1. Selección de componentes <ol><li> 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). </li><li> 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 (&gt; 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 2. Asamblea <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Gire el regulador de temperatura y deje que la temperatura se estabilice. </li><li> 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. </li><li> 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&gt; 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Si fuera necesario cambiar la posición del diodo repetir el paso anterior para recollimate el diodo. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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). </li></ol></li><li> 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. </li></ol> 3. Alineamiento Feedback <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 4. Selección inicial de frecuencia <ol><li> Para la alineación de frecuencia inicial del láser una medida absoluta de la longitud de onda con una precisión de &lt;1 nm y idealmente &lt;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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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). <ol><li> Comience ajustando el ángulo de la rejilla, ya sea a mano o utilizando el piezo. En segundo lugar, ajustar la corriente del diodo. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 5. Ajustes de frecuencia fina y de frecuencia de bloqueo <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Reducir progresivamente el Rango de escaneado y ajustar las compensaciones para centrar el análisis sobre la transición de su interés, sin otras transiciones presentes. </li><li> 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). </li></ol> 6. Medición Grosor de línea <ol><li> 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. </li><li> Bloquee los dos rayos láser para diferentes transiciones hiperfinos, compensado idealmente alrededor de 100 MHz. Esto minimizará el impacto del ruido electrónico. </li><li> 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. <ol><li> 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 &#39;, o agujeros de pasador, separadas por una distancia relativamente grande, ~ 1 m. </li></ol></li><li> 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. </li></ol>

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Los autores no tienen nada que revelar. Productos y compañías citas específicas son con el propósito de sólo una aclaración y no constituyen un aval de los autores.

Esta publicación ha mostrado cómo pasar de una ECDL desmontado a través del bloqueo de alineación y la frecuencia para producir una medida de la anchura de línea de láser. El diseño mecánico y el diseño de la electrónica tales como servos PID, controladores de diodos y controladores de temperatura es demasiado especializados para discutir aquí, pero se han discutido ampliamente en publicaciones de referencia 1,3,5. Aunque diodo de ECDL se han convertido en un elemento básico en los laboratorios de física atómica, las especies y las transiciones que estos legados se alcance es limitado. Se han hecho grandes progresos en la ampliación de la gama de longitud de onda de los láseres de diodo basado sin embargo en la actualidad todavía quedan muchas lagunas sobre todo en la UV. Limitaciones de potencia de los sistemas de ICDL siguen restringiendo sus aplicaciones. Diodos monomodo Bare oscilan en el poder desde μWatts a 100 de mWatts. Además, los amplificadores cónicos se pueden agregar a un sistema de ECDL para aumentar la potencia del láser total de modo únicohasta el nivel de vatios. Si se requieren potencias de modo único mucho mayor que un vatio o otras longitudes de onda se requieren arquitecturas de láser alternativos. Estos incluyen láseres de fibra 26, láseres de estado sólido 27 como el láser TiSaph o pueden depender de la conversión de frecuencia no lineal procesa 27 como el láser Raman, mezclado de cuatro ondas, generación de frecuencia suma o un oscilador paramétrico óptico. Esta publicación se centra en un mecanismo de bloqueo que es dependiente de una célula de vapor atómico. Para muchas aplicaciones de la física atómica una célula de vapor de cristal simple, como se discute aquí, pueden no estar disponibles, tal es el caso de especies como Yb. Muchas otras técnicas para la obtención de una muestra de referencia con una variedad de especies han sido demostrado como, vigas calientes atómicas, lámparas de descarga, las células de gas tampón, células de yodo, y células de pulverización catódica. Este diseño del sistema láser está inherentemente limitado a linewidths de ≈ 30 kHz 28 y típicamente más cerca de 100 kHz. Si la aplicación requiere un ancho de línea más estrechos otras técnicas de estabilización o láser alternativa diseña 26 son obligatorios. Siempre que trabaje con los sistemas ópticos, la limpieza es de la mayor importancia. Es una buena práctica cuando se introdujo por primera vez a la óptica y la manipulación usar guantes para evitar tocar accidentalmente la superficie óptica. Si se raya una óptica no se debe utilizar en un sistema láser. En la mayoría de los casos la óptica con huellas dactilares o polvo pueden limpiarse con acetona o aire comprimido, respectivamente. Cualquier imperfección en una superficie óptica puede y va a introducir la pérdida y potencialmente ruido en el sistema. Montajes Óptica deben fijarse al banco de óptica en todo momento y deben estar firmemente atornillados hacia abajo una vez en su lugar. Al alinear la óptica como waveplates y divisores de haz de polarización, asegurar la luz incide casi perpendicular a la superficie óptica mientras avoIding reflexiones de nuevo en el láser. A medida que el ángulo de incidencia se desvía de 90 º, el comportamiento de estos elementos ópticos se vuelve más y más lejos de lo ideal. Para minimizar la aberración y maximizar vigas apertura numérica siempre deben viajar a través del centro de las lentes y ser normal a la lente. En contraste, una célula de vapor debe ser colocado en un ligero ángulo con el haz incidente para evitar efectos etalón. Por esta razón, muchas células de vapor están fabricados con facetas finales no paralelas. Los láseres utilizados aquí son de clase 3B. Incluso las reflexiones parásitas tienen el potencial de daño a los ojos. Trabajar con los láseres de este tipo sólo debe ser realizado por personal capacitado y familiarizado con los peligros de los rayos láser. Gafas de seguridad láser deben ser usados ​​en todo momento. Nunca mire directamente por el camino de cualquier láser para la alineación óptica y tener especial cuidado para evitar generar reflexiones especulares peligrosos fuera de los componentes ópticos. Termine siempre positivamente líneas de luz using un vertedero de haz.

La medición y la manipulación del estado cuántico de los átomos está en el corazón de la física atómica y requiere la capacidad para hacer frente a transiciones específicas entre estados electrónicos atómicas. Por ejemplo, consideremos el rubidio, un átomo de álcali usado típica y mucho. Aquí, la longitud de onda de la luz que acopla el suelo y estado electrónico excitado primero es de ~ 780 nm (384 THz) y el tiempo de vida del estado excitado debido a la emisión espontánea es ~ 26 nseg dando una anchura de línea de absorción de 6 MHz. 4. Por lo tanto, se requiere una fuente de luz con la estabilidad de frecuencia de al menos una parte en 108 para hacer frente a esta transición de forma fiable. Antes del desarrollo de SIVCE, láseres de colorante y los láseres de zafiro titanio se utiliza normalmente para la física atómica. Estos son sistemas grandes, caros y complejos que ofrecen ganancia óptica sobre un gran ancho de banda y por lo tanto se pueden sintonizar para solapar una transición atómica. El potencial de reemplazar a estos medios de ganancia con un simple diodo láser diseñado wi barato,ª un gap coincidir la longitud de onda deseada fue reconocida en la década de 1980 1,2. Simple, fácil de construir diseños que logran 100 linewidths kHz fueron bien comprendidas, lugar común a principios del decenio de 1990 3,5,6. Muchas configuraciones y diseños diferentes se han demostrado cada uno con ventajas y desventajas. Probablemente las configuraciones más comunes son las 9 configuraciones Littrow 3,5,7,8 y Littman. Esta discusión se centra en el más simple, la configuración Littrow se muestra en la Figura 1A. Un número de mecanismos de ajuste se utiliza simultáneamente para alcanzar una alta precisión en la frecuencia del láser. En primer lugar, se requiere un diodo con una producción de hueco de banda de ganancia suficiente en la longitud de onda deseada a una temperatura operativa alcanzable. El diodo láser típica tendrá una ganancia en lo largo de varios nanómetros (THz). En segundo lugar, una difracción reflexivo rejilla es el ángulo ajustado para proporcionar retroalimentación óptica en el diodo en el deseadode longitud de onda. Dependiendo de la rejilla, el diodo, la lente de enfoque utilizado y su alineación, la rejilla se selecciona un rango de frecuencia de 50 a 100 GHz normalmente. El láser oscilará a una longitud de onda resonante con la cavidad láser externo (entre la faceta trasera de diodo y la rejilla). Sintonización de esta longitud de la cavidad a través de una longitud de onda permite que el láser sea sintonizada a través de un rango espectral libre (c / (2 L)) alrededor del pico de ganancia de rejilla donde c, es la velocidad de la luz y L, es la longitud de la cavidad, típicamente 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Cuando dos modos de la cavidad son una longitud de onda similar del pico de rejilla de realimentación de longitud de onda del láser puede ejecutar multimodo. A medida que el modo de la cavidad oscilante se sintoniza más lejos del pico de ganancia que su modo de vecinos el modo de voluntad hop láser limitar el rango de sintonización. El comportamiento de los modos de la cavidad con respecto al modo de rejilla se puede ver en la Figura 3. El rango de sintonización libre de modo de salto es una medida de rendimiento clave para un ECDL. Al ajustar simultáneamente el ángulo de la rejilla y la longitud de la cavidad es posible sintonizar de forma continua a través de muchos rangos espectrales gratis sin modo de lúpulo, por lo que la colocación y fijación a las características espectrales mucho más fácil 8. De sintonización electrónica de la longitud del camino óptico de la cavidad para el bloqueo puede lograrse mediante una combinación de ajuste del ángulo / posición de rejilla se usa un actuador piezoeléctrico (Figura 1A) (ancho de banda de exploración ~ 1 kHz) y ajustar el diodo de corriente que modula principalmente la de refracción índice del diodo (ancho de banda de exploración ≥ 100 kHz). El uso de diodos láser en lugar de anti-reflexión (AR) virutas de ganancia revestidos para el medio de ganancia añade la complicación adicional de añadir el diodo láser respuesta cavidad interna que puede tener un típico rango espectral libre de 100-200 GHz. En este caso, la cavidad debe ser sintonizado para que coincida con la temperatura de la respuesta de la rejilla. El uso de un diodo láser en lugar de un chip de ganancia de AR recubierto reducirá drásticamente el modo de salto libre tgama de sintonizador a menos que haya un medio para sintonizar de forma síncrona la corriente del diodo o de la temperatura. Por último, para lograr un ancho de línea mejor que 100 kHz cuidado se debe prestar atención para eliminar otras fuentes de ruido. Esto requiere el diseño mecánico cuidadoso de los montes para minimizar la vibración acústica, nivel de estabilización de la temperatura mK, rms estabilidad actual del diodo en el nivel de ≤ 30 nA y una cuidadosa puesta a punto de la ganancia de todos los bucles de bloqueo 10. Selección de los componentes electrónicos adecuados para la aplicación es tan importante como el diseño de láser y la óptica. Una lista de los controladores de diodos y especificaciones se puede encontrar en la Tabla 1. Una vez que la acción láser estable se ha logrado, el siguiente requisito es para bloquear la frecuencia del láser a una referencia tal como una transición atómica, una cavidad óptica u otro láser. Esto elimina los efectos de las derivas lentas, como las pequeñas fluctuaciones de la temperatura, lo que elimina esencialmente el ruido de frecuencias conen el ancho de banda del bucle de bloqueo. Hay una gran variedad de técnicas que se han desarrollado para la obtención de una señal de error, cada uno adecuado para un sistema de referencia particular, de bloqueo. Una señal de error para el bloqueo de dos láseres de fase se puede conseguir mediante la mezcla de los dos láseres en un divisor de haz. Sala de Pound-Drever 11 o de superficies de bloqueo 12 se puede utilizar para bloquear a una cavidad. Para bloquear a una línea de absorción atómica DAVLL 13 o espectroscopia de absorción saturada de 3,14 en combinación con modulación de la corriente 10, Zeeman de modulación 10, o de superficies de bloqueo 15 puede ser utilizado. El bloqueo de un ECDL a una transición de rubidio usando modulación de Zeeman de absorción saturada en una célula de vapor se describirá aquí. Si un haz de baja intensidad pasa a través de una célula de vapor de rubidio a temperatura ambiente y la frecuencia se sintoniza en la proximidad de la transición atómica nm 780 un número de Doppler amplió características de absorción ~ 500 MHz de anchose observará en lugar de la anchura de línea natural de amplia 6 MHz (cálculos para anchuras de línea naturales y Doppler se pueden encontrar en pie 16). Si, sin embargo, este haz se refleja retro, el segundo pase tendrá menos absorción en la resonancia como átomos con una velocidad longitudinal cero ya han sido parcialmente excitado por la primera pasada 17. Otras frecuencias serán absorbidos por diferentes poblaciones de velocidad en cada pasada y por lo tanto la absorción no estarán saturados. De esta manera una característica de transmisión aparente superpone sobre la absorción de Doppler ampliado en las transiciones con una anchura de la anchura de línea natural puede ser obtenido. Esto proporciona una referencia de frecuencia absoluta afilado para bloquear a. La frecuencia de la transición atómica puede ser modulada usando el efecto Zeeman por dithering la magnitud de un campo magnético en la celda de referencia. Un campo magnético homogéneo adecuado puede ser producida utilizando una configuración de solenoide como se muestra en la Figura 5. Mezcla electrónicamentela forma de onda modulada con la transmisión de absorción saturada genera una señal de error que se puede utilizar para ajustar la corriente del diodo integrado y para ajustar el voltaje piezoeléctrico. Por lo tanto, el láser puede ser bloqueado a la transición sin necesidad de modular la frecuencia del láser. La anchura de línea de un ECDL se mide generalmente por interferir dos láseres bloqueado en frecuencia del mismo tipo en un divisor de haz 18. La frecuencia de batido entre los láseres se mide entonces usando un fotodiodo rápido y un analizador de espectro de RF. El espectro de ruido más allá del ancho de banda del bucle de bloqueo se ajusta entonces a un Voigt (convolución de una gaussiana y de Lorentz) perfil. El ruido de los diferentes láseres agregar en cuadratura. En el caso de los dos láseres equivalentes esto da un ancho de línea equipada de √ (2) veces el ancho de línea única con láser. Si un láser está disponible con una anchura de línea conocida significativamente menor que la esperada de la ECDL y está dentro del rango de sintonización de la ECDL, a continuación, que se podría utilizar en su lugar. Otro método comúnmente usado para medir la anchura de línea es la técnica homodino auto retardada 19,20 donde parte de la viga se envía a lo largo de una línea de retardo óptico tal como una fibra y luego se mezcla en un divisor de haz con el láser. Esta técnica se basa en el retraso más largo que la longitud de coherencia del láser de bajo medición. Esto funciona bien para los láseres ruidosos pero para un láser de 100 kHz de anchura de línea la longitud de coherencia es de alrededor de 3 km, la cual comienza a ser poco práctico. Alternativamente, una transición atómica en una célula de absorción saturado o una cavidad de Fabry-Perot se puede utilizar para proporcionar una referencia de frecuencia para la medición de ancho de línea del láser. En este sistema tendrá la frecuencia del láser para sentarse en una parte lineal de éter una absorción saturado o Fabry-Perot de resonancia y no permitido para escanear en frecuencia. Al medir el ruido de la señal en un fotodiodo y conociendo el ancho de línea de resonancia, el ruido de la frecuencia se puede encontrar. El límite inferior de la limedición newidth se limita entonces por la pendiente de la resonancia de transmisión. La presencia de modos de orden más altos de acción láser se puede comprobar para mirando de intensidad de ruido a la frecuencia de la gama espectral libre usando un analizador de espectro de RF o mediante el uso de un escaneo de Fabry-Perot o un analizador de espectro óptico con una resolución mejor que el espectral libre rango de la ECDL. El rango de sintonización gruesa se puede medir por medición de la potencia como una función de longitud de onda (usando un ondámetro, monocromador, o analizador de espectro óptico), mientras que el ajuste del láser a través de sus límites utilizando la rejilla. El rango de sintonización libre modo de salto se mide generalmente mediante un escaneo cavidad Fabry-Perot que un modo de salto puede ser detectado como un salto discontinuo en frecuencia.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="870">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="94" rowspan="3" style="height:94px;width:253px;">Laser Diode 
			(Rubidium, 780nm)</td>
			<td rowspan="3" style="width:181px;">Roithner</td>
			<td rowspan="3" style="width:195px;">ADL-78901TX</td>
			<td rowspan="3" style="width:241px;">Various wavelengths, powers, case sizes and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="53">
		</tr>
		<tr height="61">
			<td height="61" style="height:61px;width:253px;">Diffraction Grating 
			(Rubidium, 780nm)</td>
			<td style="width:181px;">Newport</td>
			<td><a href="http://search.newport.com/?q=*&amp;x2=sku&amp;q2=05HG1800-500-1">05HG1800-500-1&#160;</a></td>
			<td style="width:241px;">Holographic or rullered 
			&#160;(Optional blazing) 
			(Thor Labs, Newport)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Viewing Card</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td>VRC5</td>
			<td style="width:241px;">Infared viewing card</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:253px;">Diode&#160; Lens</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td>C330TME-B</td>
			<td>Coated for 780 nm</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:253px;">Glass Wedge</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td>PS814</td>
			<td>10 &#176; wedge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">1/2 Waveplate</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td>WPH10M-780</td>
			<td style="width:241px;">780 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">1/4 Waveplate</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td>WPQ10M-780</td>
			<td style="width:241px;">780 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Rotation mounts</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td style="width:195px;">RSP1C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">PBS</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td style="width:195px;">PBS252</td>
			<td style="width:241px;">780 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Isolator</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td style="width:195px;">IO-5-780-HP</td>
			<td style="width:241px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Vapor Cell</td>
			<td style="width:181px;">Thor Labs</td>
			<td><a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=GC25075-RB">GC25075-RB</a></td>
			<td>Rubidium&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Photo Detector</td>
			<td style="width:181px;">Moglabs</td>
			<td>PDD-001-400-1100-&#955;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Scope</td>
			<td style="width:181px;">Tektronix</td>
			<td style="width:195px;">TDS1001B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="78">
			<td height="78" style="height:78px;width:253px;">Wavemeter</td>
			<td style="width:181px;">Yokogawa</td>
			<td style="width:195px;">AQ-6515A</td>
			<td style="width:241px;">We use an optical spectrum analyzer but a cheaper wavemeter would also be sufficient</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">Electronic spectrum analyzer</td>
			<td style="width:181px;">Agilent</td>
			<td style="width:195px;">E4411B</td>
			<td style="width:241px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:253px;">&#160;IR Viewer</td>
			<td style="width:181px;">FJW Optical Systems Inc</td>
			<td>84499A-5</td>
			<td style="width:241px;">Infared viewer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction and characterization of external cavity diode lasers for atomic physics

Desde su desarrollo a finales de 1980, barato, los láseres de diodo cavidad externas fiables (SIVCE) han reemplazado tinte tradicional compleja y cara y el láser de titanio zafiro como el láser caballo de batalla de los laboratorios de física atómica 1,2. Su versatilidad y uso prolífico en toda la física atómica en aplicaciones tales como la espectroscopia de absorción y el láser de refrigeración 1,2 hace que sea imperativo para los estudiantes de nuevo ingreso para adquirir una comprensión práctica firme de estos láseres. Esta publicación se basa en el trabajo seminal de Wieman 3, la actualización de los componentes, y proporciona un tutorial de vídeo. Se describirá la instalación, cierre la frecuencia y la capacidad de caracterización de un ECDL. La discusión de la selección de componentes y el montaje correcto de los dos diodos y rejas, los factores que afectan la selección del modo dentro de la cavidad, la alineación adecuada para la retroalimentación externa óptima, la configuración óptica para mediciones sensibles de frecuencia gruesa y fina, una breve descripción de locki lásertécnicas ng, y mediciones de ancho de línea del láser se incluyen.

Hay 5 pasos principales en la alineación, bloqueo de frecuencia y la caracterización de la anchura de línea de la ECDL. Estos son: la obtención de retroalimentación de la rejilla y usando esto para establecer la frecuencia de PCIE grueso medido en un ondámetro, la observación de absorción del láser en la celda de referencia, se muestran la transición atómica con una resolución alrededor de la anchura de línea natural en una configuración de espectroscopía de absorción saturado, la obtención de un señal de error alrededor de la transición deseada y de bloqueo a la misma, y, finalmente, la observación de la nota ritmo de dos láseres y la medición de la anchura de línea de láser. El primer paso se ha completado con éxito, bastante trivial cuando la longitud de onda leída en el ondámetro corresponde a la transición atómica de interés. Cuando se intenta lograr la absorción en la celda de referencia, florescencia puede ser visto a lo largo de la trayectoria del haz en la célula con un visor de infrarrojos cuando se golpea la transición. Si la ECDL está escaneando el celular parpadeará. Una señal de absorción saturada puede ser difícil de detectar whe<html> n primera alineación debido a que las líneas de transmisión pueden ser muy pequeñas en comparación con el pico de absorción de Doppler. Cuando picos, similares a los mostrados en la Figura 4, se puede ver, el sistema de absorción saturada está funcionando correctamente. Mediante el ajuste de los parámetros de fase y de escaneo de una señal de error similar a la mostrada en la Figura 4 se debe obtener. Con el fin de medir el ancho de línea ECDL es necesario para obtener una señal de batido entre dos vigas. Como los haces se vuelven más y más superponen una onda sinusoidal comenzará a aparecer, como se ve en un alcance de un detector de foto. Mantenga la alineación hasta que el contraste entre los nodos y antinodos es más grande. Cuando se pasa entonces a la señal de latido a través de un analizador de espectro electrónico de una señal similar a la figura 6 debe ser visto. La anchura de línea de láser se puede medir a partir de esta señal. La configuración completa óptica se puede ver en la Figura 1. <img alt="&lt;/ Html">&quot;Figura 1&quot; fo: content-width = &quot;5in&quot; fo: src = &quot;/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg&quot; /&gt; .. Figura 1 la configuración completa de la óptica Este es un ejemplo de una configuración de la óptica completa para el sistema de ECDL discutido A:. Esto muestra la configuración Littrow de un PCIE. Un porcentaje, típicamente 20-30%, del haz incidente sobre la rejilla es difractada de nuevo en el diodo. El ángulo de refracción y el ángulo de reflexión son iguales. La rejilla está montado en una etapa de ajuste que utiliza un piezoeléctrico para controlar el ángulo de rejilla B:. El haz de salida del diodo láser es incidente sobre la rejilla en un ángulo θ con el orden 0 que refleja fuera y la difracción de 1 ª orden que es enviado de vuelta a lo largo de la trayectoria del haz incidente. La longitud de onda de la luz difractada es dada por λ = 2 d sen (θ) en la configuración Littrow C:. Posición y orientación de la óptica esolator para reducir la realimentación no deseada para el diodo láser de D:. El haz de salida de la caja de láser pasa a través de una placa de onda λ / 2 y PBS y se alinea con el ondámetro. El poder de los haces reflejados y transmitidos se puede ajustar mediante la rotación de la placa de onda E:. Línea de haz utilizado para el experimento. Esta línea contiene la mayor parte de la energía del laser F:. Aprobar un haz de referencia igual o superior a la intensidad de saturación a través de una PBS, λ / 4 placa de onda, célula de gas de referencia, y retro reflejan de nuevo en el PBS. Es importante que los dos haces son bien se superponen para obtener la espectroscopia de saturación adecuada. La placa de onda se asegurará de la polarización de la luz en el haz reflejado retro se girarán 90 ° del haz incidente que le permite salir del puerto opuesto del divisor de haz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande imag</a>e. <img alt="Figura 2" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig2highres.jpg" width="200" /> Figura 2. Circuito de protección Diodo láser. Circuito de protección Ejemplo para la corriente del diodo láser. R1 y C1 forman un circuito básico RC y filtrará el ruido de alta frecuencia. D 1 y D 2 son Schottky y diodos Zener respectivamente. El diodo Schottky, que tiene un tiempo de respuesta rápido, es en su lugar para proteger contra tensiones inversas, y el diodo Zener, que tiene un tiempo de respuesta más lento, está diseñado para permitir que la corriente pase a si por encima de la tensión máxima de funcionamiento diodos láser, evitando de este modo dañar al diodo láser. Los valores típicos para los componentes serán R 1 = 1 Ω, C = 1 1 mf, d 1 = 30 V, D 2 = 6 V. Los valores elegidos para R1 y C1 limitará el ancho de banda de modulación de la corriente del diodo. Esto puede ser inferior aideal si una señal de error se produce a través de la modulación actual en lugar de la modulación Zeeman discutido. <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig3.jpg" /> . Figura 3 Competir modos en un ECDL verdes:.. Anchura de línea de orden de difracción ≈ 50 GHz en función de la rejilla sólido rojo: El modo de la cavidad interna de un diodo láser con un ancho de línea ≈ 10 MHz y el rango espectral libre ≈ 80 GHz . tablero Rojo: La cavidad interna de un diodo con recubrimiento anti-reflejo. Estos diodos tendrán un ancho de línea en el rango nm Azul:. Modos de cavidad externa con un ancho de línea de ≈ 500 kHz y un rango espectral libre de ≈ 5 GHz. De una cavidad externa 3 cm de largo. Ajuste del ángulo de rejilla se desplazará el centro de la curva verde y Si<html> cambiar simultáneamente la longitud de la cavidad externa a su vez, desplazando la curva azul también. El ajuste de la corriente del diodo y la temperatura se desplazará las curvas de color rojo. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig4.jpg" /> .. Figura 4 espectroscopia de absorción saturada y la señal de error correspondiente Para Rubidio 87 Lower Curve:. Picos de absorción saturadas en el pico de absorción Doppler mucho más amplio formado a partir de la espectroscopia Doppler libre. Curva superior: Señal de error para el sistema de absorción saturado correspondiente. Las etiquetas por encima de la señal de error corresponden a la transición atómica (F → F &#39;). jpg &quot;/&gt; Figura 5. Zeeman bobina. Bobina enrollada alrededor de una célula de vapor de rubidio se utiliza en la modulación de Zeeman. <img alt="La figura 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51184/51184fig6.jpg" /> Figura 6. Linewidth Laser. Señal adquirió de un analizador de espectro de la nota ritmo formado por dos láseres similares. A partir de la figura, el ritmo tiene una frecuencia de 206,24 MHz y un ancho de línea de 0,3 MHz con un tiempo de integración de 20 ms. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="24"><td height="24" style="height:24px;width:237px;"> Los controles actuales </td><td style="width:123px;"> Alcance </td><td style="width:275px;"> Ruido </td></tr><tr height="21"><td height = estilo &quot;21&quot; = &quot;altura: 21px;&quot;&gt; Thor laboratorios: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC200CV </td><td> 0-20 mA </td><td> &lt;1 μA (10 Hz -10 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC201CU </td><td> 0-100 mA </td><td> &lt;0,2 μA (10 Hz -10 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC202C </td><td> 0-200 mA </td><td> &lt;1,5 μA (10 Hz -1 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC205C </td><td> 0-500 mA </td><td> &lt;3 μA (10 Hz -1 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Moglabs: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-202 </td><td> 0-200 mA </td><td> &lt;300 pA / √ Hz </td></tr><tr height="21"><td height="21" style= &quot;Altura: 21px;&quot;&gt; DLC-252 </td><td> 0-250 mA </td><td> &lt;300 pA / √ Hz </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-502 </td><td> 0-500 mA </td><td> &lt;300 pA / √ Hz </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Stanford Research Systems: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC500 </td><td> 0-100 mA </td><td> &lt;0,9 μA RMS (10 Hz -1 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC501 </td><td> 0-500 mA </td><td> &lt;4,5 μA RMS (10 Hz -1 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Toptica: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DCC 110/100 </td><td> 0-100 mA </td><td> 200 nA RMS (5 Hz-1 MHz) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Corriente continuaC 110/500 </td><td> 0-500 mA </td><td> 1 μA RMS (5 Hz-1 MHz) </td></tr><tr height="24"><td height="24" style="height:24px;"> Controladores de Temperatura </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Thor Labs: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> TED200C </td><td> -45 A 145 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Moglabs: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-202 </td><td> -40 A 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-252 </td><td> -40 A 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DLC-502 </td><td> -40 A 50 ° C </td><td> ± 5 mK </td> &lt;/ Tr&gt; <tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Stanford Research Systems: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC500 </td><td> -55 A 150 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> LDC501 </td><td> -55 A 150 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Toptica: </td><td></td><td></td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> DTC 110 </td><td> 0-50 ° C </td><td> ± 2 mK </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Diodo Actual y controladores de temperatura. Diodo controladores de corriente y temperatura Varias empresas con sus rangos y niveles de ruido.

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Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Este es un documento de instrucción para guiar la construcción y el diagnóstico de los láseres de diodos externos cavidad (SIVCE), incluyendo la selección de componentes y la alineación óptica, así como los aspectos básicos de las mediciones de espectroscopía de referencia de frecuencia y ancho de línea de láser para aplicaciones en el campo de la física atómica.

Construcción y caracterización de Exteriores Cavidad diodo láser de Física Atómica

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

27.4K vistas.  The Australian National University.  Este es un documento de instrucción para guiar la construcción y el diagnóstico de los láseres de diodos externos cavidad (SIVCE), incluyendo la selección de componentes y la alineación óptica, así como los aspectos básicos de las mediciones de espectroscopía de referencia de frecuencia y ancho de línea de láser para aplicaciones en el campo de la física atómica. 

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Investigación

Ingeniería

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Construcción de un microscopio de alta resolución con capacidades de captura óptica convencional y holográfica

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Sputter Growth and Characterization of Metamagnetic B2-ordered FeRh Epilayers

Chemically ordered alloys are useful in a variety of magnetic nanotechnologies. They are most conveniently prepared at an industrial scale using sputtering techniques. Here we describe a method for preparing epitaxial thin films of B2-ordered FeRh by sputter deposition onto single crystal MgO substrates. Deposition at a slow rate onto a heated substrate allows time for the adatoms to both settle into a lattice with a well-defined epitaxial relationship with the substrate and also to find their proper places in the Fe and Rh sublattices of the B2 structure. The structure is conveniently characterized with X-ray reflectometry and diffraction and can be visualised directly using transmission electron micrograph cross-sections. B2-ordered FeRh exhibits an unusual metamagnetic phase transition: the ground state is antiferromagnetic but the alloy transforms into a ferromagnet on heating with a typical transition temperature of about 380 K. This is accompanied by a 1% volume expansion of the unit cell: isotropic in bulk, but laterally clamped in an epilayer. The presence of the antiferromagnetic ground state and the associated first order phase transition is very sensitive to the correct equiatomic stoichiometry and proper B2 ordering, and so is a convenient means to demonstrate the quality of the layers that can be deposited with this approach. We also give some examples of the various techniques by which the change in phase can be detected.

A method to prepare epitaxial layers of ordered alloys by sputtering is described. The B2-ordered FeRh compound is used as an example, as it displays a metamagnetic transition that depends sensitively on the degree of chemical order and the exact composition of the alloy.

Crecimiento catódica y caracterización de Metamagnetic B2-ordenó Ferh epicapas

Chemically ordered alloys are useful in a variety of magnetic nanotechnologies. They are most conveniently prepared at an industrial scale using ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

Medición y Análisis de hidrógeno atómico y molecular diatómico AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, y el TiO Spectra siguiente desglose óptica inducida por láser

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via stereotactic radiotherapy where positioning accuracy allows delivering very high doses per fraction in a small volume of the patient. Dosimetric measurements on medical accelerators are conventionally realized using air-filled ionization chambers. However, in small beams these are subject to nonnegligible perturbation effects. This study focuses on liquid ionization chambers, which offer advantages in terms of spatial resolution and low fluence perturbation. Ion recombination effects are investigated for the microLion detector (PTW) used with the Cyberknife system (Accuray). The method consists of performing a series of water tank measurements at different source-surface distances, and applying corrections to the liquid detector readings based on simultaneous gaseous detector measurements. This approach facilitates isolating the recombination effects arising from the high density of the liquid sensitive medium and obtaining correction factors to apply to the detector readings. The main difficulty resides in achieving a sufficient level of accuracy in the setup to be able to detect small changes in the chamber response.

A growing number of radiation therapy devices offer the advantage of delivering the dose through very small beams to the tumor, allowing for increased conformity and higher doses per fraction. Many different detectors can be used for the dosimetry of these small fields. In the present study, the effect of ion recombination is investigated for a liquid ionization chamber using a stereotactic radiation therapy system.

Caracterización de los efectos de recombinación en una cámara de ionización líquido utilizado para la dosimetría de un acelerador de radiocirugía

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions. Oxide interfaces exhibit a wide range of properties that can be controlled include conduction, piezoelectric behavior, ferromagnetism, superconductivity and nonlinear optical properties. Recently, methods for controlling these properties at extreme nanoscale dimensions have been discovered and developed. Here are described explicit step-by-step procedures for creating LaAlO3/SrTiO3 nanostructures using a reversible conductive atomic force microscopy technique. The processing steps for creating electrical contacts to the LaAlO3/SrTiO3 interface are first described. Conductive nanostructures are created by applying voltages to a conductive atomic force microscope tip and locally switching the LaAlO3/SrTiO3 interface to a conductive state. A versatile nanolithography toolkit has been developed expressly for the purpose of controlling the atomic force microscope (AFM) tip path and voltage. Then, these nanostructures are placed in a cryostat and transport measurements are performed. The procedures described here should be useful to others wishing to conduct research in oxide nanoelectronics.

Oxide nanostructures provide new opportunities for science and technology. The interfacial conductivity between LaAlO3 and SrTiO3 can be controlled with near-atomic precision using a conductive atomic force microscopy technique. The protocol for creating and measuring conductive nanostructures at LaAlO3/SrTiO3 interfaces is demonstrated.

La escritura y la caracterización de baja temperatura de óxido de Nanoestructuras

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

Convergent Polishing: A Simple, Rapid, Full Aperture Polishing Process of High Quality Optical Flats &amp; Spheres

Convergent Polishing is a novel polishing system and method for finishing flat and spherical glass optics in which a workpiece, independent of its initial shape (i.e., surface figure), will converge to final surface figure with excellent surface quality under a fixed, unchanging set of polishing parameters in a single polishing iteration. In contrast, conventional full aperture polishing methods require multiple, often long, iterative cycles involving polishing, metrology and process changes to achieve the desired surface figure. The Convergent Polishing process is based on the concept of workpiece-lap height mismatch resulting in pressure differential that decreases with removal and results in the workpiece converging to the shape of the lap. The successful implementation of the Convergent Polishing process is a result of the combination of a number of technologies to remove all sources of non-uniform spatial material removal (except for workpiece-lap mismatch) for surface figure convergence and to reduce the number of rogue particles in the system for low scratch densities and low roughness. The Convergent Polishing process has been demonstrated for the fabrication of both flats and spheres of various shapes, sizes, and aspect ratios on various glass materials. The practical impact is that high quality optical components can be fabricated more rapidly, more repeatedly, with less metrology, and with less labor, resulting in lower unit costs. In this study, the Convergent Polishing protocol is specifically described for fabricating 26.5 cm square fused silica flats from a fine ground surface to a polished ~&#955;/2 surface figure after polishing 4 hr per surface on a 81 cm diameter polisher.

A novel optical polishing process, called &#8220;Convergent Polishing&#8221;, which enables faster, lower cost polishing, is described. Unlike conventional polishing processes, Convergent Polishing allows a glass workpiece to be polished in a single iteration and with high surface quality to its final surface figure without requiring changes to polishing parameters.

Convergentes Pulido: Una simple, rápida, completa Apertura Pulido Proceso de alta calidad óptica Pisos y Esferas

Convergent Polishing is a novel polishing system and method for finishing flat and spherical glass optics in which a workpiece, independent of its initial ...

Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. The results of studies in which the etching current and the molarity of the NaOH solution used in the etching process were varied are presented. The investigation of the geometry of the tips, by imaging them with a scanning electron microscope, and by operating them in field emission mode is also described. The field emission tips produced are intended to be used as an electron beam source for ion production via electron impact ionization of background gas or vapor in Penning trap mass spectrometry applications.

A method for electrochemically etching field emission tips is presented. Etching parameters are characterized and the operation of the tips in field emission mode is investigated.

Aguafuerte electroquímica y caracterización de los puntos agudos de emisión de campo de ionización por impacto electrónico

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. ...

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). Resonant excitation without fluorescence detection &#8211; for example, a differential transmission measurement &#8211; can determine some properties of the emitting system, but does not allow applications or measurements based on the emitted photons. For example, the measurement of photon correlations, observation of the Mollow triplet, and realization of single photon sources all require collection of the fluorescence. Incoherent excitation with fluorescence detection &#8211; for example, above band-gap excitation &#8211; can be used to create single photon sources, but the disturbance of the environment due to the excitation reduces the indistinguishability of the photons. Single photon sources based on QDs will have to be resonantly excited to have high photon indistinguishability, and simultaneous collection of the photons will be necessary to make use of them. We demonstrate a method to resonantly excite a single QD embedded in a planar cavity by coupling the excitation beam into this cavity from the cleaved face of the sample while collecting the fluorescence along the sample&#39;s surface normal direction. By carefully matching the excitation beam to the waveguide mode of the cavity, the excitation light can couple into the cavity and interact with the QD. The scattered photons can couple to the Fabry-Perot mode of the cavity and escape in the surface normal direction. This method allows complete freedom in the detection polarization, but the excitation polarization is restricted by the propagation direction of the excitation beam. The fluorescence from the wetting layer provides a guide to align the collection path with respect to the excitation beam. The orthogonality of the excitation and detection modes enables resonant excitation of a single QD with negligible laser scattering background.

Resonant excitation of a single self-assembled quantum dot can be achieved using an excitation mode orthogonal to the fluorescence collection mode. We demonstrate a method using the waveguide and Fabry-Perot modes of a planar microcavity surrounding the quantum dots. The method allows complete freedom in the detection polarization.

Fluorescencia de resonancia de un punto cuántico de InGaAs en una cavidad plana usando detección y excitación ortogonal

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex donor-acceptor emitters is presented. With a step-by-step procedure, readers will be able to repeat and produce OLED devices based on simple organic emitters. A patterning procedure allowing the creation of personalized indium tin oxide (ITO) shape is shown. This is followed by the evaporation of all layers, encapsulation and characterization of each individual device. The end goal is to present a procedure that will give the opportunity to repeat the information presented in cited publication but also using different compounds and structures in order to prepare efficient OLEDs.

A protocol for the production of simple structured organic light-emitting diodes (OLEDs) is presented.

Producción y caracterización de vacío depositan diodos electroluminosos orgánicos

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex ...