Construcción y caracterización de Exteriores Cavidad diodo láser de Física Atómica

1. Selección de componentes Seleccionar un diodo en la longitud de onda apropiada para el átomo de interés. Es fundamental que el diodo seleccionado será monomodo (SM y tiene la potencia suficiente para la aplicación. Un diodo recubierta antirreflectante es ideal. Estos diodos no lo hará lase sin la adición de una cavidad externa y están diseñados explícitamente para la operación ECDL. Ellos tienen un rendimiento significativamente mejor, especialmente para aplicaciones en las que la exploración de la longitud de onda del láser es importante. El diodo láser que se utiliza aquí está en la Lista de Materiales). Al igual que en Mac Adam et al. 3, el ECDL debe estar diseñado para encajar perfectamente el diodo y una lente de colimación. La estabilidad mecánica y contacto térmico son críticas para el buen funcionamiento del láser. Para facilitar la construcción y mecanización mínima, el éxito ha sido había utilizando un soporte de láser de diodo con el tubo de lente integrada (Lista de Materiales). Seleccionar una lente para colimar el diodo. LoEs importante que la abertura numérica sea comparable o mayor que la apertura numérica del diodo de lo contrario habrá pérdidas sustanciales. La mayoría de los diodos tienen una apertura numérica alta (> 0,5) y requieren de lentes asféricas, de lo contrario resultará en aberraciones muy baja eficiencia de retroalimentación. Asegúrese de que la lente está revestida en la longitud de onda de funcionamiento anti-reflejo, elija un objetivo con una distancia focal larga para aumentar el tamaño del haz sobre la rejilla y una longitud de onda de diseño cerca de la longitud de onda de funcionamiento para reducir la aberración. Consulte la Lista de materiales de la lente utilizada en el sistema demostrado. Seleccione la reja externa apropiada para la gama de frecuencia del diodo láser y el ángulo central del brazo de sintonización rejilla. La longitud de onda de la luz difractada en el primer orden, configuración Littrow, está dada por λ = 2 d sen (θ), donde d es el espacio entre líneas de rejilla, θ es el ángulo de la rejilla de la incidencia y λ lalongitud de onda 21 (Figura 1B). Hay dos tipos principales de la red de difracción, holográficos y gobernados, y ambos pueden ser o no ardieron. Dependiendo del tipo de rejilla de la potencia difractada puede variar sustancialmente. Apunte para una red de difracción holográfica con una eficiencia de difracción de entre un 20-30%. Consulte la Lista de materiales de la rejilla utilizada en el sistema demostrado. Utilice el diseño más simple manejable – complejidad a menudo significa inestabilidad. Hay un gran número de diseños ECDL pero la más sencilla es la Littrow 3,5,7,22. Lea los documentos y decidir si un gran modo de salto libre gama (el rango de frecuencias sobre las que el diodo puede sintonizar de forma continua y sin repente saltar a otra frecuencia), una anchura de línea muy estrecha o reducida variación apunta es de la mayor importancia para la aplicación. Obtener la mayor cantidad de información posible antes de comenzar el diseño ECDL. A menudo, la rejilla ECDL es más que suficiente para las aplicaciones de la física atómica. Es importante darse cuenta de que el rendimiento de un ECDL está más fuertemente arraigada en el sistema electrónico que conducen la corriente del diodo y estabilizan la temperatura del láser. Sin un buen sistema de electrónica de diseño mecánico actuará bajo-. Se incluye una comparación de los diferentes controladores de corriente y de la temperatura en la Tabla 1. Cuanto menor es el ruido de la corriente, mejor que el láser actuará 23. 2. Asamblea A los efectos de este trabajo, el punto de partida para el conjunto de ECDL será un sistema mecánico ECDL completa montada en un refrigerador termoeléctrico (TEC) y sin la frecuencia de selección de los componentes (es decir, la rejilla y el láser de diodo). Comience por colocar el diodo láser en su respectivo orificio de montaje y fijarlo usando su anillo de montaje. Tenga cuidado de no apretar en exceso el anillo de montaje. Debe ser ajustado pero no apretado. Antes de conectar el diodo láser para la alimentación de corriente, check la hoja de especificaciones del diodo para el ánodo, cátodo y asignaciones de los pines de tierra. Esto varía de un diodo diodo y poner la corriente a través del diodo al revés lo destruirá. Diodos láser son dispositivos de bajo voltaje, normalmente, un 5-10 V máximo, y se debe tener cuidado para asegurar que no estática se descarga a ellos. Es buena práctica usar una correa de conexión a tierra al manipular diodos e instalar un circuito de protección (por ejemplo, la figura 2) a través de los pines de diodos láser para evitar altos voltajes. El diodo puede y patillas de tierra debe estar conectado a tierra de manera permanente y el uso de alambres finos puede ayudar a reducir el acoplamiento de las vibraciones mecánicas. Ajustar las temperaturas máximas y mínimas y los diodos y TEC actuales límites máximos en el controlador de diodos de acuerdo con los valores de la hoja de especificaciones del diodo. Si la temperatura mínima está por debajo del punto de rocío para el laboratorio y luego utilizar una temperatura mínima de ~ 2 ° C above del punto de rocío. Esto evitará la condensación. La hoja de especificaciones del diodo por lo general tiene una figura de temperatura vs longitud de onda en una corriente del diodo dado. Utilice esta figura como una referencia para establecer inicialmente la temperatura del diodo (y la corriente) para que coincida con la longitud de onda de interés. Si una temperatura vs gráfico de longitud de onda no está disponible ajustar la temperatura de ajuste a la temperatura ambiente. Gire el regulador de temperatura y deje que la temperatura se estabilice. Encienda el diodo y gire la corriente de manera que el haz de salida se puede observar claramente con una tarjeta de visionado. Utilice una tarjeta de IR para ver la viga. Inserte la lente de colimación asférica y colimar el diodo láser mediante el ajuste de la separación entre el diodo y la lente. Con el fin de asegurar una buena colimación asegurarse de que la viga tiene un camino claro, idealmente> 3 m, y ajustar la posición de la lente hasta que el diámetro del haz justo después de la ECDL y al final de la trayectoria del haz son las mismas, asegurándose de verificar que el yo hazs no se centra en ningún punto a lo largo del camino. Comprobar la polarización del láser de diodo se encuentra en el plano deseado para la rejilla de difracción (S o P). En la mayoría de los casos la polarización del diodo es a lo largo del eje corto de la forma del haz elíptico, pero es una buena práctica para comprobar el eje de polarización usando un divisor de haz polarizante. Si el eje del haz no está en el plano deseado, aflojar el anillo de montaje de diodo y girar el diodo hasta que se consigue la orientación adecuada. Algunos diseños ECDL permitir que esto se hace con el láser y conectada a la fuente de corriente y otros no lo hacen. Si los cables de suministro de corriente deben ser removidos para girar el diodo, corte el suministro de corriente a la caja de control y retire los cables. El control de la temperatura ECDL puede permanecer encendido durante este proceso. Recuerde usar siempre una muñequera antiestática cuando manipule el diodo. Si fuera necesario cambiar la posición del diodo repetir el paso anterior para recollimate el diodo. El plano de difracción de la rejilla es generalmente etiquetado por el fabricante con una flecha perpendicular a las líneas de rejilla y en la dirección de la reflexión ardido. Vuelva a comprobar esto observando el reflejo de una fuente de luz de banda ancha, como un foco de luz, como una función del ángulo. Si la rejilla se realiza con la flecha hacia atrás hacia el observador y una amplia fuente de luz de banda sobre la cabeza, la luz reflejada cambiará de color en función del ángulo de rejilla. Montar la rejilla de manera que la flecha apunte hacia atrás hacia el diodo y ajustar así el ángulo de rejilla varía la longitud de onda reflejada hacia el diodo (Figuras 1A y 1B). Una vez que la orientación de la rejilla se ha confirmado el pegamento de la rejilla en el brazo de sintonización ECDL encolados fraguado rápido como Loctite. 3. Alineamiento Feedback Coloque una tarjeta de visión alineada con la salida ECDL seram. Esto se utiliza para controlar la potencia del láser como se realizan ajustes a la puntería de la haz difractado. Un medidor de potencia también se podría utilizar, pero es más lento en su respuesta. Ajuste la configuración actual en la caja de control del diodo hasta justo debajo de la corriente umbral de diodos faceta reflectante delante y 1/3 de la corriente máxima para AR fichas de ganancia diodo recubiertos. Diodos faceta reflectante delante tendrán un umbral de intensidad en sus especificaciones o las hojas de datos, mientras que AR recubierto fichas de ganancia no. Ajustar el ángulo del brazo de rejilla tanto horizontal como verticalmente, para dirigir el haz difractado de nuevo en el diodo, haciendo efectivamente una cavidad retroalimentación externa. Cuando el haz se dirige en el diodo láser habrá un aumento significativo en la potencia de salida, observable como un marcado aumento o brillante flash en una tarjeta de visualización o un aumento dramático de la energía cuando se mide usando un medidor de potencia o fotodiodo. Una tarjeta de visualización no es una medida cuantitativa o muyf poder así que puede ser necesario bajar incrementalmente la corriente del diodo láser y reajustar el haz de retroalimentación hasta que el comportamiento anterior se puede ver en la corriente más bajo posible. Ajuste de la lente de colimación de enfoque o axial para optimizar la posición de enfoque en la faceta de diodo puede reducir aún más el umbral y aumentar la potencia de salida después de lo cual será necesario para reoptimizar el ángulo de rejilla horizontal y verticalmente. 4. Selección inicial de frecuencia Para la alineación de frecuencia inicial del láser una medida absoluta de la longitud de onda con una precisión de <1 nm y idealmente <0,1 nm es ideal. Esta medición de frecuencia gruesa hará que sea mucho más fácil de sintonizar la frecuencia de láser sobre una transición atómica en un paso posterior. Hay muchas opciones, incluyendo el uso de un ondámetro, un analizador de espectro óptico, espectrómetro, o un monocromador con una cámara. Asegúrese de que un dispositivo de precisión calibrado se utiliza o se compruebe su calibration por ejemplo, usando un láser de HeNe. Alternativamente, el ajuste de frecuencia gruesa por lo general se puede lograr por caminar el ángulo de rejilla y corriente, mientras que el láser es de exploración hasta una absorción o señal de fluorescencia de una célula de referencia de vapor se pueden ver. En general, una viga secundaria interceptado de la viga principal, usando un prisma cuneiforme vidrio o λ / 2 placa de onda y el divisor de haz de polarización, se utilizará como insumo para la ondámetro. Esta configuración óptica se ve en la Figura 1D. Consulte la Lista de materiales para los materiales utilizados en esta demostración. Ajuste el ECDL hasta que se obtiene la longitud de onda de salida deseada. El diodo conduce corriente, temperatura, ángulo de rejilla y longitud de la cavidad externa afectarán la frecuencia del láser 24 (Figura 3). Comience ajustando el ángulo de la rejilla, ya sea a mano o utilizando el piezo. En segundo lugar, ajustar la corriente del diodo. Si el freque deseadancia es el azul del rango de barrido de rejilla, la temperatura del diodo debe disminuir y viceversa, si la longitud de onda deseada es el rojo. 5. Ajustes de frecuencia fina y de frecuencia de bloqueo Configure la espectroscopia de absorción saturada en la salida ECDL utilizando la configuración de la Figura 1F 3,14,17. El uso de un aislador óptico inmediatamente después de que el láser es esencial (Figura 1C). Es importante evitar la reflexión de nuevo en el láser, que puede causar inestabilidad. Espectroscopia de absorción saturada utilizando una celda de referencia, que contiene el átomo de interés es una forma sencilla de bloquear un láser para una transición atómica estrecha 25. Asegúrese de que la celda de referencia se encuentra en un ángulo para evitar volver reflexiones y que el espejo retro refleja el haz a través de la célula de vapor con la máxima superposición. La potencia de doble paso transmitida puede controlarse utilizando el diodo foto como la ELongitud de onda de CDL se escanea. La mayoría de los controladores de diodos tendrán una construida en función de exploración que va a escanear la longitud de onda mediante el ajuste de la tensión de rejilla piezoeléctrico y por lo tanto el ángulo de rejilla y longitud de la cavidad externa o mediante la modulación de la corriente del diodo. La anchura, escanear offset y laser de la temperatura y la corriente se debe ajustar hasta que una señal de absorción se puede ver en un ámbito conectado al detector de foto. Cuando el láser está explorando sobre la transición atómica debería ser posible ver la trayectoria del haz de láser en la fluorescencia de células de vapor o el flash a simple vista oa través de un visor de infrarrojos. La potencia por unidad de área en el haz de referencia para la espectroscopia de absorción saturada debe estar en o por encima de la intensidad de saturación para la transición atómica. Utilice la placa de onda λ / 2 antes de que el divisor de haz polarizante para aumentar la potencia hasta que una señal de absorción claro se puede ver. Los cálculos de las intensidades de saturación se pueden encontrar en pie 16. Con el escaneo láser sobre la transición atómica de Rb 780 nm, una señal de absorción ampliado Doppler amplia debe ser visto, ~ 5 GHz de ancho, con varias transiciones bruscas ~ 10 MHz quemado en pie 16 (Figura 4). Reducción al mínimo de la potencia utilizada para generar la señal de absorción saturada es necesario reducir ampliación de potencia y producir una característica más nítida para bloquear a. Con el fin de bloquear la frecuencia de PCIE, se necesita una señal de error. Por la colocación de bobinas alrededor de la célula de referencia como en la figura 5 10 y la oscilación del campo magnético, los niveles Zeeman y por lo tanto las frecuencias de las transiciones son moduladas. En este caso, la corriente que pasa a través de las bobinas de Zeeman se modula a alrededor de 250 kHz con una magnitud de 1 ~ G. Mezclar la señal de absorción de la absorción fotodetector saturada con la señal de modulación desde el generador de funciones. Cuando la salida del mezclador se visualiza en un ámbito de aplicación que debería ser una señal de error SIMilar a la Figura 4. La magnitud de la señal de error dependerá de la fase relativa entre las dos señales mixtas. Girar el divisor de haz λ / 4 antes de la célula de vapor para ajustar la fase. Reducir progresivamente el Rango de escaneado y ajustar las compensaciones para centrar el análisis sobre la transición de su interés, sin otras transiciones presentes. Un proporcional-integral-derivativo (PID) del circuito (por ejemplo, véase Mac Adam et al. 3) se puede usar entonces para bloquear la longitud de onda ECDL usando la señal de error. La ganancia PID se debe reducir por debajo del punto en el que está sonando se observó mediante la búsqueda de la presencia de modulación en la señal de error (por ejemplo, utilizando un analizador de espectro o transformada de Fourier de la traza de la señal de error). 6. Medición Grosor de línea Con el fin de lograr una medición de anchura de línea precisa que es necesario tener ya sea una fuente de anchura de línea estrecha conocido (otro láser con Linewidth significativamente menor que la ECDL), dos de los mismos SIVCE o una línea de retardo largo en comparación con la longitud de coherencia de la ECDL. Aquí dos SIVCE se interfirieron para medir ancho de línea. Alternativamente, puede ser más fácil para bloquear a una resonancia producido por una transición atómica o una cavidad de Fabry-Perot y ajuste para el ruido por encima del ancho de banda del bucle de bloqueo. Bloquee los dos rayos láser para diferentes transiciones hiperfinos, compensado idealmente alrededor de 100 MHz. Esto minimizará el impacto del ruido electrónico. Modo, el poder y la polarización coinciden con las dos vigas e interfieren entre sí usando un 50/50, nonpolarizing divisor de haz. Alinear el haz resultante en un fotodetector. La salida de la señal en el detector foto debe ser una onda sinusoidal con una frecuencia de la frecuencia de los dos de láser offset. Puede ser necesario para atenuar o desenfocar el haz resultante para no dañar o saturar el fotodiodo. El solapamiento de los dos haces golpeando determinará la CONT franjarast como se ve en un ámbito durante la medición de anchura de línea. Si el contraste de la franja es pobre, dedicar más tiempo a la mejora de la adecuación del modo y la superposición de los haces en el divisor de haz y el detector. Un buen método es para solapar los dos haces utilizando dos iris ', o agujeros de pasador, separadas por una distancia relativamente grande, ~ 1 m. Será difícil de resolver las fluctuaciones de frecuencia en un ámbito de aplicación. Para la mejor medición de utilizar un analizador de espectro, lo que dará un perfil de Voigt centrado en la frecuencia de batido con un ancho de línea Δ f, igual a la anchura de línea de láser convuelta (Figura 6). Para una buena aproximación de la traza puede estar en forma de una gaussiana y el ancho de línea obtenida de la forma. El ruido o la anchura de línea medida dependerá de la adquisición o el tiempo de integración, que puede ser definido por el ajuste de la anchura de banda de resolución sobre el analizador de espectro. Por esta razón, es importante citar el tiempo de integración cuando se cite la mlinewidth easured.