外腔半导体激光器的原子物理的构建与鉴定

1，组件选择在适当的波长为感兴趣的原子选择一个二极管。所选的二极管是单模（SM和有足够的功率应用程序，这一点至关重要。防反射涂层二极管是理想的。这些二极管不会化酶不加外腔，他们被明确为ECDL操作而设计。它们具有显著更好的性能，尤其是对于应用在扫描激光的波长是很重要的。这里所用的激光二极管中列出材料清单）。 如麦克亚当等 3，ECDL必须被设计成紧密地适合二极管和准直透镜。机械稳定性和热接触是激光的良好运行至关重要。为便于施工，最​​小的加工，成功已经使用了集成透镜管（材料清单）二极管激光器安装。 选择一个镜头瞄准二极管。它重要的是，数值孔径相媲美或比二​​极管的数值孔径越大，否则会有重大损失。最二极管具有高数值孔径（> 0.5）和需要的非球面透镜，否则畸变会导致非常低的反馈效率。确保透镜是防反射涂覆在工作波长中，选择一个透镜具有长焦距，以增加光束尺寸在光栅和一个设计波长附近的工作波长，以减少像差。请参阅材料清单的展示系统中使用的镜头。 选择适当的外部光栅，用于对激光二极管的频率范围和光栅调谐臂中心角。光衍射成第一级的波长，利特罗配置，通过λ= 2 D SIN（θ），其中，d是光栅线间距给出，θ为入射在光栅角度和λ的波长21（ 图1B）。有衍射的两种主要类型的光栅，全息和统治，都可能会开辟与否。根据光栅衍射的电源类型可能大幅变化。目的是为全息光栅与在20-30％之间的衍射效率。请参阅材料清单的展示系统中使用的光栅。 用最简单的设计易于管理 – 复杂性往往意味着不稳定。也有ECDL设计一个庞大的数字，但最简单的就是利特罗3,5,7,22。阅读有关文件，并决定是否大模式跳自由范围（频率范围该二极管可连续调不突然跳跃到不同的频率），一个很窄的线宽或降低指点变化是最重要的应用程序。 ECDL开始设计之前获得尽可能多的信息成为可能。通常情况下，光栅ECDL是足够有余的原子物理中的应用。 要认识到，一个ECDL的性能是最强烈的植根于驱动该二极管的电流和稳定的激光器的温度的电子是很重要的。如果没有一个良好的集电子产品的机械设计将下进行。包括在表1不同电流和温度控制器的比较。的电流噪声更低，更好的激光将执行23。 2。大会对于本文的目的，起点ECDL组件将被安装在一个热电冷却器（TEC）的完整ECDL机械系统没有频率选择元件（ 如光栅和激光二极管）。 通过将激光二极管在其各自的安装孔开始，并使用它的安装环固定。要小心，不要过度扭紧安装环。它应该是温暖的，但不紧绷。 前激光二极管连接到所述电流供给，车CK上的二极管规格表为阳极，阴极和接地引脚分配。这种变化从二极管和二极管把电流通过二极管向后必摧之。 激光二极管是低电压器件，通常5-10 V（最大值），并且必须小心，以确保无静电放电给他们。这是很好的做法处理二极管时佩戴接地腕带，并安装一个保护电路（ 如图2）激光二极管两端引脚，以防止高电压。该二极管可以和接地引脚应永久接地，并且利用细导线可以减少机械振动的耦合帮助。 根据二极管规格表中的值设置最高和最低温度和二极管控制器上最大的二极管和TEC的电流限制。如果最低工作温度低于露点实验室然后用〜2℃ABO的最低温度已经露点。这将避免水汽凝结。 二极管规格表通常有一个波长与温度图在给定的二极管电流。使用该图作为参考，以初步确定二极管温度（和电流）来匹配感兴趣的波长。如果温度与波长曲线图是不可调节设定温度至室温。 打开温度控制器上，并允许温度稳定。 打开（ON）二极管，并转动电流向上，以便在输出光束可以被清晰地观看卡观察到。使用红外卡，查看梁。 插入非球面准直透镜和通过调整二极管和透镜之间的距离准直激光二极管。为了保证良好的准直确保光束具有清晰的路径，理想高度> 3米，并调整镜头位置，直到光束直径刚过ECDL，并在光束路径的终点都是一样的，一定要检查光束I不是聚焦在沿路径的任何点。 检查偏振从二极管激光器是在对衍射光栅（S或P）的所需平面。在大多数情况下，二极管的极化是沿着椭圆光束形状的短轴，但它是很好的做法，检查偏振轴使用偏振分束器。 如果光束轴线不处于所希望的平面内，松开二极管安装环和旋转的二极管，直到正确的取向得以实现。有些ECDL的设计让这种与激光来完成，并连接到电流源和别人不一样。如果当前的电源线必须拆除旋转二极管，关闭电流供应，控制箱和导线。该ECDL温度控制可以在此过程中保持。记住处理二极管时始终佩戴接地带。 如果有必要重新定位二极管重复上一步重新准直二极管。 光栅的衍射平面通常标记由生产商以垂直于光栅线的箭头和在闪耀反射的方向。双通过观察从宽带光源的反射，如灯泡，作为角度的函数来检查。 如果光栅举行箭头指向背对着观察者和宽波段光源在头上，反射光会在颜色改变，因为光栅角度的函数。 安装光栅使箭头指向背面朝向二极管，从而调整光栅的角度而变化的波长反射回二极管（ 图1A和1B）。 一旦光栅方向已经证实胶水使用快速固化胶，如乐泰的ECDL调整臂的光栅。 3，反馈对齐放置一个可视卡相一致的ECDL输出是是。这将被用于监控激光功率的调整在该衍射光束的指向。也可以使用功率计，但在它的响应速度较慢。 调节在二极管控制箱设置电流到刚好低于阈值电流为反射前方端面二极管和1/3的最大电流为AR涂覆的二极管增益芯片。反光前端面二极管将不会对他们的规范或数据表的阈值电流，同时AR镀膜增益芯片没有。 调整光栅臂的角度在水平方向和垂直方向，引导衍射光束返回到二极管，有效地使外部反馈空腔。当光束被引导到激光二极管还会有显著增加输出功率，可观察到如在观看卡或功率时使用功率计或光电二极管测得的显着增加的显着增加或明亮的闪光。 一个可视卡不是很定量测量ØF功率，因此它可能是必要的，即可逐渐降低激光二极管的电流和调整反馈光束直到上述行为可以在尽可能低的电流可以看出。 调整所述准直透镜的焦点或轴向位置，以优化聚焦在二极管面可以进一步降低阈值，提高输出功率后，它会是必要的水平和垂直方向重新优化的光栅角。 4，初始频率选择用于对激光的初始频率对应的波长的<1纳米的精确度的绝对测量和理想<0.1 ​​nm的是理想的。这个粗测频将使它更容易调谐激光频率上的原子跃迁在后面的步骤。有许多选项，包括使用波长计，光频谱分析仪，光谱仪，或用照相机单色器。确保校准正确使用设备或检查其Calibration例如，使用氦氖激光器。可替换地，粗的频率调节通常可以通过步行光栅角和电流，而激光是扫描直到从蒸汽基准单元的吸收或荧光信号可以看出实现。 通常一个辅助光束从主光束采摘下来，用玻璃楔形棱镜或λ/ 2波片和偏振分束器，将作为一个输入的波长计。此光学系统设置是出现在图1D。请参阅材料清单在这个演示中使用的材料。 调整ECDL直到获得所需的输出波长。二极管的驱动电流，温度，光栅角和外腔长度，均会影响激光频率24（ 图3）。 通过调整光栅角度开始，要么通过手工或使用压电。其次，调整二极管电流。 如果所需的frequeNCY是光栅扫描范围的蓝，二极管的温度应降低，反之亦然，如果所期望的波长是红色的。 5，精细频率调节和频率锁定设置饱和吸收光谱上的ECDL输出使用图1F 3,14,17配置。激光后立即使用的光隔离器是必不可少的（ 图1C）。避免背反射到激光，这可能会导致不稳定是很重要的。使用引用的单元格，包含感兴趣的原子饱和吸收光谱法是一种简单的方法来锁定一个激光窄原子跃迁25。 确保引用的单元格是在一个角度，以避免背部反射和镜面反射复古光束通过回用最大重叠的蒸汽室。双通传输功率可以使用光电二极管作为电子监视CDL波长扫描。 最二极管控制器将具有一个内置的扫描功能，将通过调整光栅的压电电压，因此在光栅角和外腔长度或者通过调整二极管电流扫描的波长。的宽度，扫描偏移和激光器温度和电流应被调整，直到吸收信号可以在连接到光电检测器的范围内进行观看。当激光扫描过的原子跃迁应该可以看到激光束路径在汽细胞发出荧光或闪烁，用肉眼或通过一个红外观众。 每单位面积的参考光束对饱和吸收光谱中的功率必须等于或高于饱和强度的原子跃迁。使用的λ/ 2波片的偏振分束器之前，以增加功率，直到一个明确的吸收信号可以看出。饱和强度的计算可以在脚16被发现。 用激光扫描在780nm的铷原子跃迁，宽多普勒加宽吸收信号应该可以看出，〜5GHz的宽度，与几个急剧过渡〜10兆赫烧脚16（ 图4）。最小化用于产生饱和吸收信号的功率是必要的，以减少功率展宽和产生更清晰的功能来锁定。 为了锁定ECDL频率，误差信号是必要的。通过将参考单元周围的线圈， 如图5和10的振荡磁场中，塞曼水平和跃迁从而中的频率被调制。在这种情况下，电流通过塞曼线圈被调制在约250千赫的1〜G的大小从与从函数发生器的调制信号的饱和吸收光检测器混合的吸收信号。当从混频器的输出被认为在范围应该是一个错误信号SImilar参照图4的误差信号的幅度将取决于两个混合信号之间的相对相位。旋转的λ/ 4分束器的蒸气细胞之前来调整相位。 逐步减少扫描范围和调整偏移到中心扫描在感兴趣的转变与目前还没有其他的转换。 比例-积分-微分（PID）回路（例如见麦克亚当等 3）然后可以用于利用所述误差信号，锁定ECDL波长。将PID增益应减少至低于在该振荡是由（利用频谱分析仪或傅里叶误差信号迹线的变换例如 ）寻找调制的误差信号的存在下观察到的点。 6，线宽测量为了获得准确的线宽计测，有必要有或者是已知的窄线宽光源（另一个激光与升inewidth显著小于ECDL），两个相同的ECDLs或与ECDL的相干长度长相比的延迟线的。这里有两个ECDLs会干扰测量线宽。另外，也可以更容易地锁定到通过原子转移或一个法布里 – 珀罗腔，并适合于锁定环路的带宽以上的噪声产生的共振。 锁定两个激光器，以不同的超精细跃迁，最好在100 MHz偏移。这将电子噪声的影响最小化。 模式下，功率和偏振匹配的两束光，并使用50/50，非偏振分束器干涉在一起。对准光电检测器所产生的光束。上的光检测器的输出信号应该是一个正弦波与两个激光器的频率的频率偏移。它可能是必要的，以衰减或散焦所产生的光束，以便不破坏或饱和的光电二极管。 两束跳动的重叠将决定边缘续RAST线宽测量过程中所观察的范围。如果条纹对比度差，花费额外的时间提高了模式匹配的光束和重叠在分束器和检测器。一个好的方法是使用两个虹膜'重叠的两束光束，或销孔，通过相对大的距离分隔开，约1微米。 这将是很难解决的一个范围的频率波动。为了获得最佳的测量使用频谱分析仪，这将给一个福格特配置中心的拍频的线宽 Δ 楼等于卷积激光线宽（ 图6）。一个很好的近似轨迹可以适合于高斯和拟合得到的线宽。测得的噪声或线宽将取决于收购或整合的时间，这可以通过调节频谱分析仪的分辨率带宽进行设置。出于这个原因，它引用了M当引用的积分时间是很重要的easured线宽。