JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

Constructie en karakterisering van externe Cavity Diode Lasers voor Atomic Physics

Published: April 24, 2014
doi:
10.3791/51184
, , , , ,
1Department of Quantum Science,The Australian National University

Summary

Dit is een instructie papier begeleiden de bouw en diagnostiek van externe holte diodelasers (ECDLs), inclusief component selectie en optische uitlijning, alsook de basisprincipes van frequentiereferentie spectroscopie en laser lijnbreedtemetingen voor toepassingen op het gebied van atoomfysica.

Abstract

Sinds hun ontwikkeling in de late jaren 1980, goedkoop, hebben betrouwbare externe holte diode lasers (ECDLs) complexe en dure traditionele kleurstof en Titanium Sapphire lasers vervangen als het werkpaard laser van atoomfysica labs 1,2. Hun veelzijdigheid en productief gebruik in de atoomfysica in toepassingen zoals absorptie spectroscopie en laser koelen 1,2 maakt het noodzakelijk voor inkomende studenten om een stevige praktische kennis van deze lasers te krijgen. Deze publicatie bouwt voort op het baanbrekende werk van Wieman 3, het bijwerken van onderdelen, en het verstrekken van een video tutorial. De setup, frequentie vergrendeling en prestaties karakterisering van een ECDL worden beschreven. Bespreking van onderdeel selectie en correcte montage van diverse diodes en roosters, de factoren die van invloed mode selectie binnen de holte, goede afstemming voor een optimale externe feedback, optica setup voor grove en fijne frequentie gevoelige metingen, een kort overzicht van laser Locking technieken, en laser lijnbreedtemetingen zijn inbegrepen.

Introduction

Het meten en manipuleren van de quantum toestand van atomen is in het hart van de atoomfysica en vereist het vermogen om specifieke overgangen pakken tussen atomaire elektronische toestanden. Bijvoorbeeld overwegen rubidium, een typische en veel gebruikte alkali-atoom. Hier, de golflengte van licht koppelen van de grond en de eerste aangeslagen elektronische toestand ~ 780 nm (384 THz) en de aangeslagen toestand levensduur door spontane emissie ~ 26 nsec geeft een absorptie lijnbreedte van 6 MHz 4. Aldus wordt een lichtbron met een frequentie stabiliteit van ten minste een deel 108 vereist om deze overgang betrouwbaar pakken.

Vóór de ontwikkeling van ECDLs, kleurstof lasers en Titanium Sapphire lasers meestal werden gebruikt voor de atoomfysica. Dit zijn grote, dure, complexe systemen die optische versterking over een grote bandbreedte bieden en kan dus worden afgestemd op een atomaire overgang overlappen. Het potentieel om deze winst media te vervangen door een goedkope, eenvoudige diode laser ontworpen with een bandgap overeenkomt met de gewenste golflengte werd erkend in de vroege jaren 1980 1,2. Eenvoudige, makkelijk te ontwerpen die te bereiken 100 kHz lijnbreedtes werden goed begrepen en gemeenschappelijke plaats door de vroege jaren 1990 3,5,6 bouwen. Vele verschillende configuraties en ontwerpen zijn elk met voor-en nadelen aangetoond. Waarschijnlijk de meest voorkomende configuraties zijn de Littrow 3,5,7,8 en Littman 9 configuraties. Deze discussie richt zich op de meest eenvoudige, de Littrow configuratie die in figuur 1A.

Een aantal tuning mechanismen gelijktijdig gebruikt om een ​​hoge precisie bij de laser frequentie bereiken. Ten eerste is een diode nodig met een bandgap produceren voldoende versterking bij de gewenste golflengte bij een haalbare bedrijfstemperatuur. De typische laserdiode zal winst dan enkele nanometers (THz) hebben. Ten tweede, een reflecterende diffraktieraster hoek afgestemd optische terugkoppeling naar de diode op de gewenstegolflengte. Afhankelijk van het raster, de diode, de focusseerlens gebruikt en de uitlijning, wordt het raster een frequentiebereik van typisch 50-100 GHz selecteren. De laser oscilleren bij een golflengte resonant met de externe laserholte (tussen de diode achterste facet en het rooster). Tuning dit caviteitslengte over een golflengte kan de laser worden afgestemd over een vrij spectraal bereik (c / (2 L)) in het raster gain piek waarin c is de lichtsnelheid en L is de holtelengte, typisch 1 – 5 cm (FSR 3-15 GHz). Wanneer twee holte modes zijn een soortgelijke golflengte van de piek rooster feedback golflengte van de laser kan multimode draaien. Zoals de oscillerende holte modus verder wordt geoptimaliseerd en van de winst piek dan de naastgelegen modus zal de laser modus hop beperken van het stembereik. Het gedrag van de holte standen ten opzichte van het rooster modus kan worden gezien in figuur 3. De modus hop vrije afstembereik is een belangrijke prestatie maatstaf voor een ECDL. Door gelijktijdig afstemmen van het raster hoek en de holtelengte is het mogelijk om continu afstemmen over vele vrije spectrale bereiken zonder modus hop, waardoor lokaliseren en beveiligen spectra veel eenvoudiger 8. Elektronische afstelling van de optische weglengte van de holte voor het borgen kan worden bereikt door een combinatie van tuning het raster hoek / stand met een piëzo actuator (figuur 1A) (scanning bandbreedte ~ 1 kHz) en het afstemmen van de diodestroom die hoofdzakelijk moduleert de refractieve index van de diode (scannen bandbreedte ≥ 100 kHz). Met behulp van laser diodes in plaats van anti-reflectie (AR) coating winst chips voor de winst medium voegt de extra complicatie van het toevoegen van de laserdiode inwendige holte antwoord dat een typisch vrij spectraal bereik van 100-200 GHz kan hebben. In dit geval moet de oventemperatuur afgestemd op de reactie van het raster te kunnen volgen. Met behulp van een laser diode in plaats van een AR-coating winst chip zal drastisch verminderen van de mode hop gratis tKanalen instellen bereik tenzij er een middel om synchroon af te stemmen de diode stroom of temperatuur. Tot slot, om een ​​lijnbreedte beter dan 100 kHz aandacht te bereiken moet worden besteed aan andere geluidsbronnen te elimineren. Dit vereist een zorgvuldige mechanisch ontwerp van de bergen om akoestische trillingen, mK niveau temperatuurstabilisatie minimaliseren, rms huidige stabiliteit van de diode aan de ≤ 30 nA niveau en een zorgvuldige afstemming van de winst van alle vergrendeling lussen 10. Het selecteren van de juiste elektronica voor de applicatie is net zo belangrijk als de laser en optische ontwerp. Een lijst van de diode controllers en specificaties zijn te vinden in tabel 1.

Zodra stabiele laserwerking is bereikt, de volgende vereiste is dat de laser frequentie vergrendelen met een referentie zoals een atomaire overgang, een optische holte of een andere laser. Dit verwijdert de effecten van trage afwijkingen zoals kleine temperatuurschommelingen, in wezen waardoor ruis voor frequenties metde bandbreedte van de vergrendelende lus. Er zijn een groot aantal locking technieken die zijn ontwikkeld voor het verkrijgen van een foutsignaal, elk geschikt voor een bepaalde referentiesysteem. Een foutsignaal voor fasevergrendelde twee lasers kan worden verkregen door mengen van de twee lasers op een bundelsplitser. Pound-Drever hal 11 of-tilt vergrendeling 12 kan worden gebruikt om te vergrendelen aan een holte. Te vergrendelen om een atomaire absorptie lijn DAVLL 13 of verzadigde absorptie spectroscopie 3,14 in combinatie met de huidige modulatie 10, Zeeman modulatie 10, of-tilt vergrendeling 15 mei worden gebruikt.

De vergrendeling van een ECDL een rubidium overgang met behulp van Zeeman modulatie van verzadigde absorptie in een damp cel zal hier worden beschreven. Als een lage intensiteit bundel passeert een rubidium damp cel bij kamertemperatuur en de frequentie afgestemd in de buurt van de 780 nm atomaire overgang een aantal Doppler verbreed dempingseigenschappen ~ 500 MHz bredezal in plaats van de 6 MHz breed natuurlijke lijnbreedte (berekeningen voor natuurlijke en Doppler lijnbreedtes kan worden gevonden in Foot 16) in acht worden genomen. Indien echter deze bundel retro gereflecteerd, wordt de tweede pas minder absorptie van resonantie als atomen met nul longitudinale snelheid reeds gedeeltelijk opgewekt door de eerste doorgang 17 te hebben. Andere frequenties door verschillende snelheid populaties worden opgenomen op elke doorgang en derhalve absorptie niet verzadigd. Zo bedekt een schijnbare transmissie functie op de Doppler verbreed absorptie bij overgangen met een breedte over de natuurlijke lijnbreedte kan worden verkregen. Dit zorgt voor een sterke absolute frequentie verwijzing naar vergrendelen. De frequentie van de atomaire overgang kan worden gemoduleerd met het Zeeman-effect door ditheren de magnitude van een magnetisch veld in de referentiecel. Een geschikt homogeen magnetisch veld kan worden geproduceerd met een solenoïde opstelling als weergegeven in figuur 5. Elektronisch mixingde gemoduleerde golfvorm met verzadigde absorptie transmissie genereert een foutsignaal dat kan worden gebruikt om de diodestroom passen en geïntegreerd om de piëzo voltage aan te passen. Aldus kan de laser worden vergrendeld om de overgang zonder de laser frequentie moduleren.

De lijnbreedte van een ECDL wordt algemeen gemeten door zich twee frequentiegesleutelde lasers van hetzelfde type op een bundelsplitser 18. De slagfrequentie tussen de lasers wordt vervolgens gemeten met een snelle fotodiode en een HF-spectrum analyser. Het lawaai spectrum voorbij de vergrendeling lus bandbreedte wordt dan naar een Voigt (convolutie van een Gauss-en Lorentz) profiel gepast. Het lawaai van de verschillende lasers voegen in kwadratuur. In het geval van twee gelijkwaardige lasers geeft dit een ingerichte lijnbreedte van √ (2) maal de enkele laser lijnbreedte. Als een laser is verkrijgbaar met een bekende linewidth aanzienlijk kleiner dan dat verwacht van de ECDL en het is binnen de tuning bereik van de ECDL, dan kan worden gebruikt in plaats. Een andere gebruikelijke methode voor het meten lijnbreedte is de vertraagde zelf homodyne 19,20 techniek waarbij een deel van de bundel langs een optische vertragingslijn wordt verzonden als een vezel en vervolgens gemengd op een bundeldeler met de laser. Deze techniek is gebaseerd op de vertraging langer is dan de coherentie lengte van de laser te meten. Dit werkt goed voor lawaaierige lasers, maar voor een 100 kHz linewidth laser de coherentie lengte is ongeveer 3 km, die begint te onpraktisch. Als alternatief kan een atomaire overgang in een verzadigde absorptie cel of een Fabry-Perot holte worden gebruikt om een ​​frequentie referentie voor laser lijnbreedte meting verschaffen. In dit systeem wordt de laser frequentie hoeft te zitten aan een lineaire gedeelte van de ether een verzadigde absorptie of Fabry-Perot resonantie dan toegestaan ​​om te scannen in frequentie. Door het meten van het signaal ruis op een fotodiode en het kennen van de resonantie linewidth, kan de frequentie ruis worden gevonden. De ondergrens van de linewidth meting wordt dan beperkt door de helling van de transmissie resonantie.

De aanwezigheid van hogere orde laserwerking functies kunnen worden gecontroleerd door naar intensiteit ruis op de frequentie van het vrije spectrale bereik met een HF-spectrum analyser of met behulp van een scanning Fabry-Perot of een optische spectrum analyser met een resolutie beter dan de vrije spectrale bereik van het ECDL. De grove afstembereik kan worden gemeten door meting van het vermogen als functie van de golflengte (met een golfmeter, monochromator of optische spectrumanalysator) tijdens het stemmen van de laser over zijn grenzen met het raster. De modus hop vrije afstembereik wordt algemeen gemeten met een scanning Fabry-Perot holte waarin een modus hop kan worden gedetecteerd als een discontinue sprong frequentie.

Protocol

1. Selectie Component Selecteer een diode op de geschikte golflengte voor het atoom plaats. Het is essentieel dat de gekozen diode single mode (SM voldoende vermogen voor de toepassing. Een antireflectielaag diode is ideaal. Deze diodes zullen niet lase zonder toevoeging van een externe holte en zij worden expliciet op ECDL gebruik. Ze hebben aanzienlijk betere prestaties, met name voor toepassingen waarbij het scannen van de golflengte van de laser is belangrijk. de laserdiode hier gebruikt wordt in Lijst van materialen). Zoals in MacAdam et al.. 3, moet de ECDL worden ontworpen om strak de diode en een collimatielens. Mechanische stabiliteit en thermisch contact zijn essentieel voor een goede werking van de laser. Voor het gemak van de bouw, en minimale bewerking, is succes waren met een diode laser monteren met geïntegreerde lens buis (Lijst van Materialen). Selecteer een lens om de diode collimeren. HetBelangrijk is dat de numerieke apertuur vergelijkbaar of groter dan de numerieke apertuur van de diode anders zal er aanzienlijke verliezen zijn. De meeste diodes hebben een hoge numerieke apertuur (> 0.5) en vereisen asferische lenzen, anders aberraties zal resulteren in zeer lage feedback efficiëntie. Zorg ervoor dat de lens is anti-reflectie coating op de werkende golflengte, kies dan een lens met een lange brandpuntsafstand om de straal te vergroten op het rooster en een design golflengte in de buurt van de werkende golflengte om aberratie te verminderen. Raadpleeg de lijst van materialen voor de lens die wordt gebruikt in het systeem aangetoond. Selecteer de juiste externe rooster voor het frequentiebereik van de laserdiode en de rooster tuning arm centrale hoek. De golflengte van het licht gebogen in de eerste orde, Littrow configuratie, wordt gegeven door λ = 2 d sin (θ), waarbij d de rooster regelafstand, θ is het raspen invalshoek en λ degolflengte 21 (Figuur 1B). Er zijn twee hoofdtypen van diffractietralie, holografische en regeerde, en beide kunnen niet worden gebaand of. Afhankelijk van het type rooster de afgebogen stroom kan aanzienlijk variëren. Doel voor een holografisch raster met een diffractie-efficiëntie van 20-30%. Raadpleeg de lijst van materialen voor het rooster gebruikt in de aangetoonde systeem. Gebruik de eenvoudigste ontwerp beheersbaar – complexiteit betekent vaak instabiliteit. Er zijn een groot aantal van ECDL ontwerpen, maar de eenvoudigste is de Littrow 3,5,7,22. Lees de kranten en beslissen of een groot mode hop vrije uitloop (het frequentiebereik waarover de diode kan continu afstemmen zonder plotseling springen naar een andere frequentie), een zeer smalle lijnbreedte of verminderde variatie wijzen is van het grootste belang voor de toepassing. Krijgen zo veel mogelijk informatie voor het begin van ECDL ontwerp. Vaak is de rooster ECDL is meer dan voldoende voor toepassingen in de atoomfysica. Het is belangrijk te realiseren dat de prestaties van een ECDL sterkst geworteld in de elektronica die de diodestroom rijden en stabiliseren van de temperatuur van de laser. Zonder een goede set van de elektronica van de mechanische ontwerp zal onvoldoende presteren. Inbegrepen is een vergelijking van verschillende huidige en temperatuurregelaars in Tabel 1. Hoe lager de stroomruis, hoe beter de laser 23 te voeren. 2. Montage Voor de toepassing van dit artikel het uitgangspunt voor de ECDL montage zal een compleet ECDL mechanisch systeem gemonteerd op een thermo-elektrische koeler (TEC) zonder de frequentie te selecteren componenten (dwz raspen en laser diode) zijn. Begin met het plaatsen van de laserdiode in hun respectievelijke montage gat en zet deze vast met de bevestigingsring. Wees voorzichtig niet te over-koppel de montagering. Het moet maar niet te strak zijn. Voordat u de laser diode om het huidige aanbod, check de diode specificatieblad voor de anode, kathode en gemalen pintoewijzingen. Dit varieert van diode diode en zetten de stroom door de diode achteren zal vernietigen. Laserdiodes zijn laag voltage apparaten, gewoonlijk 5-10 V maximum, en de zorg moeten worden genomen om te garanderen dat er geen statisch wordt afgevoerd naar hen. Het is een goede gewoonte om een aardingsbandje dragen bij hantering van dioden en installeren van een beveiliging (bijvoorbeeld figuur 2) over de laserdiode pinnen hoge spanningen te voorkomen. De diode kan en gemalen kunnen worden permanent geaard en het gebruik van dunne draden kunnen helpen bij het verminderen van de koppeling van mechanische trillingen. Stel de maximum en minimum temperaturen en de maximum diode en TEC huidige beperkingen van de diode controller volgens de waarden van de diode specificatieblad. Als de minimale werkingstemperatuur is lager dan het dauwpunt van het lab gebruik dan een minimum temperatuur van ~ 2 ° C above dauwpunt. Dit zal condensvorming te voorkomen. De diode specificatieblad heeft meestal een golflengte versus temperatuur figuur op een gegeven diode stroom. Gebruik deze figuur als een verwijzing om aanvankelijk de diode temperatuur (en huidige) met de golflengte van belang overeenkomen. Als een temperatuur vs golflengte grafiek is niet beschikbaar stel de ingestelde temperatuur tot kamertemperatuur. Draai de temperatuurregelaar op en laat de temperatuur te stabiliseren. Zet de diode en zet de stroom tot zodat de uitgang bundel duidelijk kan worden waargenomen met een smartcard. Gebruik een IR-kaart op de balk te zien. Plaats de asferische collimatorlens en collimeren van de laserdiode door aanpassing van de scheiding tussen de diode en de lens. Om een ​​goede collimatie zorgen ervoor zorgen dat de bundel heeft een duidelijk pad, ideaal> 3 m, en pas de lens positie totdat de bundel diameter net na de ECDL en aan het einde van de bundel pad zijn hetzelfde, en zorg ervoor om te controleren of de bundel is niet scherpstellen op elk punt langs het pad. Controleer de polarisatie van de diodelaser in het gewenste vlak van het diffractierooster (S of P). In de meeste gevallen is de polarisatie van de diode is langs de korte as van de elliptische lichtbundel, maar het is een goede gewoonte om de polarisatie te controleren as met behulp van een polariserende beam splitter. Als de balk as niet in het gewenste vlak, draai de diode montage ring en draai de diode totdat de juiste stand is bereikt. Sommige ECDL ontwerpen maken dit te doen met de laser en is aangesloten op de stroombron en anderen niet. Als de stroomtoevoerdraden moet worden verwijderd om de diode te draaien, schakelt u de stroomtoevoer naar de schakelkast en verwijder de draden. De ECDL temperatuurregeling kan op blijven tijdens dit proces. Vergeet niet om altijd een aardingsband bij het hanteren van de diode. Als het noodzakelijk was om de positie van de diode herhaalt de vorige stap om de diode recollimate. De diffractie vlak van het raster wordt meestal aangeduid door de fabrikant met een pijl loodrecht op de rasterlijnen in de richting van de gebaand reflectie. Controleer dit door het observeren van de reflectie van een breed-band lichtbron, zoals een lamp, als een functie van de hoek. Als het raster gehouden met de pijl terug naar de waarnemer en een breedband lichtbron boven het hoofd, zal het gereflecteerde licht van kleur veranderen als functie van de hoek raster. Monteer het rooster, zodat de pijl terug naar de diode en dus het aanpassen van het rooster hoek varieert de golflengte teruggekaatst in de diode (figuren 1A en 1B). Zodra het rooster oriëntatie is bevestigd lijm het rooster op de ECDL tuning arm met behulp van snelle instelling lijm zoals Loctite. 3. Feedback Alignment Plaats een bezichtiging kaart afgestemd op de ECDL worden uitgevoerdben. Deze wordt gebruikt om het laservermogen te bewaken correcties gemaakt op de wijzen van de afgebogen bundel. Een vermogensmeter kan ook worden gebruikt, maar langzamer in zijn antwoord. Pas de ingestelde stroom op de diode regelkast tot net onder de drempel huidige voor reflectieve voorfacet diodes en 1/3 van de maximale stroom voor AR gecoat diode winst chips. Reflecterende voorfacet diodes zal een drempel op hun huidige specificatie of data sheets hebben terwijl AR coating winst chips niet. Pas de hoek van het rooster arm zowel horizontaal als verticaal, om de afgebogen bundel terug in de diode te sturen, waardoor in feite een externe feedback holte. Wanneer de bundel wordt gericht in de laserdiode wordt een forse verhoging van het uitgangsvermogen, waarneembaar als een duidelijke toename of heldere flits op een smartcard of een dramatische toename van vermogen wanneer gemeten met een energiemeter of fotodiode. Een smartcard is niet een zeer kwantitatieve maat of kracht zodat het nodig kan zijn om stapsgewijs verlagen van de laser diode stroom en stel de beoordelingen balk tot het bovenstaande probleem te zien in de laagst mogelijke stroom. Instellen van de collimatie lens focus of aspositie optimaliseren scherpgesteld bij diode facet kan de drempel verder verlagen en uitgangsvermogen waarna het nodig is om het raster hoek horizontaal en verticaal reoptimize. 4. Eerste Frequency Selection Voor de eerste frequentie uitlijning van de laser een absolute meting van de golflengte met een nauwkeurigheid van <1 nm en bij voorkeur <0,1 nm is ideaal. Deze grove frequentie meting maakt het veel makkelijker om af te stemmen de laser frequentie op een atomaire overgang in een latere stap. Er zijn vele opties, waaronder het gebruik van een wavemeter, een optische spectrum analyzer, spectrometer, of een monochromator met een camera. Zorg ervoor dat een gekalibreerde nauwkeurige apparaat wordt gebruikt of controleer de calibration bijvoorbeeld met een HeNe laser. Alternatief kan de grove frequentie aanpassing gewoonlijk uitgevoerd door het lopen van de raster hoek en stroom tijdens de laser scanning tot een absorptie of fluorescentie signaal van een referentie damp cel kan worden gezien. Over het algemeen een secundaire bundel geplukt van het grootlicht, met een glazen wig prisma of λ / 2 golfplaat en polariserende beam splitter, zal worden gebruikt als input voor de golfmeter. Deze optische configuratie is te zien in figuur 1D. Raadpleeg de lijst van materialen voor materialen die in deze demonstratie. Pas de ECDL tot de gewenste golflengte aan de uitgang wordt verkregen. De diode stuurstroom, temperatuur, raspen hoek en externe caviteitslengte alle invloed op de laser frequentie 24 (figuur 3). Begin met het aanpassen van het raster hoek, met de hand of met het piëzo. Ten tweede, pas de diode stroom. Als de gewenste frequency is het blauw van het raster bereik ligt, moet diode temperatuur verlaagd en vice versa als de gewenste golflengte de rode. 5. Fine frequentieaanpassingen en frequentie Locking Opgezet verzadigde absorptie spectroscopie op de ECDL-uitvoer via de configuratie in figuur 1F 3,14,17. Het gebruik van een optische isolator onmiddellijk na de laser noodzakelijk (Figuur 1C). Het is belangrijk om terug te voorkomen reflectie in de laser, die instabiliteit kunnen veroorzaken. Verzadigde absorptie spectroscopie met een celverwijzing, die het atoom van belang is een eenvoudige manier om een laser te vergrendelen tot een smalle atomaire overgang 25. Zorg ervoor dat de celverwijzing is op een hoek om terug te vermijden reflecties en dat de spiegel retro reflecteert de bundel terug door de damp cel met een maximale overlap. De dubbele pas uitgezonden vermogen kan worden gecontroleerd met behulp van de fotodiode als de ECDL golflengte wordt gescand. De meeste diode controllers hebben een ingebouwde scan-functie dat de golflengte scant door het aanpassen van het rooster piëzo spanning en dus het rooster hoek en externe holtelengte of door het moduleren van de diode stroom. De breedte, scan offset en laser temperatuur en stroom worden aangepast tot een absorptie-signaal kan worden bekeken op een scope aangesloten op de fotodetector. Wanneer de laser scanning via atomaire overgang moet het mogelijk zijn om de laserstraal pad zien in de damp cel fluoresceren of knipperen met het blote oog of met behulp van een IR viewer. De kracht per oppervlakte-eenheid in de referentiebundel voor verzadigde absorptiespectroscopie moet op of boven de verzadiging intensiteit van de atomaire overgang. Met de λ / 2 golfplaat voor de polariserende bundelsplitser om de kracht te verhogen totdat een heldere absorptie signaal zichtbaar. Berekeningen van verzadiging intensiteiten kan worden gevonden in Foot 16. Met de laser scanning via 780 nm Rb atomaire overgang, moet een groot Doppler verbreed absorptiesignaal zichtbaar, ~ 5 GHz breed, met verschillende scherpe overgangen ~ 10 MHz verbrand in voet 16 (Figuur 4). Het minimaliseren van de stroom die wordt gebruikt voor het genereren van de verzadigde absorptie signaal is nodig om de macht verbreding verminderen en een scherpere functie te vergrendelen. Om de ECDL frequentie vergrendelen, wordt een foutsignaal nodig. Door ringen om de referentiecel als in fig. 5 10 en oscilleren van het magnetische veld, worden de Zeeman niveaus en dus de frequentie van de gemoduleerde overgangen. In dit geval is de stroom door de spoelen Zeeman gemoduleerd op ongeveer 250 kHz met een grootte van ~ 1 G. Meng de absorptie signaal van de verzadigde absorptie fotodetector met het modulatiesignaal van de functiegenerator. Wanneer de uitgang van de mixer wordt bekeken op een toepassingsgebied moet het een foutsignaal si wordenMilar naar figuur 4. de grootte van het foutsignaal hangt af van de relatieve fase tussen de twee gemengde signalen. Draai de λ / 4 bundelsplitser voordat de damp cel om de faseregeling. Geleidelijke verlaging van de scan bereik en stel de offsets om de scan te centreren over de overgang van belang met geen andere overgangen aanwezig. Een proportionele-integrale-afgeleide (PID) circuit (zie bijvoorbeeld MacAdam et al.. 3) kan dan worden gebruikt om het ECDL golflengte te vergrendelen met behulp van de fout signaal. De PID versterking moet onder het punt waar beltoon wordt waargenomen door te kijken naar de aanwezigheid van modulatie in het foutsignaal (bijvoorbeeld met een spectrum analyzer of een Fourier transformatie van het foutsignaal trace) verlaagd. 6. Lijnbreedte Meting Om een ​​nauwkeurige meting lijnbreedte te bereiken is het nodig om ofwel een bekend smalle lijnbreedte (zoals een laser aan l hebbeninewidth aanzienlijk minder dan de ECDL), twee van dezelfde ECDLs of vertragingslijn lang vergeleken met de coherentie lengte van de ECDL. Hier twee ECDLs zal worden verstoord naar linewidth meten. Alternatief, kan het eenvoudiger zijn te vergrendelen een resonantie door een atomaire overgang of een Fabry-Perot holte en geschikt om het geluid boven de bandbreedte van de vergrendelende lus. Vergrendel de twee lasers om verschillende hyperfijne overgangen, liefst rond de 100 MHz te compenseren. Dit zal de impact van de elektronische ruis te minimaliseren. Mode, kracht en polarisatie overeenkomen met de twee bundels en interfereren ze samen met een 50/50 niet-polariserende bundelsplitser. Lijn de resulterende balk op een fotodetector. Het uitgangssignaal van de fotodetector moet een sinusgolf met een frequentie van frequentie beide laser te compenseren. Het kan nodig zijn beperken of defocus de resulterende bundel zodat er geen schade of verzadigen de fotodiode. De overlap van de twee verslaan balken zal de pony cont bepalenrast als ze op een scope tijdens de lijnbreedte meting. Als de pony contrast is slecht, besteden extra tijd het verbeteren van de mode matching en overlap van de balken op de balk splitter en detector. Een goede methode is om de twee bundels overlappen met twee irissen of pengaten, gescheiden door een relatief grote afstand, ~ 1 m. Het zal moeilijk zijn om de frequentie fluctuaties op scope lossen. Voor de beste meting gebruik maken van een spectrum analyzer, die een Voigt profiel gecentreerd op de beat frequentie zal geven met een lijnbreedte Δ f, gelijk aan de geconvolueerde laser lijnbreedte (figuur 6). Om een ​​goede benadering de spoor geschikt om een ​​Gauss en de lijnbreedte verkregen uit de passing kunnen zijn. De gemeten ruis of lijnbreedte zal afhangen van de verwerving of integratietijd die door het aanpassen van de resolutie bandbreedte op de spectrum analyse kan worden ingesteld. Om deze reden is het belangrijk om de integratie tijd citeren wanneer vermelding van het measured lijnbreedte.

Representative Results

Er zijn 5 belangrijke stappen die betrokken zijn bij de aanpassing, frequentie vergrendeling en karakteriseren van de lijnbreedte van de ECDL. Deze zijn: het verkrijgen van feedback van het rooster en het gebruik van deze optie om de grove ECDL frequentie gemeten op een wavemeter ingesteld, observeren laser absorptie in de celverwijzing, het bekijken van de atomaire overgang met een resolutie rond de natuurlijke lijnbreedte in een verzadigde absorptie spectroscopie setup, het verkrijgen van een foutsignaal rond de gewenste overgang en vergrendeling aan, en tenslotte het observeren van de beat nota van twee lasers en het meten van de laser lijnbreedte. Stap een is succesvol afgerond, tamelijk triviaal als de golflengte als lezen op de wavemeter komt overeen met de atomaire overgang van belang. Bij een poging om de absorptie in de celverwijzing te bereiken, kan bloei te zien langs de stralengang in de cel met een IR kijker wanneer de overgang is geraakt. Als de ECDL is het scannen van de cel zal knipperen. Een verzadigde absorptie signaal kan moeilijk zijn te herkennen whe n eerste uitlijnen omdat de transmissielijnen zeer klein zijn in vergelijking met de Doppler-absorptie piek. Wanneer pieken, vergelijkbaar met die getoond in fig. 4, is te zien, wordt de verzadigde absorptie systeem goed werkt. Door de parameters fase en scan een foutsignaal soortgelijk aan die getoond in figuur 4 worden verkregen. Om ECDL lijnbreedte meten noodzakelijk een zwevingssignaal tussen twee bundels te vinden. Aangezien de balken worden steeds meer overlappen sinusgolf begint te verschijnen, zoals te zien op een bereik van een fotodetector. Houd uitlijnen totdat het contrast tussen de knooppunten en anti-knooppunten grootste. Wanneer het zwevingssignaal dan wordt door een elektronische spectrum analyser een signaal gelijksoortig aan figuur 6 worden gezien. De laser lijnbreedte kan worden gemeten van dit signaal. De volledige optische opstelling is te zien in figuur 1. "Figuur 1" fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" /> .. Figuur 1 Volledige optica opstart Dit is een voorbeeld van een volledige optische opstelling voor het ECDL systeem besproken A:. Dit toont de Littrow configuratie van een ECDL. Een percentage, gewoonlijk 20-30% van de invallende bundel op het raster weer in de diode afgebogen. De diffractie hoek en reflectiehoek gelijk. Het raster is gemonteerd op een tuning fase die een piëzo het rooster hoek bedienen gebruikt B:. De uitgangsbundel van de laser diode valt in op het raster onder een hoek θ met de 0e orde weerkaatst en de 1e orde diffractie teruggestuurd langs de invallende bundel pad. De golflengte van het gebroken licht wordt gegeven door λ = 2 d sin (θ) in Littrow configuratie C:. Positie en oriëntatie van de optische isolator om ongewenste terugkoppeling verminderen de laserdiode D:. de uitgangsbundel uit het vak laser gaat door een λ / 2 golfplaat en PBS en wordt afgestemd op de golfmeter. De stroom in het gereflecteerd en uitgezonden lichtbundels kunnen worden aangepast door het draaien van de golfplaat E:. Bundellijn voor experiment. Deze lijn zal de meerderheid van de macht van de laser F bevatten:. Pass een verwijzing balk op of boven verzadiging intensiteit door middel van een PBS, λ / 4 golfplaat, referentie gas cel en retro reflecteren terug op de PBS. Het is belangrijk dat de twee bundels goed overlappend juiste verzadiging spectroscopie. De golfplaat zal zorgen voor de polarisatie van het licht op de retro gereflecteerde bundel wordt gedraaid 90 ° van de invallende bundel waardoor zij aan de tegenoverliggende poort van de beam splitter verlaten. Klik hier om een grotere imag bekijkene. Figuur 2. Laser diode bescherming circuit. Voorbeeld beveiliging voor de laserdiode huidige. R1 en C1 vormen een basis RC-circuit en zal filteren hoogfrequente ruis. D 1 en D 2 zijn respectievelijk Schottky en zenerdioden. De Schottky-diode, die een snelle responstijd heeft, is op zijn plaats om te beschermen tegen reverse spanning, en de zenerdiode, die een tragere reactietijd heeft, is ontworpen om stroom als boven de laserdiodes maximale werkspanning passeren, waardoor het vermijden beschadiging van de laserdiode. Typische waarden voor de componenten zullen R1 = 1 Ω, C 1 = 1 mF, D 1 = 30 V, D 2 = 6 V. De gekozen R1 en C1 waarden de huidige modulatie bandbreedte van de diode beperken. Dit kan minder zijn danideaal als een fout signaal dat via de huidige modulatie in plaats van de Zeeman modulatie besproken wordt geproduceerd. . Figuur 3 concurrerende takken in een ECDL Groen:.. Lijn breedte van raspen diffractie orde ≈ 50 GHz, afhankelijk van het rooster Rode solide: De interne holte modus van een laserdiode met een lijndikte ≈ 10 MHz en vrije spectrale bereik ≈ 80 GHz . Red dash: De inwendige holte van een anti-reflectie coating diode. Deze diodes zal een lijndikte hebben in de nm Blauw:. Externe cavity modes met een lijndikte van ≈ 500 kHz en een gratis spectraal bereik van ≈ 5 GHz. Van een 3 cm lang externe holte. Instellen van de rooster hoek zal het centrum van de groene curve en si verschuiven lijkertijd veranderen de externe holtelengte beurt verschuiven van de blauwe curve ook. Aanpassing van de diode stroom en temperatuur verschuift het rode curves. .. Figuur 4 Verzadigde absorptie spectroscopie en bijbehorende fout signaal Voor rubidium 87 Lower Curve:. Verzadigde absorptiepieken op het veel bredere Doppler absorptie piek gevormd van Doppler gratis spectroscopie. Upper Curve: Fout signaal voor de overeenkomstige verzadigde absorptie systeem. De labels boven het foutsignaal overeen met de atomaire overgang (F → F '). jpg "/> Figuur 5. Zeeman spoel. Coil rond een rubidium damp cel in Zeeman modulatie. Figuur 6. Laser lijnbreedte. Signaal overgenomen van een spectrum analyzer van de beat noot gevormd door twee soortgelijke lasers. Uit de figuur, de beat heeft een frequentie van 206,24 MHz en een lijnbreedte van 0,3 MHz met een integratietijd van 20 msec. Huidige Controls Reeks Lawaai <td height = "21" style = "height: 21px;"> Thor Labs: LDC200CV 0-20 mA <1 ua (10 hz -10 mhz) ldc201cu 0-100 ma <0,2 ldc202c 0-200 <1.5 -1 ldc205c 0-500 <3 moglabs: dlc-202 <300 pa > DLC-252 0-250 mA <300 pa > Stanford Research Systems: LDC500 -55 Tot 150 ° C ± 2 mK LDC501 -55 Tot 150 ° C ± 2 mK TOPTICA: DTC 110 0-50 ° C ± 2 mK Tabel 1. Diodestroom en temperatuurregelaars. Verschillende bedrijven 'diodestroom en temperatuurregelaars met hun bereik en het geluidsniveau.

Discussion

Deze publicatie heeft laten zien hoe u van een gedemonteerde ECDL door de uitlijning en de frequentie vergrendeling om een ​​meting van de laser lijnbreedte produceren. Het mechanisch ontwerp en het ontwerp van de elektronica zoals PID servo's, diode drivers en temperatuurregelaars is te gespecialiseerd om hier te worden besproken, maar zijn uitgebreid besproken in referentie publicaties 1,3,5.

Hoewel diode ECDL is een nietje in de atoomfysica labs, de soort en overgangen die deze bedenkt kunnen bereiken is beperkt geworden. Er is veel vooruitgang geboekt bij het verbreden van het golflengtegebied van diode gebaseerd lasers echter nog veel hiaten blijven vooral in de UV. Kracht beperkingen van ECDL systemen blijven hun toepassingen te beperken. Bare single mode diodes variëren in vermogen van μWatts tot 100's van mWatts. Bovendien kan taps toelopende versterkers worden toegevoegd aan een ECDL systeem om de enkelvoudige modus totale laservermogen verhogentot aan de Watt-niveau. Als single mode krachten veel groter dan een Watt of andere golflengten zijn verplicht alternatieve laser architecturen vereist. Deze omvatten fiber lasers 26, solid state lasers 27 zoals TiSaph lasers of ze kunnen vertrouwen op niet-lineaire frequentie conversie processen 27 zoals Raman lasers, vier wave mixing, somfrequentie generatie, of een optische parametrische oscillator.

Deze publicatie is gericht op een vergrendelingsmechanisme dat afhankelijk atomaire damp cel. Voor vele toepassingen in de atoomfysica een eenvoudige glas damp cel, zoals hier besproken, zijn mogelijk niet beschikbaar, zoals het geval is voor soorten zoals Yb. Vele andere technieken voor het verkrijgen van een referentiemonster dat een aantal soorten zijn aangetoond, zoals heet atomaire stralen, ontladingslampen buffergas cellen, jodium cellen en sputteren cellen.

Deze laser systeem ontwerp is inherent beperkt tot lijnbreedtes van ≈ 30 kHz 28 en typisch dichter bij 100 kHz. Als de applicatie is een smallere lijnbreedte andere stabilisatie technieken of alternatieve laser ontwerpt 26 zijn vereist.

Wanneer het werken met optische systemen, netheid is van het grootste belang. Het is een goede gewoonte bij de eerste geïntroduceerd tot en de verwerking optiek dat handschoenen worden gedragen om te voorkomen dat per ongeluk het optische oppervlak aan te raken. Als een optische krassen dient niet worden gebruikt in een lasersysteem. In de meeste gevallen optiek met vingerafdrukken of stof kan worden gereinigd met aceton of perslucht respectievelijk. Een onzuiverheid in een optische oppervlak en verlies en mogelijk lawaai in te brengen. Optica mounts moeten worden vastgesteld om de optiek bank te allen tijde en moeten stevig eenmaal op zijn plaats geschroefd.

Bij het uitlijnen optiek zoals golfplaten en polariserende straalsplitsers, zorgen voor het licht invalt buurt loodrecht op de optische oppervlak, terwijl avoIding reflecties terug in de laser. Als de invalshoek afwijkt van 90 ° het gedrag van deze optische elementen wordt verder van ideaal. Om aberratie te minimaliseren en maximaliseren numerieke opening balken moet altijd goed door het centrum van lenzen en zijn loodrecht op de lens. Daarentegen zou een damp cel geplaatst onder een geringe hoek ten opzichte van de invallende lichtbundel etalon te vermijden. Om deze reden veel damp cellen zijn vervaardigd met nonparallel einde facetten.

De lasers die hier gebruikt zijn klasse 3B. Zelfs storende weerkaatsingen hebben het potentieel voor oogletsel. Werken met lasers van dit type mogen uitsluitend worden uitgevoerd door geschoold personeel dat bekend is met de gevaren van lasers. Laser veiligheidsbril moet worden gedragen ten alle tijden. Kijk nooit recht naar beneden het pad van een laser voor optische uitlijning en zorg er vooral voor om te voorkomen dat er gevaarlijke spiegelende reflecties uit optische componenten. Balk lijnen usi altijd positief te beëindigenng een beam dump.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wieman, C. E., Hollberg, L. Using diode lasers for Atomic physics. Rev. Sci. Instrum. 62 (1), 1-20 (1991).
  2. Camparo, J. C. The diode laser in atomic physics. Cont. Phys. 26 (5), 443-477 (1985).
  3. 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).
  4. Steck, D. A. Rubidium 87 D line data. Los Alamos National Laboratory. , 1-29 (2001).
  5. 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).
  6. Zorabedian, P., Trutna, W. R. Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser. Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Black, E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization. Am. J. Phys. 69 (1), 79-87 (2001).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. . Atomic Phyisics. , (2004).
  16. Foot, C. J. Atomic Physics. , (2005).
  17. Haus, H. A. . Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements. , (2000).
  18. Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Lett. 16 (16), 630-631 (1980).
  19. Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay. Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).
  20. Optics Hecht, E. . , (2002).
  21. Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. A simple extended-cavity diode laser. Rev. Sci. Instrum. 69, 1236 (1998).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Koechner, W. . Solid-State Laser Engineering. , (1999).
  26. Saliba, S. D., Scholten, R. E. Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers. Appl. Opt. 48 (36), 6961-6966 (2009).

Tags

External Cavity Diode LaserECDLAtomic PhysicsLaser SpectroscopyLaser CoolingLaser LockingLaser Linewidth

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Hardman, K. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C. N., 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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image