原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

1。コンポーネントの選択興味のある原子について適切な波長でダイオードを選択します。これは、選択されたダイオードは、シングルモード（SMことが重要であり、アプリケーションのための十分な力を持っている。反射防止コーティングされたダイオードが理想的である。これらのダイオードは、外部共振器を添加していないLASEず、彼らはECDL動作用に明示的に設計されています。彼らは、特にレーザーの波長をスキャンすることが重要であるアプリケーションのために、大幅に優れた性能を有する。ここで使用されるレーザダイオード）材料のリストに記載されています。 マカダムらのように。3、ECDLはしっかりとダイオードとコリメートレンズに合うように設計されなければならない。機械的安定性および熱的接触は、レーザの良好な動作のために重要である。建設、最小限の加工を容易にするために、成功は、ダイオードレーザは、集積レンズ筒（材料のリスト）で使用したマウントされている。 ダイオードを平行にするレンズを選択します。それ開口数がそれ以外の実質的な損失があるだろう匹敵するか、またはダイオードの開口数よりも大きいことが重要である。ほとんどのダイオードは、高開口数（> 0.5）を有する非球面レンズを必要とする、そうでなければ収差が非常に低く、フィードバック効率をもたらすであろう。収差を低減するために格子と動作波長近傍の設計波長でのビームサイズを増加させるために長い焦点距離のレンズを選択し、確認し、レンズが動作波長において反射防止コーティングであることを確認してください。実証システムで使用されるレンズのための材料のリストを参照してください。 レーザダイオードの周波数範囲と格子チューニングアーム中心角のための適切な外部の格子を選択します。一次に回折される光の波長は、リトロー構成は、dは格子線の間隔、λ= 2 Dの罪（θ）で与えられ、θは入射回折格子の角度であり、λ波長21（ 図1B）。そこ回折の2つの主なタイプは、回折格子、ホログラフィックおよび罫線であり、両者はブレーズいてもいなくてもよい。回折された電力格子の種類に応じて、実質的に異なる場合があります。百分の20から30までの間の回折効率を持つホログラフィック格子を目指す。実証システムで使用される回折格子のための材料のリストを参照してください。 管理可能な最も単純な設計を使用する – 複雑さは、多くの場合、不安定性を意味します。そこにECDLのデザインの膨大な数がありますが、最も簡単なのはリトロー3,5,7,22です。論文を読み、大規模なモードホップフリーレンジ（周波数範囲はその上にダイオードが連続して急に別の周波数にジャンプせずに調整することができます）、非常に狭い線幅または減少ポインティング変動はアプリケーションのために最も重要であるかどうかを決定します。 ECDL設計を開始する前に、できるだけ多くの情報を入手します。多くの場合、格子ECDLは原子物理学の応用に十分以上である。 それは、ECDLの性能が最も強くダイオード電流を駆動し、レーザの温度を安定させる電子機器に根ざしていることを認識することが重要である。エレクトロニクスの良いセットせずに機械的なデザインはアンダーが実行されます。含まれるのは、表1の異なる電流、温度コントローラーの比較である。電流ノイズが低いほど、より良いレーザーが23を実行します。 2アセンブリ本論文の目的のためにECDLアセンブリの出発点は、成分（ すなわち格子およびレーザーダイオード）を選択する周波数のない熱電冷却（TEC）に搭載された完全なECDL機械システムになります。 そのそれぞれの取り付け穴にレーザダイオードを配置することによって開始し、その取り付けリングを使用して固定します。ていない過トルクマウントリングに注意してください。ジャストサイズが、タイトではない必要があります。 電流を供給し、レーザダイオードを接続する前に、CHEアノード、カソードとグランド·ピンの割り当てについては、ダイオードの仕様書をCK。これはダイオードからのダイオードに変化し、逆方向ダイオードを流れる電流を置くこと、それを破壊します。 レーザダイオードは、低電圧デバイス、通常5〜10 Vの最大値であり、注意が静的がそれらに排出されないように注意する必要があります。これは、製品を取り扱う際に接地ストラップを着用し、高電圧を防止するために、レーザダイオードのピンの間に保護回路（ 例えば 図2）をインストールすることをお勧めします。ダイオード缶とグランド·ピンは永久に接地する必要があり、細いワイヤの使用は、機械的な振動の結合を低減するのを助けることができる。 ダイオード仕様書の値に従って最大値と最小温度とダイオード·コントローラの最大ダイオードとTECの電流制限を設定する。最低作動温度は、ラボ用の露点未満である場合、約2°Cダボの最低温度を使用露点を見る。これは、結露を避けることができます。 ダイオード仕様書は通常、指定されたダイオード電流の温度図対波長を有する。対象となる波長と一致するように、最初はダイオード温度（および電流）を設定するために参考にしてください。波長対温度のグラフを室温に設定温度を調整できない場合。 上の温度調節器の電源を入れ、温度を安定させる。 ダイオードを投入し、出力ビームが明確に視認カードで観察できるように、電流を上げる。ビームを表示するには、IRカードを使用してください。 非球面コリメータレンズを挿入し、ダイオードとレンズとの間の分離を調節することにより、レーザダイオードをコリメートする。良い平行化を確実にするために理想的> 3メートル、ビームは明確なパスを持っていることを確認し、ECDLと、ビーム経路の最後にはそれを確認している、同一の直後のビーム径までレンズ位置を調整ビームIパスに沿った任意の点で焦点を当てていないよ。 ダイオードレーザーからの偏光をチェックするには、（SまたはP）を回折格子のために必要な平面内にある。ほとんどの場合、ダイオードの偏光は楕円ビーム形状の短軸に沿っているが、それは、偏光ビームスプリッタを使用した偏光軸をチェックすることをお勧めします。 ビーム軸が所望の平面内にない場合、ダイオード取付リングを緩め、適切な配向が達成されるまで、ダイオードを回転させる。いくつかのECDLの設計では、これにレーザーで行われ、電流源に接続することを可能にする他はない。電流供給線がダイオードを回転させるために除去されなければならない場合は、コントロールボックスでの電流供給をオフにして、配線を外します。 ECDLの温度制御は、このプロセス中に残ることができる。ダイオードを取り扱うときは、必ずアースストラップを着用することを忘れないでください。 それはダイオードの位置を変更する必要があった場合はダイオードをrecollimate前の手順を繰り返します。 回折格子の回折面は、通常、格子線に対して垂直な矢印とブレーズ反射方向には製造業者によって標識される。ダブル角度の関数として、例えば、電球のように、広帯域光源からの反射を観察することによってこれを確認する。 格子は矢印が頭の上に観測者と広帯域光源に向かって戻って指して保持されている場合、反射された光は、回折格子の角度の関数としての色に変化します。 バックダイオードに向けたため、回折格子の角度を調整する矢印の波長がバックダイオードに（ 図1Aおよび1B）を反射し変化するように回折格子をマウントします。 回折格子の向きは、接着剤などのロックタイトなどの高速な設定接着剤を使用してECDLチューニングアームの格子が確認された後。 3。フィードバックアライメント ECDL出力に整列視聴カードも置くAM。これは、調整は、回折ビームのポインティングに行われるようにレーザーパワーを監視するために使用される。パワーメータを使用しても、その応答遅い可能性があります。 ダイオード制御ボックスの設定電流を調整するだけで反射フロントファセットダイオードと1月3日のARコーティングされたダイオード·ゲイン·チップの最大電流のしきい値電流以下で 。 ARコートゲインチップがいない間に反射フロントファセットダイオードは、その仕様やデータシート上のしきい値電流を持つことになります。 、水平方向にも垂直方向に回折格子アームの角度を調整し、バックダイオードに回折ビームを操縦するために、効果的に外部フィードバック空洞を作る。ビームは、レーザダイオードに向けられるとき、視聴カードまたはパワーメータやフォトダイオードを使用して測定された電力の劇的な増加に著しい増加又は明るい閃光として観察出力電力の大幅な増加が存在するであろう。 鑑賞カードは非常に定量的尺度のOではありませんfは電源を増分レーザダイオード電流を低下させ、上記の動作まで帰還ビームを再調整する必要があるので、できるだけ低い電流で見ることができる。 ダイオードファセットで集束最適化するためにコリメーションレンズ焦点又は軸方向位置を調整することで、さらに閾値を下げ、それが水平方向および垂直方向に回折格子角度を再最適化することが必要であろう後の出力電力を増大させることができる。 4。初期周波数の選択レーザーの初期周波数整合理想的に<1 nmおよび<0.1 ​​nmのが理想的であるの精度で波長の絶対測定のため。この粗い周波数測定は、後の工程で原子遷移にレーザ周波数をチューニングすることがずっと簡単になります。波長計、光スペクトラムアナライザ、スペクトロメータ、またはカメラとモノクロメーターを使用したなど、多くのオプションがあります。校正され、正確な装置が使用されていることを確認したり、Cをチェック例えばalibration、HeNeレーザーを用いた。あるいは、粗い周波数調整は、通常、蒸気基準セルからの吸収または蛍光シグナルを見ることができるまで、レーザ走査の間の格子角と電流を歩くことによって達成することができる。 一般に、二次ビームがガラスウェッジプリズム又はλ/ 2波長板と偏光ビームスプリッタを用いて、メインビームからピックオフ、波長計のための入力として使用される。この光学セットアップを図1Dに見られる。このデモで使用される材料のための材料のリストを参照してください。 所望の出力波長が得られるまでECDLを調整します。電流、温度、格子の角度と外部共振器長を駆動ダイオードはすべて、レーザ周波数24（ 図3）に影響する。 手やピエゾを使用するか、格子の角度を調整することから始めます。第二に、ダイオード電流を調整します。 もし希望するfreque所望の波長が赤である場合には、格子NCY掃引範囲の青に、ダイオードの温度が低下し、その逆されるべきである。 5。細かい周波数調整と周波数ロック 図1F 3,14,17で構成を使用してECDL出力に飽和吸収分光法を設定します。直後に、レーザー後の光アイソレータを使用すること（ 図1C）が不可欠である。それが不安定になる可能性がありますレーザーの中に後方反射を避けることが重要である。興味のある原子を含む、参照セルを使用して飽和吸収分光法は、狭い原子遷移25にレーザーをロックするための簡単な方法です。 参照セルが後方反射を避けるために、角度にあり、ミラーレトロバック最大オーバーラップを有する蒸気セルを通して光を反映していることを確認してください。ダブルパス伝達された動力はEとしてフォトダイオードを用いてモニターすることができるCDL波長がスキャンされます。 ほとんどのダイオード·コントローラは、格子ピエゾ電圧、したがって格子角度と外部共振器長を調整することによって、又はダイオード電流を変調することにより、波長をスキャンし、スキャン機能が組み込まれています。吸収信号は、光検出器に接続されたスコープで見ることができるまで、幅、オフセットおよびレーザ温度と現在のスキャンを調整すべきである。レーザーは原子遷移オーバースキャンされる場合、それは肉眼でまたはIRビューアから蒸気セルの蛍光を発するか、Flashのレーザ光路を見ることが可能なはずである。 飽和吸収分光法のための参照光の単位面積あたりの電力は、原子遷移の飽和強度で以上である必要があります。クリア吸収信号を見ることができるまで、電力を増加させるために偏光ビームスプリッタの前にλ/ 2波長板を用いる。飽和強度の計算は、フット16に記載されています。 780ナノメートルのRb原子遷移上のレーザー走査で、広いドップラー広がり吸収信号は、フット16内で燃焼〜10 MHzの（ 図4）は、複数の鋭い遷移に、〜5 GHzの幅が見られるべきである。飽和吸収信号を生成するために使用される電力を最小化することが電力の拡がりを低減し、よりシャープにロックする機能を生成することが必要である。 ECDLの周波数をロックするために、誤差信号が必要である。 図5の 10のように基準セルの周囲にコイルを配置し、磁界を振動させることにより、ゼーマンレベル、従って遷移の周波数が変調される。この場合、ゼーマンコイルに流れる電流を約1 Gの大きさ約250 kHzで変調され、 関数発生器からの変調信号が飽和吸収光検出器からの吸収信号を混合する。ミキサからの出力はオシロスコープで見たときには、エラー信号siをすべきである図4を参照するmilar。誤差信号の強度は、2つの混合信号間の相対位相に依存するであろう。位相を調整する蒸気セルの前にλ/ 4のビームスプリッタを回転させます。 徐々にスキャン範囲を減らし、現在無し他の遷移に関心の推移の上にスキャンを中心にオフセットを調整します。 比例積分微分（PID）回路（例えばマカダムら3参照）、エラー信号を用いてECDLの波長をロックするために使用されてもよい。 PIDゲインはリンギングが（エラー信号トレースのフーリエスペクトルアナライザまたはフーリエ変換を用いて、例えば ）エラー信号における変調の存在を調べることによって観察される点未満に減少されるべきである。 6。線幅測定正確な線幅測定を達成するためには、リットルで公知の狭い線幅ソース（他のレーザのいずれかを有することが必要であるECDLよりも大幅に少ないinewidth）、同じECDLsまたは長いECDLのコヒーレンス長に比べて遅延線の2。ここ2 ECDLsは線幅を測定するために干渉されます。あるいは、ロックループの帯域幅以上のノイズに対する原子遷移又はファブリペローキャビティと嵌合することにより製造さ共鳴にロックすることが容易であり得る。 異なる超微細遷移に2レーザーをロックし、理想的には約100 MHzのオフセット。これは電子ノイズの影響を最小限に抑えることができます。 モード、電源および分極が2つのビームを一致させ、ビームスプリッタを無偏50/50を使用してそれらを一緒に干渉する。光検出器上の結果、ビームの位置を合わせます。光検出器の信号出力は、オフセット2レーザの周波数の周波数の正弦波である必要があります。フォトダイオードが損傷したり、飽和しないように、それは、結果として生じるビームを減衰またはデフォーカスする必要があるかもしれない。 2鼓動ビームの重なりは、フリンジの続きを決定しますRASTなどの線幅測定中にスコープで見た。縞コントラストが悪いと、ビームスプリッタと検出器上のビームのモードマッチングと重なりを改善する追加の時間を費やす。良い方法は、「2虹彩を用いて2つのビームをオーバーラップすることで、比較的大きな距離によって隔てピンホール、約1 mである。 これは、オシロスコープの周波数変動を解決することは困難になります。最高の測定のために、線幅とのビート周波数を中心とフォークト·プロファイルを与えるであろう、スペクトラムアナライザを使用 Δfは 、畳み込まれたレーザ線幅に等しい（ 図6）。良い近似にトレースは、ガウスフィットから得線幅にフィットさせることができる。測定されたノイズや線幅がスペクトルアナライザの分解能帯域幅を調整することによって設定することができる捕捉又は積分時間に依存する。男の言葉を引用すると、この理由のため、積分時間を引用することは重要であるeasured線幅。