Atom Fiziği Harici Boşluk Diode Lazer İnşaatı ve Karakterizasyonu
Summary
Bu dış kavite diyot bileşen seçimi ve optik hizalama dahil lazerler (ECDLs), yanı sıra, atom fiziği alanındaki uygulamalar için frekans referans spektroskopi ve lazer çizgi kalınlığı ölçümlerinin temel inşaat ve teşhis rehberlik etmek için bir öğretim kağıttır.
Abstract
Ucuz 1980'lerin sonlarında, onların gelişimi yana, güvenilir harici boşluk diyot lazerleri (ECDLs) atomik fizik laboratuvarları 1,2 beygir lazer gibi karmaşık ve pahalı geleneksel boya ve Titanyum Sapphire lazerler yerini almıştır. Onların çok yönlülük ve böyle 1,2 soğutma absorpsiyon spektroskopisi ve lazer gibi uygulamalarda atom fiziği boyunca üretken kullanılması zorunludur gelen öğrenciler bu lazerlerin bir firma pratik bir anlayış kazanmak için yapar. Bu yayın bileşenlerini güncelleyerek, ve bir video öğretici sağlayarak, Wieman 3 ile seminal çalışmasının dayanıyor. Bir ECDL kurulumu, frekans kilitleme ve performans karakterizasyonu tarif edilecektir. Bileşen seçimi ve diyotların ve ızgaralar hem uygun montaj tartışılması, boşluğu içinde mod seçimi etkileyen faktörler optimal dış geribildirim, kaba ve ince frekans hassas ölçümler için optik kurulum, lazer Locki kısa bir bakış için uygun hizalamang teknikleri ve lazer çizgi kalınlığı ölçümleri dahildir.
Introduction
Ölçme ve atomların kuantum durumunu manipüle atom fiziği kalbinde ve atomik elektronik devletler arasında belirli geçişleri ele yeteneği gerektirir. Örneğin rubidyum, tipik ve çok kullanılan alkali atomu düşünün. Burada, zemin bağlanması ışığın dalga boyu ve ilk uyarılmış elektronik devlet ~ ~ nedeniyle spontan emisyon 780 nm (384 THz) ve uyarılmış durum ömür boyu olduğunu 26 6 MHz 4 bir emme çizgi genişliğine vererek NSEC. Bu durumda, 108 en az bir kısmının frekans stabilitesi olan bir ışık kaynağı güvenilir bu geçiş gidermek için gereklidir.
ECDLs, boya lazerler ve Titanyum Sapphire lazerlerin geliştirilmesi, tipik atom fiziği için kullanıldı önce. Bunlar büyük bant genişliği üzerinde optik kazanç sunmak ve böylece bir atomik geçiş örtüşmesi için ayarlanmış olabilir, büyük, pahalı, karmaşık sistemlerdir. Ucuz, basit bir diyot lazer mühendislik wi ile bu kazanç ortamı değiştirmek için potansiyelİstenilen dalga boyunu uyan bir bandaralıklı 1980'lerin başında 1,2 tanındı inci. Basit, 100 kHz Linewidths de 1990'ların başında 3,5,6 tarafından anlaşılması ve ortak bir yer basarilacagi tasarımlar oluşturmak kolaydır. Birçok farklı konfigürasyonlar ve tasarımlar avantaj ve dezavantajları ile her gösterilmiştir. Muhtemelen en yaygın yapılandırmaları Littrow 3,5,7,8 ve Littman 9 yapılandırmaları vardır. Bu tartışma, Şekil 1A'da gösterilen Littrow konfigürasyonda, en basit odaklanır.
Ayar mekanizmaları bir dizi eşzamanlı olarak laser frekans yüksek bir hassasiyet elde etmek için kullanılır. İlk olarak, bir diyot bir ulaşılabilir çalışma sıcaklığında arzu edilen dalga boyunda yeterli bir bant boşluklu bir kazanç üretmek gereklidir. Tipik bir lazer diyot birkaç nanometre (THz) üzerinden kazanç olacaktır. İkincisi, ızgara bir yansıtıcı kırılma istenen de diyot içine optik geribildirim sağlamak için ayarlanmış açısıdırdalga boyu. Izgara bağlı olarak, diyot, odaklama lens kullanılmış ve bunların hizalama, ızgara genellikle 50-100 GHz frekans aralığını seçmek olacaktır. Lazer (diyot arka yüzünü ile ızgara arasında) dış lazer boşluğu ile rezonant dalga boyunda salınmasına neden olur. Bir dalga boyunca bu boşluk uzunluğunu ayarlama lazer c, ışık ve L hızıdır ızgara kazanç tepe noktası çevresinde bir serbest spektral aralığının (c / (2 L)) arasında ayarlanmış olması için izin veren, bu alette, boşluk uzunluğu, tipik olarak 1 – 5 cm (FR 3-15 GHz). Iki kavite modu zirve ızgara geribildirim dalga boyu benzer bir dalga boyu olduğunda lazer modlu çalıştırabilirsiniz. Titreşen kavite modu, komşu moddan daha kazanç zirveden daha fazla ayarlı olduğu gibi lazer irade modu hop ayar aralığını sınırlayan. Izgara modu ile ilgili olarak kavite modları davranışı, Şekil 3'te görülebilir. Modu hop serbest ayar aralığı bir ECDL'nin için önemli bir performans ölçütü olduğu. Aynı anda, ızgara açısı ve kavite uzunluğunu ayarlanması ile, bu mod atlama olmadan çok serbest spektral aralıklarında sürekli olarak ayarlamak, 8 daha kolay bulma ve spektral özelliklere kilitleme yapmak mümkündür. Kilitleme için boşluğun optik yol uzunluğunun bir piezo elektronik ayarlama aktüatör (Şekil 1A) (tarama bant genişliği yaklaşık 1 kHz) ile ızgara açı / pozisyon ayarlama ve en başta refraktif modüle mevcut diyot ayarlama bir kombinasyonu ile elde edilebilir diyot (tarama bant genişliği ≥ 100 kHz) endeksi. Kazanç ortam için lazer diyot yerine, yansıma önleyici (AR) kaplanmış kazanç çipleri kullanarak, 100-200 GHz tipik serbest spektral aralığı olabilir lazer diyotu iç boşluğu yanıt eklemenin komplikasyon ekler. Bu durumda, boşluk ızgara gelen yanıt maç için ayarlanmış sıcaklık olmalıdır. Yerine bir AR kaplanmış kazanç çipi daha bir lazer diyot kullanarak dramatik modu hop ücretsiz t azaltacakeşzamanlı ayar diyot akım veya sıcaklık için bir araç olmadıkça uning aralığı. Son olarak, 100 kHz özenle göre daha iyi bir çizgi genişliğine ulaşmak için diğer gürültü kaynakları ortadan kaldırmak için ödenmelidir. Bu, akustik titreşim, mK seviye sıcaklık stabilizasyonu en aza indirmek için bağlar dikkatli mekanik tasarım gerektirir ≤ 30 nA seviyesinde ve tüm kilitleme kazanç dikkatli ayarlama 10 döngüler de diyot mevcut istikrar rms. Uygulama için uygun elektronik seçilmesi lazer ve optik tasarımı kadar önemlidir. Diyot kontrolörleri ve özellikleri listesi Tablo 1'de bulunabilir.
Sabit lazer uygulaması elde edildikten sonra, bir sonraki gereklilik, bir atom bir geçiş, bir optik boşluğu ya da başka bir lazer gibi, bir referans frekansı lazer kilitlemek için. Bu aslında ile frekanslar için gürültüyü ortadan kaldırarak, bu tür küçük sıcaklık dalgalanmaları gibi yavaş sürükleniyor etkilerini kaldırırkilitleme döngünün bant genişliği. Bir hata sinyali, belirli bir referans sistemi için her bir uygun elde etmek için geliştirilmiş teknikleri kilitleme sayısız vardır. Iki lazer kilitleme aşaması için bir hata sinyali, bir ışın dağıtıcı üzerindeki iki lazer karıştırılması ile elde edilebilir. Pound-Drever salonu 11 ya da tilt-kilitleme 12 bir boşluğa kilitlemek için kullanılabilir. Geçerli modülasyon 10, Zeeman modülasyonu 10 veya tilt-kilitleme 15 ile birlikte bir atomik absorpsiyon çizgisinin DAVLL 13 veya doymuş absorpsiyon spektroskopisi 3,14 kilitlemek için kullanılabilir.
Bir buhar hücresindeki doymuş emilme Zeeman modülasyonu kullanarak bir rubidyum geçiş için bir ECDL'nin kilitleme burada tarif edilecektir. Bir düşük yoğunluklu kiriş, oda sıcaklığında buhar rubidyum hücre geçer ve frekans 780 nm atomik geçiş çevresinde ayarlanmış ise Doppler bir dizi ~ 500 MHz bir emme özellikleri genişletilmişyerine 6 MHz geniş doğal LineWidth (doğal ve Doppler Linewidths için hesaplamalar Foot 16 bulunabilir) daha görülecektir. Ancak, bu ışın geriye yansır, eğer, ikinci geçiş sıfır boyuna hızı ile atomları olarak rezonans az emilimini kısmen zaten ilk geçiş 17 ile heyecanlı edilmiş olacaktır. Diğer frekanslar her geçişte farklı hız nüfus tarafından absorbe edilecek ve dolayısıyla emme doymuş olmayacak. Bu şekilde, açık bir iletim özelliği doğal çizgi genişliği yaklaşık bir genişliği olan geçişler de Doppler genişletmiştir emme üzerine bindirilmiş elde edilebilir. Bu, kilitlemek için keskin mutlak frekans referans sağlar. Atomik geçiş frekansı, referans hücrede bir manyetik alanın büyüklüğünü taklidi ile Zeeman etkisini kullanarak modüle edilebilir. Uygun bir homojen manyetik alan, Şekil 5'te gösterildiği gibi bir solenoid kurulumu kullanılarak üretilebilir. Elektronik karıştırmadoymuş emme şanzıman ile modüle dalga diyot akımını ayarlamak için kullanılan ve piezo gerilimini ayarlamak için entegre edilebilir bir hata sinyali üretir. Bu nedenle, lazer, lazer frekansının modüle edilmesi için gerek kalmadan geçiş için kilitlenebilir.
Bir ECDL'nin çizgi kalınlığı genellikle bir ışın dağıtıcı 18 üzerinde aynı türde iki frekans kilitli lazer müdahale ile ölçülür. Lazerler arasındaki yendi frekans, daha sonra hızlı bir fotodiyot ve bir RF spektrum analizörü kullanılarak ölçülür. Kilitleme döngü bant genişliğinin ötesine gürültü spektrum profili bir Voigt (a Gauss ve Lorentz konvolüsyon) takılmıştır. Farklı lazerler gürültü quadrature ekleyin. İki eşdeğer lazerlerin durumunda bu √ bir monte çizgi genişliği (2) kere tek bir lazer çizgi genişliği verir. Bir lazer ECDL'nin beklenenden önemli ölçüde daha küçük olan bir bilinen bir çizgi genişliği mevcuttur ve E ayarlama aralığı içinde iseCDL, o zaman bunun yerine kullanılabilir. Yaygın çizgi genişliğine ölçmek için kullanılan bir başka yöntem, kirişin bir parçası gibi, bir fiber optik bir geciktirme hattı boyunca gönderilir ve daha sonra lazer ile bir ışın dağıtıcı üzerindeki karıştırılır gecikmeli kendi homodin teknik 19,20 olduğunu. Bu teknik ölçüm kapsamında lazerin uyum uzunluğundan daha uzun olan gecikme dayanır. Bu gürültülü lazer için iyi çalışır ancak 100 kHz çizgi kalınlığı lazer için koherens uzunluk pratik olmaya başlar yaklaşık 3 km uzaklıktadır. Alternatif olarak, doymuş ya da bir emme hücresi Fabry-Perot boşlukta bir atomik geçiş lazer çizgi kalınlığı ölçümü için bir frekans referans sağlamak için kullanılabilir. Bu sistemde lazer frekansı eter lineer bir kısmında daha çok frekans tarama izin daha doymuş ya da emme Fabry-Perot rezonans oturmak gerekir. Bir foto diyot üzerinde sinyal gürültü ölçümü ve rezonans çizgi genişliğine bilerek, frekans gürültü bulunabilir. Li için alt limitnewidth ölçüm daha sonra iletim rezonans eğimi ile sınırlıdır.
Yüksek dereceli lazer uygulaması modlarının varlığı, bir RF spektrum analiz cihazı kullanılarak serbest spektral aralığının frekansta yoğunluk gürültü bakarak ya da daha iyi serbest spektral göre bir tarama Fabry-Perot ya da çözünürlüğe sahip optik bir spektrum analiz cihazı kullanarak, kontrol edilebilir ECDL aralığı. Kaba ayar aralığı ızgara kullanarak sınırlarına lazer ayarlama sırasında (a wavemeter, monokromatör ya da optik spektrum analiz cihazı kullanarak), dalga boyunun bir fonksiyonu olarak güç ölçüm ile ölçülebilir. Mod hop serbest tarama aralığı, genellikle modunda sekme frekansında süreksiz bir atlama olarak tespit edilebilir bir tarama Fabry-Perot boşluğu kullanılarak ölçülür.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yayın lazer LineWidth ölçümünü üretmek için hizalama ve frekans kilitleme yoluyla demonte ECDL taşımak nasıl göstermiştir. Mekanik tasarım ve bu PID servo, diyot sürücüler ve sıcaklık kontrol cihazları gibi elektronik tasarımı burada çok tartışılacak uzmanlaşmış ancak kapsamlı başvurulan yayınlarda 1,3,5 tartışılmıştır.
Diyot ECDL atom fizik laboratuvarları, türler ve ulaşabilir bu vasiyetler sınırlı olduğunu geçişler bir elyaf haline gelmiştir rağmen. Çok ilerleme ancak şu anda çok boşluklar özellikle UV kalır diyot lazerler göre arasındaki dalga boyu aralığının daha fazla genişletilmesine yapılmıştır. ECDL sistemlerin güç sınırlamaları uygulamaları kısıtlamaya devam etmektedir. Çıplak tek modlu diyotlar μWatts gelen mWatts 100'ün güç değişir. Ayrıca, konik amplifikatörler tek modlu toplam lazer gücü geliştirmek için bir ECDL sisteme eklenebilirWatt seviyesine kadar. Bir Watt veya diğer dalga boylarında çok daha fazla tek modlu güçler gerekiyorsa alternatif lazer mimarileri gereklidir. Bu fiber lazerler 26, 27 gibi TiSaph lazer gibi katı hal lazerleri ya da doğrusal olmayan frekans dönüşüm güveniyor olabilir gibi Raman lazer gibi 27 işler, dört dalga karıştırma, toplam frekans nesil, ya da bir optik parametrik osilatör içerir.
Bu yayın, bir atomik buhar hücre üzerinde bağlı bir kilitleme mekanizması üzerinde odaklanmaktadır. Atom fizik basit bir cam buhar hücre birçok uygulama için, burada tarif edildiği gibi, mevcut olmayabilir, bu Yb gibi türler için geçerlidir. Türlerinin çeşitli ile referans bir örnek elde etmek için pek çok başka teknik, sıcak atom kirişler, deşarj lambaları, tampon gaz hücrelerine, iyot hücreleri ve püskürtme hücreleri, olarak elde edilmiştir.
Bu lazer sistemi tasarımı gereği ≈ 30 kHz 2 Linewidths sınırlıdır8 ve genellikle 100 kHz yakın. Uygulama dar bir çizgi kalınlığı diğer stabilizasyon teknikleri gerektiren ya da alternatif lazer 26 gerekli tasarımları ise.
Optik sistemleri ile çalışan zaman, temizlik büyük önem taşımaktadır. İlk eldiven yanlışlıkla optik yüzeyine dokunmadan önlemek için giyilmelidir optik ve işleme tanıtılıyor zaman iyi bir uygulamadır. Bir optik çizilmişse, bir lazer sistemde kullanılmamalıdır. Çoğu durumda parmak izleri veya tozla optik sırasıyla aseton veya basınçlı hava ile temizlenebilir. Bir optik yüzey herhangi bir kusur ve sisteme kaybı ve potansiyel gürültü tanıtacak edebilirsiniz. Optik bağlar her zaman optik tezgah sabit olmalıdır ve bir kez sertçe yerinde aşağı cıvatalı edilmelidir.
Böyle dalga düzlemlerinin ve polarize ışın bölücülerin gibi optik hizalama zaman, ışık optik yüzeye dik yakın olaydır sağlamak iken avogeri lazer içine yansımaları sürüyorum. Gelme açısı, bu optik elemanların davranışı 90 ° sapma olarak idealden daha fazla hale gelir ve. Sapmalarını en aza indirmek ve sayısal açıklık kirişler maksimize etmek için her zaman lens merkezi aracılığıyla seyahat ve lens normal olmalıdır. Buna karşılık, bir buhar hücre etalonu etkileri önlemek için ışına hafif bir açıyla yerleştirilmelidir. Bu nedenle birçok buhar hücreler paralel olmayan uç yönü ile üretilmektedir.
Burada kullanılan lazerler sınıf 3B vardır. Hatta sokak yansımalar göz hasarı için potansiyel var. Bu tip lazerler ile çalışmak sadece lazerlerin tehlikeler aşina eğitimli personel tarafından yapılmalıdır. Lazer güvenlik gözlükleri her zaman giyilmelidir. Optik uyum için herhangi bir lazer yolda doğrudan bakmak ve optik bileşenleri kapalı tehlikeli aynaya yansımaları üreten önlemek için özen asla. Hep olumlu ışın hatları USI sonlandırmakBir ışın dökümü ng.
Disclosures
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 |
References
- Wieman, C. E., Hollberg, L. Using diode lasers for Atomic physics. Rev. Sci. Instrum. 62 (1), 1-20 (1991).
- Camparo, J. C. The diode laser in atomic physics. Cont. Phys. 26 (5), 443-477 (1985).
- 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).
- Steck, D. A. Rubidium 87 D line data. Los Alamos National Laboratory. , 1-29 (2001).
- 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).
- Zorabedian, P., Trutna, W. R. Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser. Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- Black, E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization. Am. J. Phys. 69 (1), 79-87 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. . Atomic Phyisics. , (2004).
- Foot, C. J. Atomic Physics. , (2005).
- Haus, H. A. . Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements. , (2000).
- Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Lett. 16 (16), 630-631 (1980).
- Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay. Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).
- Optics Hecht, E. . , (2002).
- Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. A simple extended-cavity diode laser. Rev. Sci. Instrum. 69, 1236 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Koechner, W. . Solid-State Laser Engineering. , (1999).
- Saliba, S. D., Scholten, R. E. Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers. Appl. Opt. 48 (36), 6961-6966 (2009).
