Costruzione e caratterizzazione di cavità esterne diodi laser per la Fisica Atomica

Riepilogo

Questa è una carta didattico per guidare la costruzione e la diagnostica di laser a diodi esterni cavità (ECDLs), compresa la selezione dei componenti e allineamento ottico, nonché le basi della spettroscopia riferimento di frequenza e larghezza di riga laser misurazioni per applicazioni nel campo della fisica atomica.

Abstract

Dal momento che il loro sviluppo alla fine del 1980, a buon mercato, i laser affidabili cavità diodi esterni (ECDLs) hanno sostituito complesse e costose colorante tradizionale e laser titanio zaffiro come il laser cavallo di battaglia di laboratori di fisica atomica ^1,2. La loro versatilità e l'uso prolifico tutta fisica atomica in applicazioni quali la spettroscopia di assorbimento e il raffreddamento laser ^1,2 rende imperativo per gli studenti in entrata di acquisire una solida conoscenza pratica di questi laser. Questa pubblicazione si basa sul lavoro seminale da Wieman ^3, l'aggiornamento dei componenti, e fornendo un video tutorial. Sarà descritta la caratterizzazione di installazione, chiusura frequenza e le prestazioni di un ECDL. Discussione di selezione dei componenti e il corretto montaggio di entrambi i diodi e grate, i fattori che influenzano la selezione della modalità all'interno della cavità, corretto allineamento di feedback esterno ottimale, la configurazione ottica per misure di frequenza sensibili grossolana e fine, una breve panoramica di locki lasertecniche di NG, e misure LineWidth laser sono inclusi.

Introduzione

Misurazione e manipolare lo stato quantistico di atomi è al centro di fisica atomica e richiede la capacità di affrontare le transizioni specifici tra stati elettronici atomici. Ad esempio si consideri rubidio, un tipico e molto atomo alcalino usato. Qui, la lunghezza d'onda della luce accoppiare terra e primo stato elettronico eccitato è ~ 780 nm (384 THz) e la durata di vita dello stato eccitato a causa di emissione spontanea è ~ 26 nsec dando una linewidth assorbimento di 6 MHz ^4. Così, una sorgente luminosa con stabilità di frequenza di almeno una parte in 108 è necessaria per affrontare affidabile questa transizione.

Prima dello sviluppo di ECDLs, laser a colorante e laser titanio Sapphire sono stati in genere utilizzato per la fisica atomica. Questi sono grandi, costosi, complessi sistemi che offrono un guadagno ottico su un'ampia larghezza di banda e quindi possono essere sintonizzati per sovrapporre una transizione atomica. La possibilità di sostituire questi guadagno media con un buon mercato, semplice diodo laser progettati with un bandgap corrispondente alla lunghezza d'onda desiderata è stata riconosciuta nei primi anni 1980 ^1,2. Semplice, facile da costruire disegni che raggiungono 100 linewidths kHz sono state ben comprese e luogo comune dai primi anni 1990 ^3,5,6. Molte configurazioni e disegni differenti sono stati dimostrati ognuna con vantaggi e svantaggi. Probabilmente le configurazioni più comuni sono i Littrow ^3,5,7,8 e Littman 9 configurazioni. Questa discussione si concentra sul semplice, la configurazione Littrow mostrato nella Figura 1A.

Un certo numero di meccanismi di sintonia vengono contemporaneamente utilizzato per ottenere una elevata precisione della frequenza laser. In primo luogo, un diodo è richiesto con un bandgap produrre guadagno sufficiente alla lunghezza d'onda desiderata ad una temperatura di esercizio realizzabile. Il tipico diodo laser avrà un guadagno di diversi nanometri (THz). In secondo luogo, un reticolo di diffrazione riflettente è angolo connesso per fornire un feedback ottico nel diodo al desideratolunghezza d'onda. A seconda del reticolo, il diodo, la lente di focalizzazione utilizzato e il loro allineamento, il reticolo selezionerà una gamma di frequenza tipicamente 50-100 GHz. Il laser oscillerà alla lunghezza d'onda di risonanza con la cavità laser esterno (tra la faccetta posteriore diodo e il reticolo). Ottimizzazione questa lunghezza della cavità attraverso una lunghezza d'onda consente al laser di essere sintonizzato su una gamma spettrale libera (c / (2 L)) intorno al picco guadagno reticolo dove c è la velocità della luce e L è la lunghezza della cavità, tipicamente 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). Quando due modi di cavità sono una lunghezza d'onda analoga dalla vetta grata di feedback della lunghezza d'onda del laser può funzionare multimodale. Poiché la modalità cavità oscillante è sintonizzato più lontano dalla vetta di guadagno rispetto al suo modo vicina al laser volontà modalità hop limitando la gamma di sintonia. Il comportamento dei modi di cavità rispetto alla modalità reticolo può essere visto in Figura 3. L'intervallo di sintonia libera modalità hop è una metrica di prestazioni chiave per un ECDL. Con sintonizzazione simultanea l'angolo griglia e la lunghezza della cavità è possibile sintonizzare continuamente in molti campi spettrali libera senza modalità luppolo, facendo riferimento e bloccaggio di caratteristiche spettrali molto più facile ^8. Taratura elettronica della lunghezza del cammino ottico della cavità di bloccaggio può essere ottenuto mediante una combinazione di sintonizzare l'angolazione / posizione reticolo utilizzando un attuatore piezoelettrico (Figura 1A) (larghezza di banda scansione ~ 1 kHz) e la regolazione della corrente diodo che modula principalmente la rifrazione indice del diodo (larghezza di banda scansione ≥ 100 kHz). Utilizzando diodi laser anziché antiriflesso (AR) chip guadagno rivestiti per il mezzo di guadagno aggiunge la complicazione aggiuntiva di aggiunta del diodo laser risposta cavità interna che può avere una tipica gamma spettrale libera di 100-200 GHz. In questo caso la cavità deve essere sintonizzato temperatura in corrispondenza della risposta dal reticolo. Utilizzando un diodo laser piuttosto che un chip di guadagno AR rivestito ridurrà drasticamente la modalità hop libero tgamma Sintonia se non c'è un mezzo per sincrono sintonizzare la corrente del diodo o la temperatura. Infine, per realizzare una larghezza di riga migliore di 100 kHz attenzione deve essere posta eliminare altre sorgenti di rumore. Questo richiede un'attenta progettazione meccanica dei supporti per minimizzare la vibrazione acustica, la stabilizzazione della temperatura livello mK, corrente efficace stabilità del diodo a livello ≤ 30 nA e accurata sintonizzazione del guadagno di tutti i cicli di bloccaggio ^10. Selezionando l'elettronica corretti per l'applicazione è altrettanto importante quanto il laser e l'ottica di progettazione. Un elenco di controller e specifiche diodo può essere trovato nella tabella 1.

Una volta lasing stabile è stato raggiunto, il requisito successivo è quello di bloccare la frequenza del laser di un riferimento come una transizione atomica, una cavità ottica o altro laser. Questo elimina gli effetti di derive lente come piccole variazioni di temperatura, eliminando sostanzialmente il rumore per le frequenze connella banda passante del loop di bloccaggio. Ci sono una miriade di tecniche che sono state sviluppate per ottenere un segnale di errore, ognuna adatta per un particolare sistema di riferimento di bloccaggio. Un segnale di errore di fase bloccaggio due laser può essere ottenuta miscelando i due laser su un divisore di fascio. Pound-Drever sala ¹¹ o tilt-blocco ¹² può essere utilizzato per bloccare una cavità. Per bloccare ad una linea di assorbimento atomico DAVLL ¹³ o spettroscopia di assorbimento saturi ^3,14 in combinazione con modulazione di corrente ^10, modulazione Zeeman ^10, o tilt-blocco ¹⁵ può essere utilizzato.

Il bloccaggio di un ECDL per una transizione rubidio con modulazione Zeeman di assorbimento saturato in una cella di vapore sarà descritto qui. Se un raggio bassa intensità passa attraverso una cella di vapore di rubidio a temperatura ambiente e la frequenza viene sintonizzata in prossimità del 780 nm transizione atomico un numero di Doppler ampliato caratteristiche di assorbimento un'ampia ~ 500 MHzsi osserverà piuttosto che l'ampia larghezza di riga naturale 6 MHz (calcoli per linewidths naturali e Doppler possono essere trovati in piede ^16). Se, tuttavia, questo raggio viene riflesso retro, il secondo passaggio avrà meno assorbimento sulla risonanza come atomi con una velocità longitudinale a zero già parzialmente eccitata dal primo passaggio ^17. Altre frequenze verranno assorbite da diverse popolazioni di velocità ad ogni passaggio e quindi l'assorbimento non saranno saturati. In questo modo una funzione di trasmissione risulta sovrapposto al assorbimento Doppler ampliato a transizioni con una larghezza circa la larghezza di riga naturale può essere ottenuto. Questo fornisce un forte frequenza di riferimento assoluto per bloccare a. La frequenza della transizione atomica può essere modulata usando l'effetto Zeeman mediante dithering la grandezza di un campo magnetico nella cella di riferimento. Un campo magnetico omogeneo adatto può essere prodotto mediante un solenoide configurazione come mostrato in Figura 5. Elettronicamente miscelazionela forma d'onda modulata con la trasmissione assorbimento saturo genera un segnale di errore che può essere utilizzato per regolare la corrente del diodo ed integrato per regolare la tensione piezo. Così, il laser può essere bloccata per la transizione senza dover modulare la frequenza del laser.

La larghezza di riga di un ECDL viene generalmente misurata interferendo due laser di frequenza bloccato dello stesso tipo su un divisore di fascio ^18. La frequenza di battimento tra i laser viene misurata utilizzando un fotodiodo veloce ed un analizzatore di spettro RF. Lo spettro di rumore oltre la larghezza di banda anello di bloccaggio viene poi montato su un Voigt (convoluzione di una gaussiana e Lorentzian) profilo. Il rumore dai diversi laser aggiungere in quadratura. Nel caso di due laser equivalenti questo dà una larghezza di riga attrezzata di √ (2) volte la larghezza di riga singolo laser. Se un laser è disponibile con una larghezza di riga noto significativamente inferiore a quella prevista dalla ECDL ed è all'interno della gamma di sintonia del ECDL, che poi potrebbe essere utilizzato al posto. Un altro metodo comunemente usato per misurare la larghezza di riga è ritardato sé omodina tecnica ^19,20 dove una parte del fascio viene inviato lungo una linea di ritardo ottica quale una fibra e poi miscelato su un divisore di fascio con il laser. Questa tecnica si basa sul ritardo maggiore della lunghezza di coerenza del laser sotto misura. Questo funziona bene per i laser rumorosi, ma per un laser a 100 kHz linewidth la lunghezza di coerenza è di circa 3 km, che inizia a diventare impraticabile. In alternativa, una transizione atomica in una cella di assorbimento saturo o una cavità Fabry-Perot può essere utilizzato per fornire un riferimento di frequenza per la misurazione linewidth laser. In questo sistema la frequenza del laser dovrà sedersi in una porzione lineare di etere un assorbimento saturo o Fabry-Perot risonanza anziché consentito per la scansione in frequenza. Misurando il rumore del segnale su un fotodiodo e conoscendo la larghezza di riga di risonanza, il rumore di frequenza può essere trovato. Il limite inferiore del limisurazione newidth viene quindi limitata dalla pendenza della risonanza trasmissione.

La presenza di alti modi di ordine emissione di laser può essere controllata cercando in rumore intensità alla frequenza del campo spettrale libera utilizzando un analizzatore di spettro RF o utilizzando una scansione Fabry-Perot o un analizzatore di spettro ottico con una risoluzione maggiore spettrale libera gamma della ECDL. La gamma di sintonia grossolana può essere misurata misurando la potenza in funzione della lunghezza d'onda (utilizzando un wavemeter, monocromatore, o analizzatore di spettro ottico) mentre il laser sintonizzazione di tutti i suoi limiti utilizzando la grata. La gamma di sintonizzazione libera modalità hop viene generalmente misurata utilizzando una scansione Fabry-Perot cui una modalità hop può essere rilevato come un salto discontinuo in frequenza.

Protocollo

1. Selezione dei componenti

1. Selezionare un diodo alla lunghezza d'onda appropriata per l'atomo di interesse. È fondamentale che il diodo selezionata essere monomodale (SM e ha una potenza sufficiente per l'applicazione. Un diodo di rivestimento antiriflesso è ideale. Questi diodi non sarà lase senza l'aggiunta di una cavità esterna e sono progettati esplicitamente per il funzionamento ECDL. Hanno significativamente migliori prestazioni, in particolare per applicazioni in cui la scansione della lunghezza d'onda del laser è importante. Il diodo laser utilizzato qui è presente nella lista dei materiali).
   Come in MacAdam et al. ^3, la ECDL deve essere progettato per adattarsi strettamente diodo e una lente di collimazione. Stabilità meccanica e contatto termico sono fondamentali per il buon funzionamento del laser. Per facilità di costruzione e lavorazione minima, il successo è stato aveva utilizzato montare un diodo laser con il tubo ottica integrata (Elenco dei materiali).
2. Selezionare una lente per collimare il diodo. EssoÈ importante che l'apertura numerica comparabile o maggiore della apertura numerica del diodo altrimenti ci saranno perdite sostanziali. La maggior parte dei diodi hanno una apertura numerica elevata (> 0,5) e richiedono lenti asferiche, altrimenti aberrazioni provocheranno molto bassa efficienza feedback. Assicurarsi che la lente è antiriflesso alla lunghezza d'onda di funzionamento, scegliere una lente con una lunghezza focale di aumentare le dimensioni del fascio sulla grata e una lunghezza d'onda di design vicino alla lunghezza d'onda per ridurre l'aberrazione. Fare riferimento alla Lista dei Materiali per l'obiettivo utilizzato nel sistema dimostrata.
3. Selezionare il reticolo esterno appropriato per la gamma di frequenza del diodo laser e il braccio di messa a punto angolo al centro reticolo. La lunghezza d'onda della luce diffratta nel primo ordine, configurazione Littrow, è data da λ = 2 d sin (θ), dove d è la spaziatura reticolo, θ è l'angolo di incidenza reticolo e λ lalunghezza d'onda ²¹ (Figura 1B). Ci sono due tipi principali di reticolo di diffrazione, olografiche e governato, ed entrambi possono essere aperte o meno. A seconda del tipo di reticolo potenza diffratto può variare sostanzialmente. Obiettivo per un reticolo olografico con un rendimento di diffrazione tra 20-30%. Fare riferimento alla lista di materiali per l'reticolo utilizzato nel sistema dimostrata.
4. Utilizzare il disegno più semplice da gestire - la complessità spesso significa instabilità. Ci sono un gran numero di disegni ECDL, ma il più semplice è il Littrow ^3,5,7,22. Leggere le carte e decidere se una vasta gamma libera modalità hop (la gamma di frequenza su cui il diodo può continuamente brano senza improvvisamente saltare a una frequenza diversa), una larghezza di riga molto stretta o variazione di puntamento ridotta è di massima importanza per l'applicazione. Ottenere quante più informazioni possibili prima di iniziare la progettazione ECDL. Spesso il reticolo ECDL è più che sufficiente per applicazioni in fisica atomica.
5. È importante rendersi conto che le prestazioni di un ECDL è più fortemente radicato nell'elettronica che guidano la corrente del diodo e stabilizzano la temperatura del laser. Senza un buon set di elettronica della progettazione meccanica si esibirà sotto. Incluso è un confronto di diversi regolatori di temperatura e corrente nella Tabella 1. Basso è il rumore di corrente, migliore è il laser si esibiranno ^23.

2. Assembly

1. Ai fini del presente documento il punto di partenza per l'assemblaggio ECDL sarà un completo sistema meccanico ECDL montato su un raffreddatore termoelettrico (TEC) senza la frequenza scelta dei componenti (cioè diodo reticolo e laser).
2. Iniziare mettendo il diodo laser nel rispettivo foro di montaggio e fissarlo utilizzando il suo anello di montaggio. Fare attenzione a non sovra-coppia l'anello di montaggio. Dovrebbe essere aderente ma non stretto.
3. Prima di collegare il diodo laser per l'alimentazione di corrente, il Check la scheda tecnica diodo per l'anodo, catodo e le assegnazioni dei pin di terra. Questo varia da diodo a diodo e conclude la corrente attraverso il diodo indietro la distruggerà.
   1. I diodi laser sono dispositivi a bassa tensione, tipicamente 5-10 V massimo, e la cura deve essere presa per garantire che non statica viene scaricata a loro. E 'buona norma indossare un braccialetto di messa a terra quando si maneggia diodi e installare un circuito di protezione (ad esempio, figura 2) attraverso i perni di diodi laser per evitare tensioni elevate. Il diodo può e pin di terra deve essere messa a terra in modo permanente e l'uso di fili sottili può aiutare a ridurre l'accoppiamento di vibrazioni meccaniche.
4. Impostare le temperature massime e minime e le massime diodo e TEC attuali limiti sul controller del diodo secondo i valori nella scheda tecnica diodo. Se la temperatura minima di funzionamento è inferiore al punto di rugiada per il laboratorio quindi utilizzare una temperatura minima di ~ 2 ° C ABOve punto di rugiada. Ciò eviterà la formazione di condensa.
5. Il foglio di specifiche diodo di solito ha una lunghezza d'onda vs figura temperatura in un dato corrente diodo. Utilizzare questa cifra come riferimento per impostare inizialmente la temperatura del diodo (e corrente) in base alla lunghezza d'onda di interesse. Se una temperatura vs grafico lunghezza d'onda non è più disponibile regolare la temperatura impostata a temperatura ambiente.
6. Girare il regolatore di temperatura e attendere che la temperatura si stabilizzi.
7. Accendere il diodo e ruotare la corrente in modo che il raggio di uscita può osservare chiaramente con una scheda di visualizzazione. Utilizzare una scheda IR di vedere il raggio.
8. Inserire il collimatore asferica e collimare il diodo laser regolando la distanza tra il diodo e la lente. Al fine di garantire una buona collimazione assicurarsi che il fascio ha un percorso chiaro, idealmente> 3 m, e regolare la posizione dell'obiettivo finché il diametro del fascio appena dopo l'ECDL e alla fine del percorso del fascio sono uguali, avendo cura di verificare che I fascios non messa a fuoco in qualsiasi punto lungo il percorso.
9. Controllare la polarizzazione del diodo laser è nel piano desiderato per il reticolo di diffrazione (S o P). Nella maggior parte dei casi la polarizzazione del diodo è lungo l'asse corto della forma del fascio ellittica, ma è buona norma verificare la polarizzazione asse mediante un divisore di fascio polarizzante.
   1. Se l'asse del fascio non è nel piano desiderato, allentare l'anello di montaggio diodo e ruotare il diodo fino ad ottenere il corretto orientamento. Alcuni disegni ECDL permettono che ciò avvenga con il laser e collegato alla sorgente di corrente e altri no. Se i fili di alimentazione di corrente devono essere rimossi per ruotare il diodo, spegnere l'alimentazione di corrente nella casella di controllo e rimuovere i cavi. Il controllo della temperatura ECDL può rimanere attivo durante questo processo. Ricordatevi di indossare sempre un braccialetto antistatico quando si maneggia il diodo.
   2. Se è stato necessario riposizionare il diodo ripetere il passaggio precedente per recollimate diodo.
10. Il piano di diffrazione del reticolo è di solito etichettato dal produttore con una freccia perpendicolare alle linee di reticolo e nella direzione della riflessione apripista. Controlli due volte questa osservando la riflessione da una sorgente di luce a larga banda, ad esempio una lampadina, in funzione dell'angolo.
    1. Se il reticolo è tenuto con la freccia che punta verso l'osservatore e un'ampia sorgente luminosa banda sopra la testa, la luce riflessa cambia colore in funzione della inclinazione delle strisce.
    2. Montare la griglia in modo che la freccia verso il diodo e regolando così l'inclinazione delle strisce varia la lunghezza d'onda riflessa indietro nel diodo (Figure 1A e 1B).
11. Una volta che l'orientamento della griglia è stata confermata la colla la griglia sul braccio di sintonizzazione ECDL utilizzando la colla a presa rapida come Loctite.

3. Risposte Allineamento

1. Inserire una scheda di visualizzazione allineato all'uscita ECDL esseream. Questo verrà utilizzato per controllare la potenza del laser come rettifiche vengono apportate al puntamento del fascio diffratto. Un misuratore di potenza potrebbe anche essere usato ma è più lento nella risposta.
2. Regolare la corrente impostata sulla scatola di controllo diodo a poco sotto l'attuale soglia per riflettenti diodi sfaccettatura anteriori e 1/3 la corrente massima per AR rivestiti diodo guadagno chips. Riflettenti diodi faccette anteriori avranno una corrente di soglia sulle loro specifiche o di dati fogli, mentre AR rivestito chip guadagno non lo fanno.
3. Regolare l'angolo del braccio reticolo sia orizzontalmente che verticalmente, per dirigere il fascio diffratto indietro nel diodo, rendendo efficacemente una cavità feedback esterno. Quando il raggio viene diretto nella diodo laser ci sarà un significativo aumento della potenza di uscita, come osservabile un marcato aumento o brillante flash su una scheda di visualizzazione o un drammatico aumento di potenza quando misurata con un misuratore di potenza o fotodiodo.
   1. Una scheda di osservazione non è una misura molto quantitativa of potere quindi potrebbe essere necessario ridurre gradualmente la corrente del diodo laser e regolare nuovamente il fascio risposte finché il problema di cui sopra può essere visto al corrente più conveniente.
   2. Regolazione della lente di collimazione fuoco o assiale grado di ottimizzare concentrandosi nella sfaccettatura diodo può abbassare ulteriormente la soglia e aumentare la potenza di uscita, dopo di che sarà necessario reoptimize l'inclinazione delle strisce orizzontalmente e verticalmente.

4. Selezione frequenza iniziale

1. Per l'allineamento di frequenza iniziale del laser una misura assoluta della lunghezza d'onda con una precisione di <1 nm e preferibilmente <0,1 nm è ideale. Questa misura di frequenza grossolana renderà molto più facile per sintonizzare la frequenza del laser su una transizione atomica in un passaggio successivo. Ci sono molte opzioni tra cui utilizzando un wavemeter, un analizzatore di spettro ottico, spettrometro, o un monocromatore con una macchina fotografica. Assicurarsi che un dispositivo preciso calibrato viene utilizzato o controllare la sua calibration per esempio, utilizzando un laser HeNe. In alternativa, la regolazione della frequenza grossolana solito può essere realizzato percorrendo la inclinazione delle strisce e corrente mentre il laser è scansione fino un assorbimento o segnale di fluorescenza da una cella di riferimento vapore può essere visto.
   1. Generalmente un raggio secondario pinzato dal fascio principale, usando un prisma cuneo vetro o λ / 2 waveplate e divisore di fascio polarizzante, saranno utilizzati come ingresso per il wavemeter. Questa configurazione ottica è visto in Figura 1D. Fare riferimento alla Lista dei Materiali per i materiali utilizzati in questa dimostrazione.
2. Regolare l'ECDL fino ad ottenere la lunghezza d'onda di output desiderato. Il diodo di guida corrente, temperatura, griglie angolo e la lunghezza della cavità esterna saranno tutti influenzare la frequenza del laser ²⁴ (Figura 3).
   1. Iniziare regolando l'inclinazione delle strisce, a mano o utilizzando il piezo. In secondo luogo, regolare la corrente del diodo.
   2. Se la freque desideratoncy è al blu del range di scansione reticolo, la temperatura diodo deve essere ridotta e viceversa se la lunghezza d'onda desiderata è al rosso.

5. Regolazioni di frequenza Belle e blocco di frequenza

1. Montato spettroscopia di assorbimento saturo sull'uscita ECDL utilizzando la configurazione in Figura 1F ^3,14,17. L'uso di un isolatore ottico immediatamente dopo il laser è essenziale (Figura 1C). È importante evitare indietro riflessione nel laser, che può causare instabilità. Spettroscopia di assorbimento saturato con una cella di riferimento, che contiene l'atomo di interesse è un modo semplice per bloccare un laser a uno stretto passaggio atomico ^25.
   1. Garantire la cella di riferimento è su un angolo di evitare riflessi indietro e che lo specchio retro riflette il fascio indietro attraverso la cella di vapore con la massima sovrapposizione. Il passaggio trasmessa potenza doppia può essere monitorato tramite il fotodiodo come ELunghezza d'onda CDL viene sottoposto a scansione.
2. La maggior parte dei controllori diodo avranno un costruito in funzione di scansione che esegue la scansione della lunghezza d'onda regolando la tensione reticolo piezo e quindi l'inclinazione delle strisce e lunghezza della cavità esterna o modulando la corrente del diodo. La larghezza, scan offset e temperatura del laser e la corrente deve essere regolato fino a un segnale di assorbimento può essere visualizzato su un oscilloscopio collegato al sensore fotografico. Quando il laser è scansione sulla transizione atomica dovrebbe essere possibile vedere il percorso del raggio laser in fluorescenza cella di vapore o lampeggiare ad occhio nudo o attraverso un visore IR.
3. La potenza per unità di superficie del fascio di riferimento per spettroscopia di assorbimento saturo deve essere uguale o superiore all'intensità saturazione per la transizione atomica. Utilizzare la piastra d'onda λ / 2 prima divisore di fascio polarizzante per aumentare la potenza fino a quando un segnale di assorbimento chiaro può essere visto. Calcoli di intensità di saturazione possono essere trovati in piede ^16.
4. Con la scansione laser sulla 780 nm Rb transizione atomica, un ampio segnale assorbimento ampliato Doppler va visto, ~ 5 larghezza GHz, con diverse transizioni taglienti ~ 10 MHz bruciato nel piede ¹⁶ (Figura 4). Minimizzare la potenza utilizzata per generare il segnale di assorbimento saturato è necessario ridurre la potenza ampliamento e produrre Funzione nitida per bloccare a.
5. Per bloccare la frequenza ECDL, è necessario un segnale di errore. Inserendo spire attorno cella di riferimento come nella Figura 5 ¹⁰ e l'oscillazione del campo magnetico, i livelli Zeeman e quindi le frequenze delle transizioni sono modulati. In questo caso la corrente che passa attraverso le bobine Zeeman è modulata a circa 250 kHz con una grandezza di ~ 1 G.
6. Mescolare il segnale assorbimento dal fotorivelatore assorbimento saturato con il segnale di modulazione dal generatore di funzioni. Quando l'uscita dal miscelatore viene visualizzato su un ambito dovrebbe essere un segnale di errore SImilar alla figura 4. L'ampiezza del segnale di errore dipenderà dalla fase relativa tra i due segnali misti. Ruotare la λ / 4 beam splitter prima cella vapore per regolare la fase.
7. Ridurre progressivamente la gamma di scansione e regolare gli offset per centrare la scansione sulla transizione di interesse con nessun altro transizioni presenti.
8. Un circuito proporzionale-integrale-derivativa (PID) (per esempio vedere MacAdam et al. ³⁾ può quindi essere utilizzato per bloccare la lunghezza d'onda ECDL utilizzando il segnale di errore. Il guadagno PID deve essere ridotto al di sotto del punto in cui suoneria si osserva, cercando la presenza di modulazione del segnale di errore (ad esempio utilizzando un analizzatore di spettro o trasformata di Fourier del segnale di errore di traccia).

6. Linewidth misura

1. Per realizzare una misurazione accurata linewidth è necessario disporre di una fonte conosciuta linewidth stretto (un altro laser con linewidth significativamente inferiore al ECDL), due di quelle ECDLs o una linea di ritardo lungo rispetto alla lunghezza di coerenza della ECDL. Qui due ECDLs saranno interferenze per misurare linewidth. In alternativa, può essere più facile da agganciare una risonanza prodotta da una transizione atomica o una cavità Fabry-Perot e forma del rumore sopra la larghezza di banda del circuito di bloccaggio.
2. Bloccare le due laser a diverse transizioni iperfini, idealmente circa 100 MHz offset. Questo ridurrà al minimo l'impatto del rumore elettronico.
3. Mode, potenza e polarizzazione corrispondono ai due fasci e interferiscono tra loro con un 50/50, nonpolarizing beam splitter. Allineare il fascio risultante su un fotorivelatore. L'uscita del segnale sul fotorivelatore deve essere un'onda sinusoidale con una frequenza di frequenza dei due laser offset. Può essere necessario per attenuare o defocus il fascio risultante in modo da non danneggiare o saturare il fotodiodo.
   1. La sovrapposizione dei due fasci battendo determinerà il cont frangiarast come visto su un campo di applicazione durante la misurazione linewidth. Se il contrasto frangia è povero, trascorrere del tempo supplementare miglioramento della corrispondenza modalità e sovrapposizione delle travi sul divisore di fascio e rivelatore. Un buon metodo consiste nel sovrapporre le due travi utilizzando due iris ', o fori, separati da una distanza relativamente grande, ~ 1 m.
4. Sarà difficile risolvere le fluttuazioni di frequenza su un ambito. Per la misura ottimale utilizzare un analizzatore di spettro, che darà un profilo Voigt centrata sulla frequenza di battimento con una larghezza di riga Δ f, pari alla larghezza di riga laser convoluta (Figura 6). Con buona approssimazione la traccia può essere in forma di una gaussiana e la larghezza di riga ottenuto dalla forma. Il rumore o linewidth misurata dipenderanno dalla acquisizione o tempo di integrazione, che può essere impostato regolando la larghezza di banda di risoluzione sulla analizzatore di spettro. Per questo motivo è importante citare il tempo di integrazione quando, citando il mlinewidth easured.

Risultati

Ci sono 5 fasi principali coinvolti in allineamento, chiusura frequenza e che caratterizza la larghezza di riga della ECDL. Questi sono: ottenere il feedback del reticolo e usando questo per impostare la frequenza grossolana ECDL misurato su una wavemeter, osservando assorbimento laser nella cella di riferimento, la visualizzazione della transizione atomica con una risoluzione attorno al linewidth naturale in una configurazione spettroscopia di assorbimento saturato, ottenendo un segnale di errore circa la transizione desiderata e bloccaggio ad esso, ed infine osservando la nota di battimento di due laser e misurando la larghezza di riga laser. Primo passo è stato completato con successo, piuttosto banalmente quando la lunghezza d'onda, come leggere sul ondametro corrisponde alla transizione atomica di interesse. Quando si tenta di conseguire assorbimento nella cella di riferimento, fluorescenza può essere visto lungo il percorso del fascio nella cella con un visore IR quando la transizione è colpito. Se l'ECDL è la scansione della cella lampeggia. Un segnale di assorbimento saturato può essere difficile da individuare whe n allineando poiché le linee di trasmissione possono essere molto piccolo rispetto al picco di assorbimento Doppler. Quando picchi, simili a quelli mostrati in Figura 4, si può vedere, il sistema di assorbimento saturato funziona correttamente. Regolando i parametri di fase e di scansione deve essere ottenuto un segnale di errore simile a quello mostrato nella Figura 4. Per misurare la larghezza di riga ECDL è necessario per ottenere un segnale di battimento tra due travi. Come le travi diventano sempre più sovrapposte una sinusoide inizierà ad apparire, come visto su un campo di applicazione da un rilevatore fotografico. Mantenere l'allineamento fino a quando il contrasto tra i nodi e anti-nodi è il più grande. Quando il segnale di battimento viene poi fatto passare attraverso un analizzatore di spettro elettronico un segnale simile alla Figura 6 dovrebbe essere visto. La larghezza di riga laser può essere misurato da questo segnale. La configurazione ottica completo può essere visto in Figura 1.

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.. Figura 1 Completa la configurazione ottica Questo è un esempio di una configurazione ottica completa per il sistema ECDL discusso A:. Questa mostra la configurazione Littrow di ECDL. Una percentuale, tipicamente 20-30%, del fascio incidente sulla grata viene diffratta di nuovo nel diodo. L'angolo di diffrazione e l'angolo di riflessione sono uguali. Il reticolo è montato ad una fase di sintonizzazione che utilizza un piezo per controllare l'inclinazione delle strisce B:. Il raggio emesso dal diodo laser è incidente sulla grata ad angolo θ con l'ordine 0th riflette e la diffrazione 1 ^° ordine essere rimandato lungo il percorso del fascio incidente. La lunghezza d'onda della luce diffratta è data da λ = 2 d sin (θ) in configurazione Littrow C:. Posizione e l'orientamento del ottica èolator per ridurre il feedback al diodo laser D:. Il fascio in uscita dalla scatola laser passa attraverso un waveplate λ / 2 e PBS ed è allineato al wavemeter. La potenza in fasci riflessi e trasmessi può essere regolata ruotando la waveplate E:. Riga raggio utilizzato per l'esperimento. Questa linea contiene la maggior parte della potenza del laser F:. Passa un fascio di riferimento pari o superiore intensità di saturazione attraverso un PBS, λ / 4 waveplate, cella di gas di riferimento, e retrò riflettere di nuovo sulla PBS. È importante che i due raggi sono ben sovrapposti per ottenere spettroscopia saturazione corretta. Il waveplate garantirà la polarizzazione della luce sul retro fascio riflesso viene ruotato di 90 ° dal fascio incidente permettendogli di uscire dalla porta opposta del divisore di fascio. clicca qui per ingrandire image.

Figura 2. Circuito di protezione a diodi laser. Circuito di protezione Esempio per la corrente diodo laser. R 1 e C 1 formano un circuito di base RC e vi filtrare il rumore ad alta frequenza. D 1 e D 2 sono Schottky e diodi Zener, rispettivamente. Il diodo Schottky, che ha un tempo di risposta rapido, sia per proteggere contro tensioni inverse, ed il diodo Zener, che ha un tempo di risposta più lenta, è progettato per consentire il passaggio di corrente se è superiore alla diodi laser massima tensione di funzionamento, evitando così danneggiare il diodo laser. Valori tipici per i componenti saranno R 1 = 1 Ω, C 1 = 1 mF, D 1 = 30 V, D 2 = 6 V. I valori scelti per R1 e C1 limiterà la larghezza di banda di modulazione corrente del diodo. Questo può essere inferioreideale se un segnale di errore viene prodotto attraverso la modulazione di corrente anziché la modulazione Zeeman discusso.

. Figura 3 concorrenti modi in un ECDL Verdi:.. Larghezza Linea di ordine reticolo di diffrazione ≈ 50 GHz a seconda del reticolo rosso solido: La modalità della cavità interna di un diodo laser con una linea larghezza ≈ 10 MHz e la gamma spettrale libera ≈ 80 GHz . precipitare Rosso: La cavità interna di un diodo con rivestimento anti-riflesso. Questi diodi avranno una larghezza linea nell'intervallo nm Blu:. Modi di cavità esterne, con una larghezza di linea di ≈ 500 kHz e una gamma spettrale libera di ≈ 5 GHz. Dal 3 cm di lunghezza della cavità esterna. Regolazione dell'angolo reticolo si sposterà il centro della curva verde e SI multaneamente modificare la lunghezza della cavità esterna a sua volta spostando la curva blu pure. Regolazione della corrente del diodo e la temperatura si sposterà le curve rosse.

.. Spettroscopia di assorbimento Figura 4 saturi e corrispondente segnale di errore Per rubidio 87 Lower Curve:. Saturi picchi di assorbimento sul picco di assorbimento Doppler molto più ampia formata da Doppler spettroscopia gratuito. Curva superiore: segnale di errore per il sistema di assorbimento saturo corrispondente. Le etichette sopra il segnale di errore corrispondono alla transizione atomica (F → F ').

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Figura 5. Zeeman Coil. Bobina avvolta attorno a una cella di vapore di rubidio utilizzato in modulazione Zeeman.

Figura 6. Linewidth laser. Segnale acquisito da un analizzatore di spettro della nota di battimento formato da due laser simili. Dalla figura, il battito ha una frequenza di 206.24 MHz e una larghezza di riga di 0,3 MHz con un tempo di integrazione di 20 msec.

Controlli correnti	Gamma	Rumore
Thor Labs:
LDC200CV	0-20 mA	<1 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU	0-100 mA	<0,2 μA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C	0-200 mA	<1,5 μA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C	0-500 mA	<3 μA (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 μA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501	0-500 mA	<4,5 μA 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 μA RMS (5 Hz-1 MHz)
Controllori di temperatura
Thor Labs:
TED200C	-45 A 145 ° C	± 2 mK
Moglabs:
DLC-202	-40 A 50 ° C	± 5 mK
DLC-252	-40 A 50 ° C	± 5 mK
DLC-502	-40 A 50 ° C	± 5 mK
Stanford Research Systems:
LDC500	Da -55 a 150 ° C	± 2 mK
LDC501	Da -55 a 150 ° C	± 2 mK
Toptica:
DTC 110	0-50 ° C	± 2 mK

Tabella 1. Diodo Corrente e termoregolatori. Temperatura e corrente diodi regolatori Varie aziende con le loro gamme e livelli di rumore.

Discussione

Questa pubblicazione ha dimostrato come passare da una ECDL smontato attraverso il blocco allineamento e frequenza per produrre una misurazione della larghezza di riga laser. La progettazione meccanica e il design dell'elettronica come servi PID, driver diodi e regolatori di temperatura è troppo specializzata per essere discusso qui, ma sono stati esaurientemente discussi nelle pubblicazioni di riferimento ^1,3,5.

Anche se ECDL diodi sono diventati un punto fermo nei laboratori di fisica atomica, la specie e le transizioni che questi escogita possono raggiungere è limitato. Molti progressi sono stati compiuti nella ampliando la gamma di lunghezze d'onda da diodi laser basato però attualmente rimangono molte lacune soprattutto in UV. Limiti di potenza dei sistemi ECDL continuano a limitare le loro applicazioni. Bare diodi monomodali gamma di potenza da μWatts a 100 di mWatts. Inoltre, gli amplificatori conici possono essere aggiunti a un sistema ECDL per aumentare la potenza del laser totale monomodalefino al livello Watt. Se sono necessarie potenze singole modalità molto maggiori di un Watt o altre lunghezze d'onda sono richiesti architetture laser alternativi. Questi includono laser a fibra ^26, laser a stato solido ²⁷ come i laser TiSaph o possono contare sulla conversione di frequenza non lineare processi ²⁷ come i laser Raman, quattro wave mixing, la generazione di frequenza somma, o un oscillatore parametrico ottico.

Questa pubblicazione si concentra su un meccanismo di blocco che dipende da una cella di vapore atomico. Per molte applicazioni in fisica atomica una cella di vapore vetro semplice, come discusso qui, potrebbe non essere disponibile, tale è il caso di specie come Yb. Molte altre tecniche per ottenere un campione di riferimento con una varietà di specie sono state dimostrate come, caldi raggi atomici, lampade a scarica, celle di gas tampone, cellule iodio e celle sputtering.

Questo disegno sistema laser è intrinsecamente limitato a linewidths di ≈ 30 kHz ²8 e tipicamente vicino a 100 kHz. Se l'applicazione richiede un più stretto LineWidth altre tecniche di stabilizzazione o laser alternativa progetta ²⁶ sono obbligatori.

Quando si lavora con sistemi ottici, la pulizia è della massima importanza. E 'buona pratica quando la prima fase di introduzione e il trattamento ottica che i guanti da indossare per evitare di toccare accidentalmente la superficie ottica. Se l'ottica è graffiato non deve essere utilizzato in un sistema laser. Nella maggior parte dei casi ottiche con impronte o polvere possono essere puliti con acetone o aria compressa, rispettivamente. Qualsiasi imperfezione in una superficie ottica può e introdurrà perdita e potenzialmente rumore nel sistema. Supporti ottici devono essere fissati al banco ottica in ogni momento e devono essere saldamente avvitati giù una volta sul posto.

Quando l'allineamento dell'ottica come waveplates e divisori di fascio di polarizzazione, garantire la luce è incidente vicino perpendicolare alla superficie ottica mentre avoIding riflessioni indietro nel laser. Poiché l'angolo di incidenza si discosta dal 90 ° al comportamento di questi elementi ottici diventa sempre più lontano da ideale. Per ridurre al minimo l'aberrazione e massimizzare travi apertura numerica dovrebbe sempre viaggiare attraverso il centro di lenti ed essere normale alla lente. Al contrario, una cella di vapore deve essere posto ad una leggera angolazione al fascio incidente per evitare effetti etalon. Per questo motivo molte cellule di vapore sono realizzati con sfaccettature finali non paralleli.

I laser utilizzati qui sono di classe 3B. Anche i riflessi parassiti hanno il potenziale per danni agli occhi. Lavorare con i laser di questo tipo deve essere effettuata solo da personale addestrato familiarità con i pericoli di laser. Occhiali di protezione laser devono essere indossati in ogni momento. Non guardare mai direttamente lungo il sentiero di qualsiasi laser per allineamento ottico e prestare particolare attenzione per evitare di generare riflessioni speculari pericolose off componenti ottici. Terminare sempre positivamente linee di fascio USIng una discarica fascio.

Materiali

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