصف قفل من ECDL للانتقال الروبيديوم باستخدام التشكيل زيمان الامتصاص المشبعة في خلية بخار هنا. إذا يمر شعاع منخفض الكثافة من خلال خلية بخار الروبيديوم في درجة حرارة الغرفة ويتم ضبطها تردد في محيط الانتقال الذري نانومتر 780 عدد من دوبلر توسيع استيعاب ملامح ~ 500 ميغاهيرتز واسعةوسيراعى بدلا من 6 ميغاهيرتز linewidth الطبيعية واسعة (حسابات linewidths الطبيعية ودوبلر يمكن العثور عليها في القدم 16). إذا، ومع ذلك، وينعكس هذا الشعاع الرجعية، فإن مرور الثاني يكون أقل امتصاص الرنين على النحو الذرات مع صفر سرعة طولية وقد تم بالفعل متحمس جزئيا أول تمريرة 17. وسيتم استيعاب ترددات أخرى من قبل السكان سرعة مختلفة على كل تمريرة، وبالتالي لن تكون مشبعة الاستيعاب. بهذه الطريقة مضافين ميزة انتقال واضح على امتصاص توسيع دوبلر في التحولات مع عرض حول linewidth الطبيعية يمكن الحصول عليها. هذا يوفر مرجعا تردد المطلقة حادة لقفل ل. وتيرة التحول الذري قد يكون منظم باستخدام تأثير زيمان بواسطة التردد ضخامة المجال المغناطيسي في الخلية المرجعية. يمكن أن تنتج حقل مغناطيسي متجانس مناسبة باستخدام الإعداد الملف اللولبي كما هو مبين في الشكل 5. خلط إلكترونياالموجي التضمين مع انتقال امتصاص المشبعة يولد إشارة الخطأ التي يمكن أن تستخدم لضبط الصمام الثنائي الحالي ومتكاملة لضبط بيزو الجهد. وبالتالي، قد يكون مؤمنا ليزر لعملية الانتقال دون الحاجة لتعديل تردد الليزر.
يتم قياس linewidth من ECDL عموما بالتدخل اثنين التردد مقفل الليزر من نفس النوع على الخائن شعاع 18. ثم يتم قياس وتيرة ضربات بين الليزر باستخدام الضوئي بسرعة ومحلل الطيف RF. الطيف الضوضاء خارج النطاق الترددي قفل حلقة ثم يتم تركيبها على فويت (الإلتواء من التمويه وLorentzian) ملف. الضجيج من أجهزة الليزر المختلفة إضافة في التربيع. في حالة اثنين من الليزر يعادل هذا يعطي linewidth المجهزة لل√ (2) أضعاف linewidth ليزر واحد. إذا كان الليزر هو متاح مع linewidth المعروف أصغر بكثير مما هو متوقع من ECDL وذلك ضمن نطاق ضبط للECDL، فإن ذلك يمكن أن تستخدم بدلا من ذلك. طريقة أخرى تستخدم عادة لقياس linewidth هو تأخر الذاتي تقنية متجانسة التقارن 19،20 حيث يتم إرسال جزء من شعاع على طول خط تأخير البصرية مثل الألياف ثم يخلط على الخائن شعاع مع الليزر. تعتمد هذه التقنية على تأخير كونها أطول من طول تماسك الليزر تحت القياس. هذا يعمل بشكل جيد ليزر صاخبة ولكن ليزر 100 كيلو هرتز linewidth طول التماسك حوالي 3 كم، والذي يبدأ لتصبح غير عملي. بدلا من ذلك، التحول النووي في خلية امتصاص المشبعة أو تجويف فابري بيرو يمكن استخدامها لتوفير مرجع التردد لقياس linewidth الليزر. في هذا النظام تردد الليزر سوف تحتاج إلى الجلوس في جزء طولي من الأثير امتصاص المشبعة أو فابري بيرو صدى بدلا من السماح لمسح في تردد. عن طريق قياس الضوضاء إشارة على الصمام الثنائي الصورة ومعرفة linewidth الرنين، يمكن العثور على الضوضاء تردد. الحد الأدنى من لىقياس newidth ثم يتم محدودة بسبب المنحدر من صدى الإرسال.
وجود أعلى سائط أجل إحلال يمكن التحقق من خلال النظر في شدة الضوضاء على التردد المدى الطيفي مجانا باستخدام محلل الطيف RF أو باستخدام المسح فابري بيرو أو محلل الطيف الضوئي مع قرار أفضل من الطيفية مجانا مجموعة من ECDL. يمكن قياس ضبط مجموعة الخشنة عن طريق قياس قوة بوصفها وظيفة من الطول الموجي (باستخدام wavemeter، مستوحد اللون، أو الطيف الضوئي محلل)، في حين ضبط الليزر عبر حدوده باستخدام صريف. يتم قياس الهيب وضع حر ضبط مجموعة عموما باستخدام المسح تجويف فابري بيرو حيث يمكن الكشف عن الهيب الوضع كما قفزة متقطع في التردد.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أظهرت هذه النشرة كيفية الانتقال من ECDL تفكيكها من خلال المواءمة والتردد قفل لإنتاج قياس linewidth الليزر. التصميم الميكانيكي وتصميم الالكترونيات مثل الماكينات PID، والسائقين الصمام الثنائي وتحكم في درجة الحرارة وهي متخصصة جدا بحيث لا يمكن مناقشتها هنا ولكن لم يتم مناقشتها بشكل شامل في المنشورات المشار إليها 1،3،5.
على الرغم من ECDL الصمام الثنائي أصبحت عنصرا أساسيا في مختبرات الفيزياء الذرية، والأنواع والتحولات التي يمكن أن تصل إلى هذه تستنبط محدودة. وقد أحرز تقدم كبير في توسيع نطاق الطول الموجي من الصمام الثنائي ليزر مقرها لكن حاليا لا تزال العديد من الثغرات خاصة في الأشعة فوق البنفسجية. قيود السلطة نظم ECDL مواصلة تقييد طلباتهم. العارية الثنائيات وضع واحد في السلطة تتراوح من μWatts إلى 100 من mWatts. بالإضافة إلى ذلك، ومكبرات الصوت مدبب يمكن أن تضاف إلى نظام ECDL لزيادة وضع واحد مجموع قوة الليزريصل إلى مستوى وات. إذا كانت هناك حاجة القوى وضع واحد أكبر بكثير من مجرد وات أو موجات أخرى مطلوبة ليزر أبنية بديلة. وتشمل هذه الليزر الألياف 26، 27 ليزر الحالة الصلبة مثل الليزر TiSaph أو أنها قد تعتمد على تحويل التردد غير الخطية بمعالجة 27 مثل ليزر رامان، وأربعة موجة خلط، وتوليد التردد المبلغ، أو مذبذب حدودي البصرية.
ويركز هذا المنشور على آلية تأمين التي تعتمد على خلية بخار ذرية. للعديد من التطبيقات في الفيزياء الذرية خلية بخار الزجاج بسيطة، كما نوقش هنا، قد لا تكون متاحة، وهذا هو الحال بالنسبة لبعض الأنواع مثل الإيتيربيوم. أثبتت تقنيات أخرى كثيرة للحصول على عينة مرجعية مع مجموعة متنوعة من الأنواع مثل، والحزم الساخنة الذرية، ومصابيح التفريغ، وخلايا الغاز العازلة، خلايا اليود، والخلايا الاخرق.
هذا التصميم نظام ليزر يقتصر بطبيعتها لlinewidths من 30 كيلو هرتز ≈ 28 وعادة أقرب إلى 100 كيلوهرتز. إذا كان التطبيق يتطلب أضيق linewidth تقنيات الاستقرار الأخرى أو التصاميم الليزر البديلة المطلوبة 26.
كلما العمل مع النظم البصرية، والنظافة هي من الأهمية بمكان. ومن الممارسات الجيدة عند أول يجري إدخالها إلى والبصريات بأن ارتداء القفازات لمنع ملامسة السطح البصري المناولة. إذا تم خدش والبصرية أنه لا ينبغي أن تستخدم في نظام ليزر. في معظم الحالات يمكن تنظيفها البصريات مع بصمات الاصابع أو الغبار مع الأسيتون أو الهواء المضغوط على التوالي. أي نقص في سطح البصرية يمكن وسوف أعرض فقدان ويحتمل أن تكون الضوضاء في النظام. ينبغي أن تكون ثابتة يتصاعد البصريات على مقاعد البدلاء البصريات في جميع الأوقات، وينبغي أن انسحب بقوة لأسفل مرة واحدة في المكان.
عند محاذاة البصريات مثل waveplates وشق شعاع الاستقطاب، وضمان ضوء الحادث بالقرب عمودي على سطح الضوئية بينما الشرطة السريةiding انعكاسات مرة أخرى في الليزر. كما ينحرف زاوية الحادث من 90 ° سلوك هذه العناصر البصرية يصبح أكثر وأكثر عن المثالية. للحد من انحراف وتعظيم الحزم الفتحة العددية يجب دائما من خلال مركز العدسات وتكون طبيعية من العدسة. في المقابل، ينبغي أن توضع خلية بخار في زاوية طفيف لشعاع الحادث لتجنب الآثار ETALON. لهذا السبب يتم تصنيع خلايا بخار مع العديد من جوانب نهاية غير متوازي.
الليزر المستخدمة هنا هي فئة 3B. حتى الأفكار الضالة لديها القدرة على الأضرار التي تصيب العين. العمل مع ليزر من هذا النوع يجب فقط أن يضطلع بها الأفراد المدربين على دراية بمخاطر الليزر. وينبغي ارتداء نظارات السلامة الليزر في جميع الأوقات. لم تنظر مباشرة في طريق أي ليزر لالمحاذاة البصرية وتولي عناية خاصة لتجنب توليد انعكاسات المرآة الخطرة من المكونات البصرية. إنهاء دائما إيجابيا خطوط شعاع باليودنانوغرام تفريغ شعاع.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Materials
| 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 |
References
- Wieman, C. E., Hollberg, L. Using diode lasers for Atomic physics. Rev. Sci. Instrum. 62 (1), 1-20 (1991).
- Camparo, J. C. The diode laser in atomic physics. Cont. Phys. 26 (5), 443-477 (1985).
- 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).
- Steck, D. A. Rubidium 87 D line data. Los Alamos National Laboratory. , 1-29 (2001).
- 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).
- Zorabedian, P., Trutna, W. R. Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser. Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- Black, E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization. Am. J. Phys. 69 (1), 79-87 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. . Atomic Phyisics. , (2004).
- Foot, C. J. Atomic Physics. , (2005).
- Haus, H. A. . Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements. , (2000).
- Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Lett. 16 (16), 630-631 (1980).
- Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay. Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).
- Optics Hecht, E. . , (2002).
- Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. A simple extended-cavity diode laser. Rev. Sci. Instrum. 69, 1236 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Koechner, W. . Solid-State Laser Engineering. , (1999).
- Saliba, S. D., Scholten, R. E. Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers. Appl. Opt. 48 (36), 6961-6966 (2009).
