Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique

Résumé

Il s'agit d'un document pédagogique pour guider la construction et le diagnostic des lasers externes de diodes cavité (de ECDLs), y compris la sélection des composants et l'alignement optique, ainsi que les bases de la spectroscopie de référence de fréquence et largeur de raie du laser mesures pour des applications dans le domaine de la physique atomique.

Résumé

Depuis leur développement dans les années 1980, bon marché, des diodes laser à cavité externe fiables (de ECDLs) ont remplacé colorant traditionnelle complexe et coûteux et lasers titane saphir comme le laser de cheval de bataille de laboratoires de physique atomique ^1,2. Leur polyvalence et l'utilisation prolifique tout au long de la physique atomique dans des applications telles que la spectroscopie d'absorption et de refroidissement laser ^1,2, il est impératif pour les nouveaux étudiants d'acquérir une connaissance pratique solide de ces lasers. Cette publication s'appuie sur les travaux fondateurs de Wieman ^3, mise à jour de composants, et de fournir un tutoriel vidéo. L'installation, le verrouillage de la fréquence et de la performance caractérisation d'un ECDL sera décrite. Discussion de la sélection des composants et un montage correct des deux diodes et des réseaux, les facteurs influant sur le choix du mode dans la cavité, l'alignement approprié pour retour externe optimale, la configuration de l'optique pour les mesures sensibles fréquence grossier et fin, un bref aperçu de Locki lasertechniques ng, et les mesures de largeur de raie du laser sont inclus.

Introduction

Mesure et la manipulation de l'état quantique d'atomes est au cœur de la physique atomique et nécessite la capacité de répondre aux transitions spécifiques entre les états électroniques atomiques. Par exemple envisager rubidium, un atome alcalin utilisé typique et beaucoup. Ici, la longueur d'onde de la lumière à coupler le sol et l'état électronique excité premier est ~ 780 nm (384 THz) et la durée de vie de l'état excité à cause de l'émission spontanée est ~ 26 ns donnant une largeur de raie d'absorption de 6 MHz ^4. Ainsi, une source de lumière avec la stabilité de fréquence d'au moins une partie de 108 est nécessaire pour traiter de manière fiable cette transition.

Avant le développement de ECDLs, les lasers à colorants et les lasers titane saphir ont été généralement utilisé pour la physique atomique. Ce sont de grands systèmes complexes et coûteuses qui offrent un gain optique sur une large bande passante et donc peuvent être réglés à chevaucher une transition atomique. Le potentiel de remplacer ces supports de gain avec une simple diode laser conçu wi pas chere une bande interdite correspondant à la longueur d'onde désirée a été reconnu dans le début des années 1980 ^1,2. Simple, facile à construire des conceptions qui permettent d'atteindre des largeurs de ligne 100 kHz ont été bien comprises et le lieu commun par le début des années 1990 ^3,5,6. De nombreuses configurations et des conceptions différentes ont été mises en évidence chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Sans doute les configurations les plus courantes sont les neuf configurations Littrow ^3,5,7,8 et Littman. Cette discussion se concentre sur la plus simple, la configuration Littrow représenté sur la figure 1A.

Un certain nombre de mécanismes de réglage sont utilisées simultanément afin d'obtenir une haute précision de la fréquence de laser. En premier lieu, une diode est nécessaire avec une largeur de bande interdite produire un gain suffisant à la longueur d'onde souhaitée à une température de fonctionnement possible. La diode laser typique aura un gain sur plusieurs nanomètres (THz). Deuxièmement, un réseau de diffraction réfléchissant est l'angle réglé pour fournir une rétroaction optique dans la diode à la recherchélongueur d'onde. En fonction du réseau, la diode, la lentille de focalisation utilisé et leur alignement, le réseau sélectionne une plage de fréquences de 50-100 GHz typiquement. Le laser oscille à une longueur d'onde de résonance de la cavité externe du laser (entre la facette arrière de la diode et la grille). Tuning cette longueur de la cavité à travers une longueur d'onde permet le laser pour être réglé sur une plage spectrale libre (c / (2 L)) autour de la crête de gain de réseau, où c est la vitesse de la lumière et L est la longueur de la cavité, typiquement 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Lorsque deux modes de cavité sont une longueur d'onde proche de la longueur d'onde pic réseau rétroaction le laser peut fonctionner multimode. Comme le mode de la cavité d'oscillation est accordée en outre à partir de la crête de gain que le mode laser voisine de la volonté saut de mode de limitation de la plage d'accord. Le comportement des modes de cavité en ce qui concerne le mode de réseau peut être vu dans la figure 3. La plage de réglage mode libre-hop est un indicateur de performance clé pour une ECDL. En réglant simultanément l'angle de réseau et la longueur de la cavité, il est possible de régler en continu à travers plusieurs plages spectrales libres en mode sans sauts, ce qui rend la localisation et de blocage à des caractéristiques spectrales plus facile ^8. Le réglage électronique de la longueur de chemin optique de la cavité de verrouillage peut être réalisé par une combinaison de réglage de l'angle / la position de réseau à l'aide d'un actionneur piézo-électrique (figure 1A) (largeur de bande de balayage d'environ 1 kHz) et le réglage du courant de diode qui module principalement la réfraction indice de la diode (largeur de bande de balayage ≥ 100 kHz). Utilisation de diodes laser plutôt que anti-reflet (AR) des puces de gain enrobées pour le milieu de gain ajoute la complication supplémentaire consistant à ajouter de la réponse de la cavité interne de la diode laser qui peut avoir un intervalle spectral libre typique de 100 à 200 GHz. Dans ce cas, la cavité doit être la température réglée pour correspondre à la réponse du réseau de diffraction. En utilisant une diode laser plutôt que d'une puce de gain enduit AR permettra de réduire considérablement le saut de mode libre tgamme uning moins qu'il y ait un moyen de régler de façon synchrone le courant de diode ou de la température. Enfin, pour obtenir une largeur de raie inférieure à 100 kHz attention doit être accordée à éliminer d'autres sources de bruit. Cela nécessite la conception mécanique minutieuse des supports pour minimiser les vibrations acoustiques, stabilisation de la température au niveau mK, RMS stabilité actuelle de la diode au niveau ≤ 30 nA et réglage minutieux de la plus-value de tout blocage des boucles ^10. Sélection des appareils électroniques appropriées pour l'application est tout aussi important que la conception de laser et de l'optique. Une liste des contrôleurs de diodes et les spécifications peuvent être trouvées dans le tableau 1.

Une fois que l'effet laser stable a été atteint, la deuxième condition consiste à verrouiller la fréquence du laser à une référence comme une transition atomique, une cavité optique laser ou autre. Cela supprime les effets de dérives lentes telles que les petites variations de température, ce qui élimine pratiquement le bruit pour des fréquences avecdans la bande passante de la boucle de verrouillage. Il existe une multitude de techniques qui ont été développées pour l'obtention d'un signal d'erreur, chacun étant adapté pour un système de verrouillage de référence particulier. Un signal d'erreur de verrouillage de phase de deux lasers peut être obtenue par le mélange des deux lasers sur un séparateur de faisceau. Pound-Drever salle ¹¹ ou inclinaison de verrouillage ¹² peut être utilisé pour verrouiller une cavité. Pour verrouiller à une ligne d'absorption atomique DAVLL ¹³ ou la spectroscopie d'absorption saturée ^3,14 en combinaison avec la modulation de courant ^{10, 10} Zeeman modulation, ou le basculement de verrouillage ¹⁵ peut être utilisé.

Le verrouillage d'un PCIE à une transition de rubidium utilisant la modulation de Zeeman absorption saturée dans une cellule de vapeur sera décrite ici. Si un faisceau de faible intensité traverse une cellule de vapeur de rubidium à la température ambiante et la fréquence est accordée au voisinage de la transition atomique nm 780 un certain nombre de caractéristiques Doppler élargi d'absorption ~ 500 MHz de largeon observera plutôt que la largeur de raie naturelle large de 6 MHz (calculs pour des largeurs de raie Doppler naturels et peuvent être trouvés dans de pied ^16). Si, toutefois, ce faisceau est réfléchi rétro, la seconde passe aura moins d'absorption de résonance des atomes avec une vitesse longitudinale zéro ont déjà été partiellement excité par le premier passage ^17. D'autres fréquences sont absorbées par les populations de vitesses différentes à chaque passage, et donc l'absorption ne soient pas saturés. De cette manière, une fonction de transmission apparente superposée sur le Doppler élargi absorption au niveau des transitions avec une largeur sur la largeur naturelle peut être obtenue. Cela fournit une référence de fréquence absolue forte pour verrouiller. La fréquence de la transition atomique peut être modulée en utilisant l'effet Zeeman par juxtaposition l'amplitude d'un champ magnétique dans la cellule de référence. Un champ magnétique homogène convenable peut être produit en utilisant une installation électro-aimant comme représenté sur la figure 5. Mélange électroniquela forme d'onde modulée avec la transmission d'absorption saturée génère un signal d'erreur qui peut être utilisé pour ajuster le courant de diode et intégré pour régler la tension piézo-électrique. Ainsi, le laser peut être verrouillé à la transition sans qu'il soit nécessaire de moduler la fréquence du laser.

La largeur de raie d'un PCIE est généralement mesurée par interférence de deux lasers verrouillés en fréquence du même type sur un diviseur de faisceau ^18. La fréquence de battement entre les lasers est alors mesurée à l'aide d'une photodiode rapide et un analyseur de spectre RF. Le spectre de bruit au-delà de la largeur de bande de la boucle de verrouillage est alors monté sur une Voigt (convolution d'une gaussienne et lorentzienne) profil. Le bruit des différents lasers ajouter en quadrature. Dans le cas de deux lasers équivalents ce qui donne une largeur de ligne équipée de √ (2) fois la largeur de raie du laser unique. Si un laser est disponible avec une largeur de trait connue nettement inférieur à celui attendu à partir du PCIE et il est à l'intérieur de la plage d'accord de l'ECDL, alors que pourrait être utilisé à la place. Une autre méthode couramment utilisée pour la mesure de largeur de raie est la technique d'auto homodyne retardée ^19,20 où une partie du faisceau est envoyé le long d'une ligne à retard optique tel qu'une fibre et ensuite mélangé sur un diviseur de faisceau avec le laser. Cette technique repose sur le retard étant plus longue que la longueur de cohérence du laser en cours de mesure. Cela fonctionne bien pour les lasers bruyants mais pour un laser de 100 kHz de largeur de raie la longueur de cohérence est d'environ 3 km, ce qui commence à devenir impraticable. En variante, une transition atomique dans une cellule d'absorption saturée ou une cavité de Fabry-Pérot peut être utilisé pour fournir une référence de fréquence pour la mesure de la largeur de raie du laser. Dans ce système, la fréquence du laser devra s'asseoir à une partie linéaire de l'éther une absorption saturée ou résonance Fabry-Perot plutôt que le droit de balayer en fréquence. En mesurant le bruit de signal sur une photodiode et en connaissant la largeur de raie de résonance, le bruit de fréquence peut être trouvé. La limite inférieure de la linewidth mesure est alors limitée par la pente de la résonance de transmission.

La présence de plus élevés des modes de commande d'émission laser peut être vérifiée en consultant au bruit d'intensité à la fréquence de l'intervalle spectral libre en utilisant un analyseur de spectre RF ou à l'aide d'un balayage de Fabry-Perot ou un analyseur de spectre optique avec une résolution meilleure que la spectrale libre gamme de l'ECDL. La plage de réglage grossier peut être mesurée par la mesure de la puissance en fonction de la longueur d'onde (en utilisant un ondemètre, un monochromateur ou analyseur de spectre optique) lors de l'accord du laser à travers ses limites à l'aide du réseau de diffraction. La plage de réglage mode libre-hop est généralement mesurée à l'aide d'un balayage cavité de Fabry-Perot où un saut de mode peut être détecté comme un saut discontinu en fréquence.

Protocole

1. Sélection des composants

1. Sélectionnez une diode à la longueur d'onde appropriée pour l'atome d'intérêt. Il est essentiel que la diode sélectionnée être monomode (sm et a une puissance suffisante pour l'application. Une diode enduit anti-reflet est idéal. Ces diodes ne sera pas lase sans l'ajout d'une cavité externe et ils sont explicitement conçus pour fonctionner ECDL. Ils ont de bien meilleures performances, en particulier pour les applications où le balayage de la longueur d'onde du laser est important. La diode laser utilisée ici est inscrite dans la liste des matériaux).
   Comme dans MacAdam et al. ^3, l'ECDL doit être conçu pour s'adapter à bien la diode et une lentille de collimation. Stabilité mécanique et contact thermique sont essentielles pour le bon fonctionnement du laser. Pour faciliter la construction, et un minimum d'usinage, le succès a été bâti a utilise une diode laser avec un tube de lentille intégrée (Liste des Matériaux).
2. Sélectionnez une lentille pour collimater la diode. Ilest important que l'ouverture numérique soit comparable ou plus grand que l'ouverture numérique de la diode sinon il y aura des pertes importantes. La plupart des diodes ont une ouverture numérique élevée (> 0,5) et nécessitent des lentilles asphériques, sinon aberrations se traduira par une très faible efficacité de la rétroaction. Assurez-vous que l'objectif est revêtu à la longueur d'onde de fonctionnement anti-reflet, choisissez un objectif avec une focale plus longue pour augmenter la taille du faisceau sur le réseau et une longueur d'onde de conception proche de la longueur d'onde de fonctionnement pour réduire l'aberration. Reportez-vous à la Liste des substances pour l'objectif utilisé dans le système démontrée.
3. Sélectionnez le réseau externe approprié pour la gamme de fréquence de la diode laser et le bras de réglage angle central réseau. La longueur d'onde de la lumière diffractée dans le premier ordre, configuration Littrow, est donnée par λ = 2 d sin (θ), où d est l'espacement de ligne de réseau, θ est l'angle d'incidence et grille λ lalongueur d'onde ²¹ (figure 1B). Il existe deux principaux types de réseau de diffraction, réglés et holographiques, et les deux peuvent être flambé ou non. Selon le type de réseau de diffraction de la puissance diffractée peut varier sensiblement. Viser un réseau holographique avec une efficacité de diffraction entre 20-30%. Reportez-vous à la liste des matériaux pour le réseau utilisé dans le système démontrée.
4. Utilisez la conception la plus simple à gérer - la complexité signifie souvent une certaine instabilité. Il ya un grand nombre de modèles ECDL mais le plus simple est le Littrow ^3,5,7,22. Lisez les journaux et décider si une large gamme mode libre-hop (la plage de fréquence sur laquelle la diode peut continuellement affiner sans sauter brusquement à une fréquence différente), une largeur de raie très étroite ou réduite variation de pointage est de la plus grande importance pour l'application. Obtenir autant d'informations que possible avant de commencer la conception ECDL. Souvent, l'ECDL réseau est plus que suffisant pour les applications en physique atomique.
5. Il est important de se rendre compte que les performances d'un PCIE est le plus fortement ancré dans le système électronique qui conduisent le courant de diode et de stabiliser la température du laser. Sans une bonne série de l'électronique la conception mécanique sera sous-performer. Inclus est une comparaison des différents régulateurs de courant et de température dans le tableau 1. Plus le bruit de courant, plus le laser va effectuer ^23.

2. Assemblée

1. Pour les fins de ce document, le point de départ pour l'ensemble ECDL sera un système complet ECDL mécanique monté sur un refroidisseur thermoélectrique (TEC) sans que la fréquence du choix des composants (c.-à-réseau et laser diode).
2. Commencez par placer la diode laser dans son trou de montage respective et fixer à l'aide de son anneau de montage. Attention à ne pas sur-couple la bague de montage. Il devrait être tendu mais pas serré.
3. Avant de raccorder la diode laser à l'alimentation en courant, check la fiche technique de la diode pour l'anode, la cathode et l'affectation des broches de terre. Cela varie de diode à diode et en mettant le courant à travers la diode vers l'arrière le détruira.
   1. Les diodes laser sont des appareils à basse tension, typiquement 5-10 V au maximum, et il faut prendre soin de s'assurer qu'aucun statique est évacué vers eux. Il est de bonne pratique de porter un bracelet de mise à la terre lors de la manipulation des diodes et installer un circuit de protection (par exemple de la figure 2) sur les broches de la diode laser pour éviter des tensions élevées. La diode peut et broches de masse doit être mis à la terre de façon permanente et l'utilisation de fils minces peut aider à réduire le couplage des vibrations mécaniques.
4. Réglez les températures maximales et minimales et les diodes et TEC limites maximales de courant sur le contrôleur de diode selon les valeurs de la feuille de spécification de diode. Si la température minimale de fonctionnement est inférieure au point pour le laboratoire de rosée alors utiliser une température minimale de ~ 2 ° C above point de rosée. Cela permettra d'éviter la condensation.
5. La fiche technique de la diode a généralement un rapport chiffre de la température de longueur d'onde à un courant de diode donnée. Utilisez ce chiffre comme référence pour régler d'abord la température de la diode (et actuelle) pour correspondre à la longueur d'onde d'intérêt. Si une température vs graphique de la longueur d'onde est indisponible régler la température de consigne à température ambiante.
6. Tourner le régulateur de température en marche et laisser la température de se stabiliser.
7. Allumer la diode et transformer le courant vers le haut de sorte que le faisceau de sortie peut être clairement observé avec une carte de visite. Utilisez une carte IR de regarder le faisceau.
8. Insérer la lentille de collimation asphérique et collimater la diode laser en ajustant la distance entre la diode et la lentille. Afin d'assurer une bonne collimation s'assurer que le faisceau a une voie claire, idéalement> 3 m, et d'ajuster la position de l'objectif jusqu'à ce que le diamètre du faisceau juste après l'ECDL et à la fin de la trajectoire du faisceau sont les mêmes, en étant sûr de vérifier que le faisceau is ne pas se concentrer en un point quelconque le long du chemin.
9. Vérifier la polarisation de la diode laser est dans le plan souhaité pour le réseau de diffraction (S ou P). Dans la plupart des cas, la polarisation de la diode est long de l'axe court de la forme du faisceau elliptique mais il est bon de vérifier l'axe de polarisation en utilisant un diviseur de faisceau polarisant.
   1. Si l'axe du faisceau se trouve pas dans le plan désiré, desserrer la bague de montage de diode et la diode tourner jusqu'à ce que l'orientation correcte est obtenue. Certains modèles permettent ECDL cela soit fait avec le laser et connecté à la source de courant et d'autres pas. Si les fils d'alimentation en courant doivent être enlevés pour faire tourner la diode, coupez l'alimentation électrique à la boîte de commande et enlever les fils. Le contrôle de la température peut rester sur PCIE cours de ce processus. N'oubliez pas de toujours porter un bracelet de mise à la terre lors de la manipulation de la diode.
   2. S'il est nécessaire de repositionner la diode répéter l'étape précédente à recollimater la diode.
10. Le plan de diffraction du réseau de diffraction est généralement étiquetée par le fabricant avec une flèche perpendiculaire aux traits du réseau et dans la direction de la réflexion blazé. Double vérifier cela en observant le reflet d'une source de lumière à large bande, comme une ampoule, en fonction de l'angle.
    1. Si le réseau est organisé avec la flèche pointant vers vers l'observateur et une source de lumière à large bande sur la tête, la lumière réfléchie va changer de couleur en fonction de l'angle de réseau.
    2. Monter la grille de sorte que la flèche de retour vers la diode et de réglage ainsi l'angle du réseau varie la longueur d'onde réfléchie dans la diode (Figures 1A et 1B).
11. Une fois que l'orientation de réseau a été confirmée de la colle de la grille sur le bras de réglage PCIE en utilisant de la colle à prise rapide tel que Loctite.

3. Alignement Commentaires

1. Placez une carte de visualisation alignés à la sortie ECDL êtream. Ceci sera utilisé pour surveiller la puissance du laser en tant que des ajustements sont apportés au pointage du faisceau diffracté. Appareil de mesure de puissance peut également être utilisé mais est plus lent, dans sa réponse.
2. Régler le courant de consigne sur le boîtier de commande de diode juste au-dessous du courant de seuil pour les diodes réfléchissantes facettes avant et 1/3 du courant maximal pour enduits AR puces de gain de diodes. Diodes de facettes réfléchissantes avant auront un courant de seuil sur leurs spécifications ou fiches techniques, tandis que AR enduit puces de gain non.
3. Ajustez l'angle du bras réseau à la fois horizontalement et verticalement, pour diriger le faisceau diffracté de nouveau dans la diode, rendant effectivement une cavité de rétroaction externe. Lorsque le faisceau est dirigé dans la diode laser, il y aura une augmentation significative de la puissance de sortie, observable comme une augmentation marquée ou flash lumineux sur une carte d'affichage ou une augmentation spectaculaire de la puissance lorsqu'elle est mesurée en utilisant un mesureur de puissance ou une photodiode.
   1. Une carte de visualisation n'est pas une mesure très quantitative of puissance de sorte qu'il peut être nécessaire de diminuer de manière incrémentielle le courant de la diode laser et réajuster le faisceau de rétroaction jusqu'à ce que le comportement ci-dessus peut être vu dans le courant le plus faible possible.
   2. Réglage de la position de mise au point ou axial lentille de collimation pour optimiser mise au point à la facette de diode peut abaisser le seuil et augmenter la puissance de sortie, après quoi il sera nécessaire d'optimiser de nouveau l'angle du réseau horizontalement et verticalement.

4. Sélection de la fréquence initiale

1. Pour l'alignement de la fréquence initiale du laser d'une longueur d'onde de mesure absolue avec une précision de <1 pm et idéalement <0,1 nm est idéal. Cette mesure de fréquence grossière, il sera beaucoup plus facile de régler la fréquence de laser sur une transition atomique dans une étape ultérieure. Il ya plusieurs options, y compris l'aide d'un ondemètre, un analyseur de spectre optique, spectromètre, ou un monochromateur avec un appareil photo. Assurez-vous d'un dispositif précis calibré est utilisé ou vérifier son calibration par exemple, en utilisant un laser HeNe. En variante, l'ajustement de fréquence grossier peut généralement être réalisé par la marche de l'angle et de courant de réseau tandis que le laser est un balayage jusqu'à ce que l'absorption ou de signal de fluorescence à partir d'une cellule de référence à la vapeur peut être vu.
   1. En général, un faisceau secondaire prélevée à partir de la poutre principale, en utilisant un prisme de verre en forme de coin ou de λ / 2 et la lame d'onde diviseur de faisceau polarisant, sera utilisée comme une entrée pour l'ondemètre. Cette configuration optique est vu dans la figure 1D. Reportez-vous à la Liste des substances pour les matériaux utilisés dans cette démonstration.
2. Ajuster le PCIE jusqu'à la longueur d'onde de sortie souhaitée est obtenue. La diode d'entraînement, la température, la grille de l'angle et de la longueur actuelle de la cavité externe tous affecter la fréquence du laser ²⁴ (figure 3).
   1. Commencez par régler l'angle de réseau, soit à la main ou à l'aide du piézo. En second lieu, d'ajuster le courant de diode.
   2. Si le Freque souhaitéence est le bleu de la plage de balayage de réseau, la température de la diode doit être réduite et vice versa si la longueur d'onde désirée est au rouge.

5. Réglages de fréquence fine et verrouillage de fréquence

1. Mettre en place la spectroscopie d'absorption saturée sur la sortie ECDL en utilisant la configuration de la figure 1F ^3,14,17. L'utilisation d'un isolateur optique immédiatement après que le laser est indispensable (Figure 1C). Il est important d'éviter la rétro-réflexion dans le laser, ce qui peut provoquer une instabilité. La spectroscopie d'absorption saturée en utilisant une cellule de référence, contenant l'atome d'intérêt est un moyen simple pour verrouiller un laser sur une transition atomique étroit ^25.
   1. S'assurer que la cellule de référence est sur un angle à éviter le retour de réflexions et que le rétro miroir réfléchit le faisceau à travers la cellule de vapeur avec un chevauchement maximum. La puissance transmise à double passage peut être contrôlée en utilisant la photodiode en tant que ELongueur d'onde CDL est numérisé.
2. La plupart des contrôleurs de diodes ont une fonction intégrée de balayage qui analyse la longueur d'onde en ajustant la tension de réseau piézo-électrique, et donc l'angle de réseau et la longueur de la cavité externe, ou en modulant le courant de diode. La largeur, de numérisation et de décalage devrait être ajusté la température et le courant de laser jusqu'à ce qu'un signal d'absorption peut être visualisé sur un champ relié au détecteur photo. Lorsque le laser est balayage sur la transition atomique, il devrait être possible de voir le trajet du faisceau laser dans la fluorescence de la cellule en phase vapeur ou clignotent à l'oeil nu ou au moyen d'un viseur d'IR.
3. La puissance par unité de surface dans le faisceau de référence pour la spectroscopie par absorption saturée doit être égale ou supérieure à l'intensité de saturation de la transition atomique. Utilisez la plaque d'onde λ / 2 avant le diviseur de faisceau polarisant pour augmenter la puissance jusqu'à ce qu'un signal d'absorption clair peut être vu. Les calculs des intensités de saturation peuvent être trouvées dans ¹⁶ pieds.
4. Avec le balayage laser sur la transition atomique nm Rb 780, un signal d'absorption large Doppler élargi doit être vu, la largeur ~ 5 GHz, avec plusieurs transitions nettes ~ 10 MHz brûlé dans des pieds ¹⁶ (figure 4). Minimiser l'énergie utilisée pour générer le signal d'absorption saturée est nécessaire de réduire la puissance élargissement et de produire une caractéristique nette pour verrouiller.
5. Afin de verrouiller la fréquence PCIE, un signal d'erreur est nécessaire. En plaçant les enroulements autour de la cellule de référence que sur la figure 5 ¹⁰ et l'oscillation du champ magnétique, les niveaux de Zeeman et donc les fréquences des transitions sont modulées. Dans ce cas, le courant traversant les bobines de Zeeman est modulée autour de 250 kHz avec une amplitude d'environ 1 G.
6. Mélanger le signal d'absorption à partir du détecteur photo absorption saturée avec le signal de modulation du générateur de fonction. Lorsque la sortie du mélangeur est visualisée sur un champ d'application, il devrait être si un signal d'erreurmilar à la figure 4. L'amplitude du signal d'erreur dépend de la phase relative entre les deux signaux mélangés. Tourner le diviseur λ / 4 du faisceau avant que la cellule de vapeur pour régler la phase.
7. Réduire progressivement la plage de balayage et ajuster les décalages pour centrer l'analyse sur la transition d'intérêt sans autres transitions actuelles.
8. Un proportionnel-intégral-dérivé (PID) circuit (par exemple voir MacAdam et al. ³⁾ peut ensuite être utilisé pour verrouiller la longueur d'onde PCIE en utilisant le signal d'erreur. Le gain PID doit être réduite au-dessous du point où la sonnerie est observé par la recherche de la présence de modulation dans le signal d'erreur (par exemple en utilisant un analyseur de spectre à transformée de Fourier ou de la trace de signal d'erreur).

6. Largeur de raie mesure

1. Afin de réaliser une mesure de largeur de ligne précis, il est nécessaire d'avoir soit une source de largeur spectrale étroite connue (autre laser avec linewidth significativement inférieure à la PCIE), deux des mêmes ECDLs ou une ligne à retard de temps par rapport à la longueur de cohérence de la PCIE. Voici deux ECDLs seront brouillés pour mesurer la largeur de raie. En variante, il peut être plus facile de se verrouiller sur une résonance produite par une transition atomique ou une cavité de Fabry-Pérot et en forme de bruit au-dessus de la bande passante de la boucle de verrouillage.
2. Verrouillez les deux lasers à différentes transitions hyperfines, idéalement autour de 100 MHz offset. Cela permettrait de minimiser l'impact du bruit électronique.
3. Mode, la puissance et la polarisation correspondent les deux faisceaux interfèrent entre eux et en même temps en utilisant un mélange 50/50, non polarisant séparateur de faisceau. Aligner le faisceau résultant sur un photodétecteur. La sortie de signal sur le photodétecteur doit être une onde sinusoïdale avec une fréquence de la fréquence du laser deux offset. Il peut être nécessaire d'atténuer ou de défocalisation du faisceau résultant de manière à ne pas endommager ou de saturer la photodiode.
   1. Le chevauchement des deux faisceaux battant déterminera la suite de la frangeRast tel que vu sur un champ d'application au cours de la mesure de la largeur de raie. Si le contraste des franges est pauvre, passer du temps supplémentaire améliorant l'adaptation de mode et le chevauchement des faisceaux sur le diviseur de faisceau et le détecteur. Une bonne méthode consiste à superposer les deux faisceaux utilisant deux iris ", ou des trous d'épingle, séparés par une distance relativement grande, ~ 1 m.
4. Il sera difficile de résoudre les fluctuations de fréquence sur une portée. Pour la meilleure mesure d'utiliser un analyseur de spectre, ce qui donnera un profil Voigt centrée sur la fréquence de battement avec une largeur de raie Δ f, égale à la largeur de raie du laser en convolution (Figure 6). Pour une bonne approximation de la trace peut être adapté à une gaussienne et la largeur de raie obtenue à partir de l'ajustement. Le bruit ou la largeur de raie mesurée dépendra de l'acquisition ou de temps d'intégration, qui peut être réglée en ajustant la largeur de bande de résolution sur l'analyseur de spectre. Pour cette raison, il est important de citer le temps d'intégration en citant le mlargeur de raie esurée.

Résultats

Il ya 5 étapes principales dans l'alignement, le verrouillage de fréquence et de caractériser la largeur de raie de l'ECDL. Ceux-ci sont: l'obtention de la rétroaction à partir du réseau de diffraction, et en utilisant ces pour régler la fréquence PCIE grossière mesurée sur un ondemètre, en observant l'absorption du laser dans la cellule de référence, la visualisation de la transition atomique avec une résolution d'environ la largeur de raie naturelle dans un système de spectroscopie d'absorption saturée, l'obtention d'un signal d'erreur autour de la transition désirée et de verrouillage, et enfin l'observation de la note de battement de deux lasers et de mesure de la largeur de raie du laser. La première étape est terminée avec succès, assez trivialement quand la longueur d'onde relevée sur l'ondemètre correspond à la transition atomique d'intérêt. Lors d'une tentative d'atteindre l'absorption dans la cellule de référence, fluorescence peut être vu le long du trajet du faisceau dans la cellule avec une visionneuse IR lorsque la transition est atteint. Si l'ECDL scanne la cellule se met à clignoter. Un signal d'absorption saturée peut être difficile à repérer EPM n premier alignant parce que les lignes de transmission peuvent être très faibles par rapport au pic d'absorption de l'effet Doppler. Lorsque les pics, semblables à ceux représentés sur la figure 4, on peut voir, le système d'absorption saturée fonctionne correctement. En ajustant les paramètres de la phase de balayage et un signal d'erreur similaire à celui représenté sur la figure 4 doit être obtenue. Afin de mesurer la largeur de raie PCIE il est nécessaire d'obtenir un signal de battement entre les deux faisceaux. Comme les poutres deviennent de plus en plus se chevauchaient une onde sinusoïdale commencera à apparaître, comme on le voit sur une portée d'un détecteur de photo. Gardez alignement jusqu'à ce que le contraste entre les nœuds et des ventres est le plus grand. Lorsque le signal de battement est ensuite passé à travers un analyseur de spectre électronique d'un signal similaire à la figure 6 devrait être considérée. La largeur de raie du laser peut être mesurée à partir de ce signal. L'ensemble du montage optique peut être vu sur la figure 1.

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.. Figure 1 de la configuration complète de l'optique Ceci est un exemple d'une configuration d'optique pour le système complet PCIE discuté de A:. Ceci montre la configuration de Littrow d'un PCIE. Un pourcentage, typiquement de 20 à 30%, du faisceau incident sur le réseau de diffraction est diffracté de nouveau dans la diode. L'angle de diffraction et l'angle de réflexion sont égales. Le réseau de diffraction est monté sur un étage d'accord qui utilise un élément piézo pour contrôler l'angle de réseau B:. Le faisceau de sortie de la diode laser est incident sur ​​le réseau de diffraction à un angle θ avec l'ordre 0 réfléchie par et la diffraction du 1 ^er de commande étant renvoyé le long du trajet du faisceau incident. La longueur d'onde de la lumière diffractée est donnée par λ = 2 d sin (θ) en configuration Littrow C:. Position et orientation de l'optique estolator à réduire les réactions indésirables de la diode laser à D:. Le faisceau de sortie de la boîte de laser passe à travers un λ / 2 et la lame d'onde du PBS et est alignée à l'ondemètre. La puissance dans les faisceaux réfléchis et transmis peut être ajustée en faisant tourner la lame d'onde E:. Ligne de faisceau utilisé pour l'expérience. Cette ligne contient la majorité de la puissance du laser F:. Passez un faisceau de référence égale ou supérieure à l'intensité de saturation par une PBS, λ / 4 lame d'onde, cellule de gaz de référence, et rétro reflètent en arrière sur la PBS. Il est important que les deux faisceaux sont ainsi recouvertes pour obtenir la spectroscopie de saturation correspondant. La lame d'onde assurera la polarisation de la lumière sur le rétro faisceau réfléchi sera tourné de 90 ° par rapport au faisceau incident qui lui permet de quitter le port en face du diviseur de faisceau. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 2. Circuit de protection de diode laser. Du circuit de protection de l'exemple pour le courant de la diode laser. R 1 et C 1 forment un circuit de base RC et vont filtrer les bruits de haute fréquence. D 1 et D 2 sont des Schottky et diodes Zener, respectivement. La diode Schottky, qui a un temps de réponse rapide, est en place pour protéger contre les tensions inverses, et la diode Zener, qui a un temps de réponse plus lente, est conçu pour permettre au courant de passer, si au-dessus de la tension maximale de fonctionnement des diodes laser, ce qui évite nuire à la diode laser. Les valeurs typiques pour les composants seront en R 1 = 1 Ω, C 1 mF = 1, D = 1, 30 V, D 2 = 6 V. Les valeurs choisies pour R1 et C1 limite la largeur de bande de modulation du courant de la diode. Ceci peut être inférieure àidéale si un signal d'erreur est produit par modulation du courant à la place de la modulation Zeeman discuté.

. Figure 3 concurrentes modes dans un ECDL verts:.. Largeur de ligne de commande de réseau de diffraction ≈ 50 GHz en fonction de la grille solide rouge: La mode de la cavité interne d'une diode laser avec une largeur de ligne ≈ 10 MHz et la gamme spectrale libre ≈ 80 GHz . tiret rouge: La cavité interne d'une diode enduit anti-reflet. Ces diodes ont une largeur de ligne de l'ordre de nm Bleu:. Modes de cavité externe avec une largeur de ligne de ≈ 500 kHz et une plage spectrale libre de ≈ 5 GHz. De 3 cm de long cavité externe. Réglage de l'angle de réseau se déplacera le centre de la courbe verte et si multanément changer la longueur de la cavité externe à son tour passer la courbe bleue ainsi. Réglage du courant de diode et de la température passera les courbes rouges.

.. Figure 4 spectroscopie d'absorption saturée et le signal d'erreur correspondant Pour Rubidium 87 Basse Curve:. Des pics d'absorption saturées sur le pic d'absorption Doppler beaucoup plus large formé de spectroscopie Doppler libre. Courbe supérieure: signal d'erreur pour le système d'absorption saturé correspondant. Les étiquettes au-dessus du signal d'erreur correspondent à la transition atomique (F → F ').

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Figure 5. Zeeman bobine. Bobine enroulée autour d'une cellule de vapeur de rubidium utilisé dans la modulation Zeeman.

Figure 6. Largeur de raie laser. Signaux acquis auprès d'un analyseur de spectre de la note de battement formé par deux lasers similaires. Dans la figure, le battement a une fréquence de 206,24 MHz et une largeur de raie de 0,3 MHz avec un temps d'intégration de 20 ms.

Contrôles en cours	Gamme	Bruit
Thor Labs:
LDC200CV	0-20 mA	<1 uA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU	0-100 mA	<0,2 pA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C	0-200 mA	<1,5 pA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C	0-500 mA	<3 uA (10 Hz -1 MHz)
Moglabs:
DLC-202	0-200 mA	<300 pA / √ Hz
DLC-252	0-250 mA	<300 pA / √ Hz
DLC-502	0-500 mA	<300 pA / √ Hz
Stanford Research Systems:
LDC500	0-100 mA	<0,9 pA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	<4,5 pA RMS (10 Hz -1 MHz)
Toptica:
DCC 110/100	0-100 mA	200 nA RMS (5 Hz-1 MHz)
DCC 110/500	0-500 mA	1 pA RMS (5 Hz-1 MHz)
Régulateurs de température
Thor Labs:
TED200C	-45 À 145 ° C	± 2 mK
Moglabs:
DLC-202	-40 À 50 ° C	± 5 mK
DLC-252	-40 À 50 ° C	± 5 mK
DLC-502	-40 À 50 ° C	± 5 mK
Stanford Research Systems:
LDC500	-55 À 150 ° C	± 2 mK
LDC501	-55 À 150 ° C	± 2 mK
Toptica:
DTC 110	0 à 50 ° C	± 2 mK

Tableau 1. Diode actuelle et régulateurs de température. Diodes les contrôleurs de courant et de température de différentes sociétés avec leurs plages et les niveaux de bruit.

Discussion

Cette publication a montré comment passer d'une ECDL démonté par l'alignement et le verrouillage de fréquence pour produire une mesure de la largeur de raie du laser. La conception mécanique et la conception des appareils électroniques tels que les servos PID, les pilotes de diodes et des régulateurs de température est trop spécialisées pour être discuté ici, mais ont été examinés de manière approfondie dans les publications référencées ^1,3,5.

Bien que ECDL diode est ainsi devenue un aliment de base dans les laboratoires de physique atomique, les espèces et les transitions que ces dispositifs peuvent atteindre est limitée. Beaucoup de progrès ont été réalisés dans l'élargissement de la gamme de longueur d'onde de diodes lasers à base de mais a de nombreuses lacunes demeurent en particulier dans l'UV. limitations de puissance de DLCE continuent de restreindre leurs applications. Bare diodes monomodes ont une puissance de μWatts à 100 de mWatts. De plus, les amplificateurs coniques peuvent être ajoutés à un système PCIE pour augmenter la puissance totale du laser monomodejusqu'au niveau Watt. Si les puissances monomodes beaucoup plus qu'un Watt ou d'autres longueurs d'onde sont nécessaires architectures laser alternatives sont nécessaires. Il s'agit notamment des lasers à fibre ^26, les lasers à l'état solide ²⁷ tels que les lasers TiSaph ou ils peuvent compter sur la conversion de fréquence non linéaire des processus ²⁷ tels que les lasers Raman, mélange à quatre ondes, génération de fréquence somme, ou un oscillateur paramétrique optique.

Cette publication met l'accent sur un mécanisme de verrouillage qui dépend d'une cellule de vapeurs atomiques. Pour de nombreuses applications en physique atomique une cellule de vapeur en verre simple, tel que discuté ici, peut ne pas être disponible, comme c'est le cas pour des espèces comme Yb. De nombreuses autres techniques permettant d'obtenir un échantillon de référence avec une variété d'espèces ont été démontrés comme par faisceaux atomiques chaudes, des lampes à décharge de gaz, des cellules de mémoire tampon, les cellules de l'iode, et des cellules de pulvérisation.

Cette conception de système de laser est intrinsèquement limitée à des largeurs de ligne de ≈ 30 kHz ²8 et habituellement proche de 100 kHz. Si l'application nécessite un plus étroites largeur de raie d'autres techniques de stabilisation ou laser alternatif conçoit ²⁶ sont obligatoires.

Pour travailler avec des systèmes optiques, la propreté est de la plus haute importance. Il est de bonne pratique lors de la première étant introduit à l'optique et à la manipulation de porter des gants pour éviter de toucher accidentellement la surface optique. Si un élément optique est rayé, il ne doit pas être utilisé dans un système de laser. Dans la plupart des cas, l'optique avec des impressions ou des poussières doigts peuvent être nettoyés avec de l'acétone ou de l'air comprimé respectivement. Toute imperfection dans une surface optique peut et va introduire des pertes et éventuellement du bruit dans le système. montures optiques doivent être fixés au banc d'optique en tout temps et doivent être fermement boulonnés une fois en place.

Lors de l'alignement optique tels que lames d'onde et séparateurs de faisceau polarisants, assurer la lumière est incidente près perpendiculaire à la surface optique tout avoIding réflexions retour dans le laser. Comme l'angle d'incidence s'écarte de 90 ° par le comportement de ces éléments optiques devient de plus en plus d'être idéale. Afin de minimiser l'aberration et de maximiser poutres d'ouverture numérique doit toujours voyager à travers le centre de lentilles et être perpendiculaire à la lentille. A l'inverse, une cellule à vapeur doit être placé à un léger angle par rapport au faisceau incident afin d'éviter les effets d'étalon. Pour cette raison, de nombreuses cellules de vapeur sont fabriqués avec des facettes d'extrémités non parallèles.

Les lasers utilisés ici sont la classe 3B. Même les réflexions parasites ont le potentiel pour des lésions oculaires. Travailler avec des lasers de ce type ne doit être effectué par un personnel qualifié et familier avec les dangers des lasers. des lunettes de sécurité laser doivent être portés en tout temps. Ne regardez jamais directement sur le chemin de toute laser pour l'alignement optique et de prendre un soin particulier pour éviter de générer des reflets spéculaires dangereux hors composants optiques. Terminez toujours positive lignes de faisceaux USIng une décharge de faisceau.

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser Diode (Rubidium, 780 nm)	Roithner	ADL-78901TX	Various wavelengths, powers, case sizes, and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)
Diffraction Grating (Rubidium, 780 nm)	Newport	05HG1800-500-1	Holographic or rullered  (Optional blazing) (Thor Labs, Newport)
Viewing Card	Thor Labs	VRC5	Infrared 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	Infrared viewer