Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique

1. Sélection des composants Sélectionnez une diode à la longueur d'onde appropriée pour l'atome d'intérêt. Il est essentiel que la diode sélectionnée être monomode (sm et a une puissance suffisante pour l'application. Une diode enduit anti-reflet est idéal. Ces diodes ne sera pas lase sans l'ajout d'une cavité externe et ils sont explicitement conçus pour fonctionner ECDL. Ils ont de bien meilleures performances, en particulier pour les applications où le balayage de la longueur d'onde du laser est important. La diode laser utilisée ici est inscrite dans la liste des matériaux). Comme dans MacAdam et al. 3, l'ECDL doit être conçu pour s'adapter à bien la diode et une lentille de collimation. Stabilité mécanique et contact thermique sont essentielles pour le bon fonctionnement du laser. Pour faciliter la construction, et un minimum d'usinage, le succès a été bâti a utilise une diode laser avec un tube de lentille intégrée (Liste des Matériaux). Sélectionnez une lentille pour collimater la diode. Ilest important que l'ouverture numérique soit comparable ou plus grand que l'ouverture numérique de la diode sinon il y aura des pertes importantes. La plupart des diodes ont une ouverture numérique élevée (> 0,5) et nécessitent des lentilles asphériques, sinon aberrations se traduira par une très faible efficacité de la rétroaction. Assurez-vous que l'objectif est revêtu à la longueur d'onde de fonctionnement anti-reflet, choisissez un objectif avec une focale plus longue pour augmenter la taille du faisceau sur le réseau et une longueur d'onde de conception proche de la longueur d'onde de fonctionnement pour réduire l'aberration. Reportez-vous à la Liste des substances pour l'objectif utilisé dans le système démontrée. Sélectionnez le réseau externe approprié pour la gamme de fréquence de la diode laser et le bras de réglage angle central réseau. La longueur d'onde de la lumière diffractée dans le premier ordre, configuration Littrow, est donnée par λ = 2 d sin (θ), où d est l'espacement de ligne de réseau, θ est l'angle d'incidence et grille λ lalongueur d'onde 21 (figure 1B). Il existe deux principaux types de réseau de diffraction, réglés et holographiques, et les deux peuvent être flambé ou non. Selon le type de réseau de diffraction de la puissance diffractée peut varier sensiblement. Viser un réseau holographique avec une efficacité de diffraction entre 20-30%. Reportez-vous à la liste des matériaux pour le réseau utilisé dans le système démontrée. Utilisez la conception la plus simple à gérer – la complexité signifie souvent une certaine instabilité. Il ya un grand nombre de modèles ECDL mais le plus simple est le Littrow 3,5,7,22. Lisez les journaux et décider si une large gamme mode libre-hop (la plage de fréquence sur laquelle la diode peut continuellement affiner sans sauter brusquement à une fréquence différente), une largeur de raie très étroite ou réduite variation de pointage est de la plus grande importance pour l'application. Obtenir autant d'informations que possible avant de commencer la conception ECDL. Souvent, l'ECDL réseau est plus que suffisant pour les applications en physique atomique. Il est important de se rendre compte que les performances d'un PCIE est le plus fortement ancré dans le système électronique qui conduisent le courant de diode et de stabiliser la température du laser. Sans une bonne série de l'électronique la conception mécanique sera sous-performer. Inclus est une comparaison des différents régulateurs de courant et de température dans le tableau 1. Plus le bruit de courant, plus le laser va effectuer 23. 2. Assemblée Pour les fins de ce document, le point de départ pour l'ensemble ECDL sera un système complet ECDL mécanique monté sur un refroidisseur thermoélectrique (TEC) sans que la fréquence du choix des composants (c.-à-réseau et laser diode). Commencez par placer la diode laser dans son trou de montage respective et fixer à l'aide de son anneau de montage. Attention à ne pas sur-couple la bague de montage. Il devrait être tendu mais pas serré. Avant de raccorder la diode laser à l'alimentation en courant, check la fiche technique de la diode pour l'anode, la cathode et l'affectation des broches de terre. Cela varie de diode à diode et en mettant le courant à travers la diode vers l'arrière le détruira. Les diodes laser sont des appareils à basse tension, typiquement 5-10 V au maximum, et il faut prendre soin de s'assurer qu'aucun statique est évacué vers eux. Il est de bonne pratique de porter un bracelet de mise à la terre lors de la manipulation des diodes et installer un circuit de protection (par exemple de la figure 2) sur les broches de la diode laser pour éviter des tensions élevées. La diode peut et broches de masse doit être mis à la terre de façon permanente et l'utilisation de fils minces peut aider à réduire le couplage des vibrations mécaniques. Réglez les températures maximales et minimales et les diodes et TEC limites maximales de courant sur le contrôleur de diode selon les valeurs de la feuille de spécification de diode. Si la température minimale de fonctionnement est inférieure au point pour le laboratoire de rosée alors utiliser une température minimale de ~ 2 ° C above point de rosée. Cela permettra d'éviter la condensation. La fiche technique de la diode a généralement un rapport chiffre de la température de longueur d'onde à un courant de diode donnée. Utilisez ce chiffre comme référence pour régler d'abord la température de la diode (et actuelle) pour correspondre à la longueur d'onde d'intérêt. Si une température vs graphique de la longueur d'onde est indisponible régler la température de consigne à température ambiante. Tourner le régulateur de température en marche et laisser la température de se stabiliser. Allumer la diode et transformer le courant vers le haut de sorte que le faisceau de sortie peut être clairement observé avec une carte de visite. Utilisez une carte IR de regarder le faisceau. Insérer la lentille de collimation asphérique et collimater la diode laser en ajustant la distance entre la diode et la lentille. Afin d'assurer une bonne collimation s'assurer que le faisceau a une voie claire, idéalement> 3 m, et d'ajuster la position de l'objectif jusqu'à ce que le diamètre du faisceau juste après l'ECDL et à la fin de la trajectoire du faisceau sont les mêmes, en étant sûr de vérifier que le faisceau is ne pas se concentrer en un point quelconque le long du chemin. Vérifier la polarisation de la diode laser est dans le plan souhaité pour le réseau de diffraction (S ou P). Dans la plupart des cas, la polarisation de la diode est long de l'axe court de la forme du faisceau elliptique mais il est bon de vérifier l'axe de polarisation en utilisant un diviseur de faisceau polarisant. Si l'axe du faisceau se trouve pas dans le plan désiré, desserrer la bague de montage de diode et la diode tourner jusqu'à ce que l'orientation correcte est obtenue. Certains modèles permettent ECDL cela soit fait avec le laser et connecté à la source de courant et d'autres pas. Si les fils d'alimentation en courant doivent être enlevés pour faire tourner la diode, coupez l'alimentation électrique à la boîte de commande et enlever les fils. Le contrôle de la température peut rester sur PCIE cours de ce processus. N'oubliez pas de toujours porter un bracelet de mise à la terre lors de la manipulation de la diode. S'il est nécessaire de repositionner la diode répéter l'étape précédente à recollimater la diode. Le plan de diffraction du réseau de diffraction est généralement étiquetée par le fabricant avec une flèche perpendiculaire aux traits du réseau et dans la direction de la réflexion blazé. Double vérifier cela en observant le reflet d'une source de lumière à large bande, comme une ampoule, en fonction de l'angle. Si le réseau est organisé avec la flèche pointant vers vers l'observateur et une source de lumière à large bande sur la tête, la lumière réfléchie va changer de couleur en fonction de l'angle de réseau. Monter la grille de sorte que la flèche de retour vers la diode et de réglage ainsi l'angle du réseau varie la longueur d'onde réfléchie dans la diode (Figures 1A et 1B). Une fois que l'orientation de réseau a été confirmée de la colle de la grille sur le bras de réglage PCIE en utilisant de la colle à prise rapide tel que Loctite. 3. Alignement Commentaires Placez une carte de visualisation alignés à la sortie ECDL êtream. Ceci sera utilisé pour surveiller la puissance du laser en tant que des ajustements sont apportés au pointage du faisceau diffracté. Appareil de mesure de puissance peut également être utilisé mais est plus lent, dans sa réponse. Régler le courant de consigne sur le boîtier de commande de diode juste au-dessous du courant de seuil pour les diodes réfléchissantes facettes avant et 1/3 du courant maximal pour enduits AR puces de gain de diodes. Diodes de facettes réfléchissantes avant auront un courant de seuil sur leurs spécifications ou fiches techniques, tandis que AR enduit puces de gain non. Ajustez l'angle du bras réseau à la fois horizontalement et verticalement, pour diriger le faisceau diffracté de nouveau dans la diode, rendant effectivement une cavité de rétroaction externe. Lorsque le faisceau est dirigé dans la diode laser, il y aura une augmentation significative de la puissance de sortie, observable comme une augmentation marquée ou flash lumineux sur une carte d'affichage ou une augmentation spectaculaire de la puissance lorsqu'elle est mesurée en utilisant un mesureur de puissance ou une photodiode. Une carte de visualisation n'est pas une mesure très quantitative of puissance de sorte qu'il peut être nécessaire de diminuer de manière incrémentielle le courant de la diode laser et réajuster le faisceau de rétroaction jusqu'à ce que le comportement ci-dessus peut être vu dans le courant le plus faible possible. Réglage de la position de mise au point ou axial lentille de collimation pour optimiser mise au point à la facette de diode peut abaisser le seuil et augmenter la puissance de sortie, après quoi il sera nécessaire d'optimiser de nouveau l'angle du réseau horizontalement et verticalement. 4. Sélection de la fréquence initiale Pour l'alignement de la fréquence initiale du laser d'une longueur d'onde de mesure absolue avec une précision de <1 pm et idéalement <0,1 nm est idéal. Cette mesure de fréquence grossière, il sera beaucoup plus facile de régler la fréquence de laser sur une transition atomique dans une étape ultérieure. Il ya plusieurs options, y compris l'aide d'un ondemètre, un analyseur de spectre optique, spectromètre, ou un monochromateur avec un appareil photo. Assurez-vous d'un dispositif précis calibré est utilisé ou vérifier son calibration par exemple, en utilisant un laser HeNe. En variante, l'ajustement de fréquence grossier peut généralement être réalisé par la marche de l'angle et de courant de réseau tandis que le laser est un balayage jusqu'à ce que l'absorption ou de signal de fluorescence à partir d'une cellule de référence à la vapeur peut être vu. En général, un faisceau secondaire prélevée à partir de la poutre principale, en utilisant un prisme de verre en forme de coin ou de λ / 2 et la lame d'onde diviseur de faisceau polarisant, sera utilisée comme une entrée pour l'ondemètre. Cette configuration optique est vu dans la figure 1D. Reportez-vous à la Liste des substances pour les matériaux utilisés dans cette démonstration. Ajuster le PCIE jusqu'à la longueur d'onde de sortie souhaitée est obtenue. La diode d'entraînement, la température, la grille de l'angle et de la longueur actuelle de la cavité externe tous affecter la fréquence du laser 24 (figure 3). Commencez par régler l'angle de réseau, soit à la main ou à l'aide du piézo. En second lieu, d'ajuster le courant de diode. Si le Freque souhaitéence est le bleu de la plage de balayage de réseau, la température de la diode doit être réduite et vice versa si la longueur d'onde désirée est au rouge. 5. Réglages de fréquence fine et verrouillage de fréquence Mettre en place la spectroscopie d'absorption saturée sur la sortie ECDL en utilisant la configuration de la figure 1F 3,14,17. L'utilisation d'un isolateur optique immédiatement après que le laser est indispensable (Figure 1C). Il est important d'éviter la rétro-réflexion dans le laser, ce qui peut provoquer une instabilité. La spectroscopie d'absorption saturée en utilisant une cellule de référence, contenant l'atome d'intérêt est un moyen simple pour verrouiller un laser sur une transition atomique étroit 25. S'assurer que la cellule de référence est sur un angle à éviter le retour de réflexions et que le rétro miroir réfléchit le faisceau à travers la cellule de vapeur avec un chevauchement maximum. La puissance transmise à double passage peut être contrôlée en utilisant la photodiode en tant que ELongueur d'onde CDL est numérisé. La plupart des contrôleurs de diodes ont une fonction intégrée de balayage qui analyse la longueur d'onde en ajustant la tension de réseau piézo-électrique, et donc l'angle de réseau et la longueur de la cavité externe, ou en modulant le courant de diode. La largeur, de numérisation et de décalage devrait être ajusté la température et le courant de laser jusqu'à ce qu'un signal d'absorption peut être visualisé sur un champ relié au détecteur photo. Lorsque le laser est balayage sur la transition atomique, il devrait être possible de voir le trajet du faisceau laser dans la fluorescence de la cellule en phase vapeur ou clignotent à l'oeil nu ou au moyen d'un viseur d'IR. La puissance par unité de surface dans le faisceau de référence pour la spectroscopie par absorption saturée doit être égale ou supérieure à l'intensité de saturation de la transition atomique. Utilisez la plaque d'onde λ / 2 avant le diviseur de faisceau polarisant pour augmenter la puissance jusqu'à ce qu'un signal d'absorption clair peut être vu. Les calculs des intensités de saturation peuvent être trouvées dans 16 pieds. Avec le balayage laser sur la transition atomique nm Rb 780, un signal d'absorption large Doppler élargi doit être vu, la largeur ~ 5 GHz, avec plusieurs transitions nettes ~ 10 MHz brûlé dans des pieds 16 (figure 4). Minimiser l'énergie utilisée pour générer le signal d'absorption saturée est nécessaire de réduire la puissance élargissement et de produire une caractéristique nette pour verrouiller. Afin de verrouiller la fréquence PCIE, un signal d'erreur est nécessaire. En plaçant les enroulements autour de la cellule de référence que sur la figure 5 10 et l'oscillation du champ magnétique, les niveaux de Zeeman et donc les fréquences des transitions sont modulées. Dans ce cas, le courant traversant les bobines de Zeeman est modulée autour de 250 kHz avec une amplitude d'environ 1 G. Mélanger le signal d'absorption à partir du détecteur photo absorption saturée avec le signal de modulation du générateur de fonction. Lorsque la sortie du mélangeur est visualisée sur un champ d'application, il devrait être si un signal d'erreurmilar à la figure 4. L'amplitude du signal d'erreur dépend de la phase relative entre les deux signaux mélangés. Tourner le diviseur λ / 4 du faisceau avant que la cellule de vapeur pour régler la phase. Réduire progressivement la plage de balayage et ajuster les décalages pour centrer l'analyse sur la transition d'intérêt sans autres transitions actuelles. Un proportionnel-intégral-dérivé (PID) circuit (par exemple voir MacAdam et al. 3) peut ensuite être utilisé pour verrouiller la longueur d'onde PCIE en utilisant le signal d'erreur. Le gain PID doit être réduite au-dessous du point où la sonnerie est observé par la recherche de la présence de modulation dans le signal d'erreur (par exemple en utilisant un analyseur de spectre à transformée de Fourier ou de la trace de signal d'erreur). 6. Largeur de raie mesure Afin de réaliser une mesure de largeur de ligne précis, il est nécessaire d'avoir soit une source de largeur spectrale étroite connue (autre laser avec linewidth significativement inférieure à la PCIE), deux des mêmes ECDLs ou une ligne à retard de temps par rapport à la longueur de cohérence de la PCIE. Voici deux ECDLs seront brouillés pour mesurer la largeur de raie. En variante, il peut être plus facile de se verrouiller sur une résonance produite par une transition atomique ou une cavité de Fabry-Pérot et en forme de bruit au-dessus de la bande passante de la boucle de verrouillage. Verrouillez les deux lasers à différentes transitions hyperfines, idéalement autour de 100 MHz offset. Cela permettrait de minimiser l'impact du bruit électronique. Mode, la puissance et la polarisation correspondent les deux faisceaux interfèrent entre eux et en même temps en utilisant un mélange 50/50, non polarisant séparateur de faisceau. Aligner le faisceau résultant sur un photodétecteur. La sortie de signal sur le photodétecteur doit être une onde sinusoïdale avec une fréquence de la fréquence du laser deux offset. Il peut être nécessaire d'atténuer ou de défocalisation du faisceau résultant de manière à ne pas endommager ou de saturer la photodiode. Le chevauchement des deux faisceaux battant déterminera la suite de la frangeRast tel que vu sur un champ d'application au cours de la mesure de la largeur de raie. Si le contraste des franges est pauvre, passer du temps supplémentaire améliorant l'adaptation de mode et le chevauchement des faisceaux sur le diviseur de faisceau et le détecteur. Une bonne méthode consiste à superposer les deux faisceaux utilisant deux iris ", ou des trous d'épingle, séparés par une distance relativement grande, ~ 1 m. Il sera difficile de résoudre les fluctuations de fréquence sur une portée. Pour la meilleure mesure d'utiliser un analyseur de spectre, ce qui donnera un profil Voigt centrée sur la fréquence de battement avec une largeur de raie Δ f, égale à la largeur de raie du laser en convolution (Figure 6). Pour une bonne approximation de la trace peut être adapté à une gaussienne et la largeur de raie obtenue à partir de l'ajustement. Le bruit ou la largeur de raie mesurée dépendra de l'acquisition ou de temps d'intégration, qui peut être réglée en ajustant la largeur de bande de résolution sur l'analyseur de spectre. Pour cette raison, il est important de citer le temps d'intégration en citant le mlargeur de raie esurée.