원자 물리학에 대한 외부 공동 다이오드 레이저의 구조 및 특성

요약

이것은 외부 공동 다이오드 구성 요소 선택 및 광학 정렬 등의 레이저 (ECDLs)뿐만 아니라, 원자 물리학 분야에서의 응용 프로그램에 대한 주파수 기준 분광 및 레이저 선폭 측정의 기초의 건설 및 진단을 안내하는 교육 용지입니다.

초록

싼 1980 년대 후반, 자신의 발전 때문에, 신뢰할 수있는 외부 공동 다이오드 레이저 (ECDLs)는 원자 물리학 실험실 ^1,2의 주력 레이저로 복잡하고 비용이 기존의 염료 및 티타늄 사파이어 레이저를 교체했습니다. 그들의 다양성과 ^{1,2 냉각} 흡수 분광법과 레이저와 같은 응용 프로그램에서 원자 물리학 전반에 걸쳐 다작의 사용은 필수적 들어오는 학생들은 이러한 레이저의 확고한 실질적인 이해를 얻을 수 있도록합니다. 이 책은 구성 요소를 업데이트, 비디오 자습서를 제공 Wieman ^(3)에 의해 정액 성과로. ECDL의 설정, 주파수 로킹 및 성능 특성에 대하여 설명한다. 구성 요소 선택 및 다이오드와 격자 모두의 적정 부착의 토론, 공동 내에서 모드 선택에 영향을 미치는 요인, 최적의 외부 피드백 및 미세 주파수에 민감한 측정을위한 광학 설치, 레이저 locki에 대한 간략한 개요에 대한 적절한 정렬NG 기술 및 레이저 선폭 측정이 포함되어 있습니다.

서문

측정과 원자의 양자 상태를 조작하는 것은 원자 물리학의 중심에 원자의 전자 상태 사이에서 특정 전환을 처리 할 수​​있는 능력이 필요합니다. 예를 들어 루비듐, 전형적인 많이 사용되는 알칼리 원자를 고려합니다. 여기에, 땅에 커플 링 빛의 파장과 처음 흥분 전자 상태가 ~ ~ 때문에 자연 방출에 780 ㎚ (384 테라 헤르츠)와 여기 상태의 수명입니다 26 6 메가 헤르츠 ^4의 흡수 선폭을주는 NSEC. 따라서, (108)에서 적어도 일부의 주파수 안정성을 가진 광원을 신뢰성이 전환을 해결하기 위해 필요하다.

ECDLs, 색소 레이저와 티탄 사파이어 레이저의 개발은 일반적으로 원자 물리학에 사용되기 전에. 이것은 큰 대역폭에 광 이득을 제공하고, 따라서 원자 전환을 겹쳐 조정 할 수 있습니다 대형, 고가의 복잡한 시스템이다. 저렴하고 간단한 다이오드 레이저 설계 위스콘신 이러한 이득 매체를 대체 할 수있는 잠재력원하는 파장과 일치하는 밴드 갭은 1980 년대 초 ^1,2 인정 받았다 번째. 간단한 100 kHz의 선폭이 아니라 1990 년대 초 ^3,5,6 이해 및 일반적인 장소되었다 달성 디자인을 구축하기 쉬운. 많은 다른 구성과 디자인은 장점과 단점을 각각 설명하고 있습니다. 아마도 가장 일반적인 구성은 리트로 ^3,5,7,8 및 Littman의 9 구성되어 있습니다. 이 논의는도 1a에 도시 된 리트로 구성, 간단한에 초점을 맞춘다.

조정 메커니즘의 개수가 동시에 레이저의 주파수에서 높은 정밀도를 달성하기 위해 사용된다. 우선, 다이오드 달성 작동 온도에서 원하는 파장의 밴드 갭의 제조에 충분한 이득으로 요구된다. 일반적인 레이저 다이오드는 수 나노 미터 (테라 헤르츠) 이상 이득이있을 것이다. 둘째, 격자 반사 회절 원하는에 다이오드에 광학 피드백을 제공하기 위해 조정 각도파장. 격자에 따라, 다이오드, 포커싱 렌즈가 사용될 그들의 배향, 회절 격자는 일반적으로 50-100 기가 헤르쯔의 주파수 범위를 선택한다. 레이저 (다이오드 후면 패싯 및 격자 간) 외부 레이저 캐비티와 공진 파장에서 진동한다. 파장에 걸쳐이 공동의 길이를 조정 레이저가 C는 빛과 L의 속도입니다 격자 이득 피크 주위에 무료 스펙트럼 범위 (C / (2 L))를 통해 조정 할 수 있으며, 공동의 길이, 일반적으로 1 - 5cm (FSR 3-15 GHz의). 공동의 두 개의 모드가 피크 격자 피드백 파장과 유사한 파장 경우 레이저는 멀티 모드를 실행할 수 있습니다. 진동 캐비티 모드가 이웃 모드보다 이득 피크로부터 상기 선국으로 레이저 의지 모드 홉 동조 범위를 제한. 격자 모드에 대하여 캐비티 모드의 동작은도 3에서 볼 수있다. 모드 홉 자유로운 튜닝 범위는 ECDL위한 주요 성능 메트릭. 동시에 격자 각도와 공동의 길이를 조정하여 모드 홉없이 많은 무료 스펙트럼 범위에 걸쳐 지속적으로 조정, ⁸ 훨씬 쉽게 찾기 및 스펙트럼 기능을 잠금하는 것이 가능하다. 로크에 대한 공동의 광로 길이의 전자 튜닝은 압전 액츄에이터 (도 1a) (주사 대역폭 ~ 1 kHz에서)를 사용하여, 격자의 각도 / 위치 조정 주로 굴절률 변조 전류 다이오드 튜닝의 조합에 의해 달성 될 수있다 다이오드 (스캔 대역폭 ≥ 100 KHZ)의 인덱스입니다. 이득 매질에 대한 레이저 다이오드보다는 반사 방지 (AR) 코팅 된 이득 칩을 사용하여 100 ~ 200 기가 헤르쯔의 전형적인 자유 스펙트럼 범위를 가질 수있다 레이저 다이오드 내부 공동 응답을 첨가 추가적인 합병증을 추가한다. 이 경우, 공동은 격자로부터의 응답과 일치하도록 조정 온도이어야한다. 오히려 AR 코팅 이득 칩보다 레이저 다이오드를 사용하여 극적 모드 홉 자유로운 t를 줄일기적으로 조정 다이오드 전류 또는 온도의 수단이없는 한 uning 범위. 마지막으로, 100 kHz의 세심한주의보다 선폭을 달성하기 위해 다른 소음원을 제거하기 위해 지불해야합니다. 이것은, 음향 진동의 MK 수준 온도 안정화를 최소화 탈것 조심 기계 설계를 필요 ≤ 30 nA의 수준 및 모든 로크의 이득의 세세한 튜닝 ^{10 루프에} 다이오드의 전류 안정성 RMS에서. 응용 프로그램에 대한 적절한 전자를 선택하면 레이저 및 광학 설계만큼이나 중요합니다. 다이오드 컨트롤러 및 사양의 목록은 표 1에서 찾을 수있다.

안정된 레이저 발진이 달성되면, 다음의 필요 조건은 원자 전이, 광 공동 또는 다른 레이저와 같은 기준에 레이저 주파수를 잠글 것이다. 이것은 본질적으로 주파수에 대한 노이즈 제거 등의 작은 온도 변화 느린 감도의 영향을 제거잠금 루프의 대역폭. 에러 신호, 특히 기준 시스템에 대한 각각의 적합을 얻기 위해 개발 된 기술을 로킹 무수히있다. 이 레이저 로킹 위상 에러 신호는 빔 스플리터에 두 레이저를 혼합함으로써 얻을 수있다. 파운드 - Drever 홀 ¹¹ 또는 경사 잠금 ^(12)는 공동으로 잠글 수 있습니다. 현재 변조 ¹⁰ 제만 변조 ¹⁰ 또는 경사 잠금 ^(15)와 함께 원자 흡수 라인 DAVLL ¹³ 또는 포화 흡수 분광 ^3,14에 잠하려면 사용할 수 있습니다.

증기 셀에서의 포화 흡수 제만 변조를 사용 루비듐 전이에 ECDL의 잠금은 여기에 설명 될 것이다. 낮은 강도의 광을 실온에서 루비듐 증기 셀을 통과 주파수가 780 ㎚ ​​원자 전이 근방 틀면 도플러의 수가 ~ 500 MHz의 넓은 흡수 기능을 확대오히려 6 MHz의 넓은 자연 선폭 (자연과 도플러 선폭에 대한 계산이 발 ^16에서 확인하실 수 있습니다)보다 관찰됩니다. 그러나,이 빔이 복고풍 반영되어, 경우, 두 번째 단계는 제로 길이 속도로 원자 공명이 덜 흡수 이미 부분적으로 첫 번째 패스 ^(17)에 의해 흥분되어있을 것이다. 다른 주파수는 각 패스에 다른 속도의 인구에 의해 흡수되고, 따라서 흡수가 포화되지 않습니다. 이러한 방법으로 겉보기 송신 기능은 자연 선폭에 대한 폭 천이에서 도플러 넓어 흡수에 오버레이가 얻어 질 수있다. 이 LOCK으로 날카로운 절대 주파수 기준을 제공합니다. 원자 전이의 주파수는 기준 셀에서 자기장의 크기를 디더링함으로써 제만 효과를 이용하여 변조 될 수있다. 적합한 균일 자장은도 5에 나타낸 바와 같이 솔레노이드 설정을 사용하여 제조 될 수있다. 전자적 믹싱포화 흡수 변속기 변조 파형은 다이오드 전류를 조정하는데 사용하고 압전 전압을 조정하기 위해 통합 될 수있는 오류 신호를 발생시킨다. 따라서, 레이저는 레이저 주파수를 변조 할 필요없이 전이에 고정 될 수있다.

ECDL의 선폭은 일반적으로 빔 스플리터 ^(18)에서 동일한 유형의 2 개의 주파수 잠금 레이저 간섭에 의해 측정된다. 레이저 사이의 비트 주파수이어서 빠른 광 다이오드 및 RF 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정된다. 잠금 루프 대역폭을 넘어 잡음 스펙트럼은 다음 프로필 보이트 (가우스와 로렌츠의 회선)에 설치된다. 다른 레이저로부터의 소음은 직교에 추가합니다. 동일한 두 레이저의 경우이 √의 장착 선폭에게 (2) 번 하나의 레이저 선폭을 제공합니다. 레이저 ECDL 예상보다 훨씬 작은 선폭 공지 완비이며 E의 동조 범위 내에 있으면CDL은, 그 대신에 사용될 수있다. 일반적 선폭의 측정에 이용하는 다른 방법은 빔의 일부는 그러한 섬유로서 광학 지연 라인을 따라 전송하고 레이저 빔 스플리터에 전후 지연된 자기 호모 다인 기법 ^19,20이다. 이 기술은 측정 용 레이저의 간섭 성 길이보다 더 긴 것으로 지연에 의존한다. 이 시끄러운 레이저 잘 작동하지만, 100 kHz의 선폭 레이저의 간섭 성 길이는 허무하게 시작 약 3 킬로미터,입니다. 대안 적으로, 포화 흡수 셀 또는 파브리 - 페로 캐비티 원자 전이 레이저 선폭 측정을위한 주파수 기준을 제공하는데 사용될 수있다. 이 시스템에서 레이저 주파수는 에테르의 직선 부분이 아니라 주파수를 스​​캔 할 수보다 포화 흡수 또는 페 브리 - 페로 공명에 앉아해야합니다. 포토 다이오드의 신호 잡음을 측정하고 공진 선폭을 알면, 고주파 노이즈가 발견 될 수있다. 리튬의 하한newidth 측정은 다음 송신 공진의 기울기에 의해 제한된다.

고차 레이 징 모드의 존재는 RF 스펙트럼 분석기를 사용하여 자유 스펙트럼 범위의 주파수로 강도 잡음을보고하거나 더 나은 자유 스펙트럼보다 주사 페롯 또는 해상도의 광 스펙트럼 분석기를 사용하여 검사 될 수있다 ECDL의 범위. 거친 동조 범위는 회절 격자를 이용하여 한계에 걸쳐 레이저를 튜닝하는 동안 (파장계, 단색화 장치 또는 광 스펙트럼 분석기를 사용하여), 파장의 함수로서 전력을 측정함으로써 측정 될 수있다. 모드 홉 자유로운 동조 범위는 일반적 모드 홉 주파수에서 불연속 점프로 검출 될 수 스캐닝 페롯 공동을 사용하여 측정된다.

프로토콜

1. 구성 ​​요소 선택

1. 관심의 원자에 해당하는 파장의 다이오드를 선택합니다. 그것은 선택한 다이오드 단일 모드 (SM하고 응용 프로그램에 대한 충분한 능력을 가지고하는 것이 중요합니다. 반사 방지 코팅 된 다이오드가 이상적입니다.이 다이오드는 외부 공간의 추가없이 LASE하지 않습니다 그들이 ECDL 작업에 대해 명시 적으로 설계되어 있습니다. 그들은 특히 레이저의 파장을 스캔하는 것이 중요 애플리케이션을 위해, 훨씬 더 나은 성능을 가지고 있습니다. 여기에 사용되는 레이저 다이오드) 재료의 목록에 나열되어 있습니다.
   에 맥 아담 등. ^3으로, ECDL 단단히 다이오드와 시준 렌즈에 맞게 설계되어야한다. 기계적 안정성 및 열 접촉은 레이저의 좋은 작업에 중요합니다. 건설, 최소한의 가공의 용이성을 위해, 성공은 다이오드 레이저가 통합 된 렌즈 튜브 (자료 목록) 마운트를 사용했다되었습니다.
2. 다이오드를 조준하는 렌즈를 선택합니다. 그것개구 달리 상당한 손실이있을 것이다 대등 또는 다이오드의 개구 수보다 더 큰 것이 중요하다. 대부분의 다이오드는 높은 개구 (> 0.5)가 비구면 렌즈를 필요로, 달리 수차는 매우 낮은 피드백의 효율성을 초래할 것이다. 수차를 감소시키는 회절 격자와 동작 파장 근처의 설계 파장에서 빔 크기를 증가시키기 위해 긴 초점 길이 렌즈를 선택, 확인 렌즈 작동 파장에서 반사 방지 코팅인지 확인. 입증 된 시스템에 사용되는 렌즈 재료의 목록을 참조하십시오.
3. 레이저 다이오드의 주파수 범위 및 격자 튜닝 아암 중심각위한 적절한 외부 격자를 선택한다. 첫 번째 순서로 회절 된 빛의 파장, 리트로 구성이, d는 격자 줄 간격이다 λ = 2 D의 죄 (θ)에 의해 주어진, θ는 입사 격자 각도와 λ(그림 1B) ²¹ 파장. 거기에, 격자 홀로그램과 지배 회절의 두 가지 종류가 있으며, 모두가 뭐래 또는 수 없습니다. 전력 회절 격자의 유형에 따라 실질적으로 변할 수있다. 20 ~ 30 % 사이의 회절 효율을 갖는 홀로그램 그레이팅 조준. 입증 된 시스템에 사용되는 격자 재료의 목록을 참조하십시오.
4. 관리 단순한 디자인을 사용 - 복잡도는 종종 불안정을 의미한다. 이 ECDL 디자인의 광대 한 수는 있지만 가장 간단한 리트로 ^{3,5,7,22입니다.} 논문을 읽고 큰 모드 홉 무료 범위 (주파수 범위가있는 동안 다이오드가 지속적으로 갑자기 다른 주파수로 점프하지 않고 조정할 수 있습니다), 매우 좁은 선폭 또는 감소 포인팅 변화가 응용 프로그램에 대한 가장 중요한 정보인지 여부를 결정합니다. ECDL 디자인을 시작하기 전에 가능한 한 많은 정보를 얻습니다. 종종 격자 ECDL은 원자 물리학의 응용 프로그램에 대한 적절한 이상입니다.
5. 그것은 ECDL의 성능이 가장 강하게 다이오드 전류를 구동하고, 레이저의 온도를 안정화 전자에 뿌리를 실현하는 것이 중요하다. 전자의 좋은 세트를 사용하지 않고 기계적인 디자인의 밑에 수행합니다. 를 포함하는 표 1에 다른 전류 및 온도 제어기의 비교이다. 전류 잡음 낮을수록 레이저 ^(23)를 수행한다.

2. 총회

1. 본 연구의 목적 ECDL 조립체위한 출발점은 컴포넌트 (즉, 격자 및 레이저 다이오드)를 선택하는 주파수없이 열전 냉각기 (TEC)에 장착 완료 ECDL 기계 시스템 일 것이다.
2. 그 각각의 장착 구멍에 레이저 다이오드를 배치하는 것으로 시작 및 부착 링을 사용하여 고정. 끝나지 토크 장착 링에주의하십시오. 그것은 아늑하고 그러나 단단해야한다.
3. 전류 공급, 체에 레이저 다이오드를 연결하기 전에애노드, 캐소드 및 접지 핀 할당 다이오드 사양서를 CK. 이 다이오드에서 다이오드 변화와 다이오드를 통해 전류를 넣는 것은 거꾸로을 파괴 할 것이다.
   1. 레이저 다이오드는 낮은 전압 장치, 일반적으로 5 ~ 10 V의 최대 및 관리가 정적이 그들로 배출되지 않도록주의해야합니다. 이 다이오드를 처리 할 때 접지 끈을 착용하고 높은 전압을 방지하기 위해 레이저 다이오드 핀 사이에 보호 회로 (예를 들어, 그림 2)를 설치하는 것이 좋습니다. 다이오드 및 접지 핀이 영구적으로 접지되어야하고 세선의 사용은 기계적 진동의 커플 링을 감소 시키는데 도움을 줄 수있다.
4. 다이오드 사양서의 값에 따라, 최대 및 최소 온도와 다이오드 컨트롤러 최대 다이오드와 TEC 전류 제한을 설정. 최소 작동 온도가 실험실에 대한 이슬점 이하 인 경우 1 ~ 2 ° C ABO의 최저 온도를 사용노점을했습니다. 이 응축을 방지 할 것이다.
5. 다이오드 사양 시트는 일반적으로 주어진 다이오드 전류의 파장 대 온도도 있습니다. 처음에 그 파장과 일치하도록 다이오드 온도 (전류)를 설정하는 기준으로서이 수치를 사용한다. 파장 대 온도의 그래프를 사용할 수없는 경우에는 실온 설정 온도를 조정한다.
6. 의 온도 조절기의 전원을 켜고 온도가 안정 될 수 있도록.
7. 다이오드를 켜고 출력 빔이 선명하게보기 카드로 관찰 할 수 있도록 현재를 켭니다. 빔을 볼 IR 카드를 사용하십시오.
8. 비구면 콜리 메이팅 렌즈를 삽입하고 다이오드와 렌즈 사이의 간격을 조정하여 레이저 다이오드를 시준. 좋은 시준을 지키기 위하여 빔 명확한 경로를 가지고 있는지 확인 이상적> 3m, 단지 ECDL 전후 빔 경로의 끝에서 빔 직경까지 렌즈 위치를 조정 해당 검사하는 것을 확인되고, 동일 빔 I경로를 따라 어느 시점에 초점이 아니다.
9. 다이오드 레이저로부터 분극을 체크는 (S 또는 P)을 회절 격자에 대한 원하는 평면에있다. 대부분의 경우, 다이오드의 편광은 타원 빔 형상의 짧은 축 방향이지만, 편광 빔 스플리터를 사용하여 축 편광을 확인하는 좋은 방법이다.
   1. 광축이 원하는 평면에 있지 않은 경우, 다이오드 장착 링을 풀고 적절한 배향이 얻어 질 때까지 회전 다이오드. 일부 ECDL 설계는 이것이에 레이저로 수행하고, 전류원에 연결되도록 허용하고 나머지는하지 않는다. 전류 공급 선이 다이오드를 회전하기 위해 제거해야하는 경우, 컨트롤 박스에 전류 공급을 끄고 전선을 제거합니다. ECDL 온도 제어가이 과정에 남아있을 수있다. 다이오드를 처리 할 때 항상 접지 대를 착용해야합니다.
   2. 그것은 다이오드 다이오드를 recollimate 이전 단계를 반복하여 위치를 변경 할 필요가 있다면.
10. 회절 격자의 회절면은 일반적으로 격자 라인에 수직으로 그리고 화살표 블레이즈 반사 방향으로 제조자에 의해 표시된다. 이중 각도의 함수와 같은 전구와 같은 광대역 광원으로부터의 반사를, 관찰함으로써이를 확인.
    1. 격자는 화살표가 머리 관찰자와 광대역 광원을 향해 다시 가리키는 개최하는 경우, 반사 된 빛은 회절 격자 각도의 함수로 색상이 변경됩니다.
    2. 다시 다이오드쪽으로 따라서 격자 각도를 조절 화살표가이 파장이 다시 다이오드로 (그림 1A 및 1B)를 반영 변화되도록 격자를 장착합니다.
11. 격자 배향 접착제 록타이트 등과 같은 빠른 설정 접착제를 사용 ECDL 튜닝 암에 격자 확인되면.

3. 피드백 정렬

1. ECDL 출력에 정렬보기 카드를 수 놓습니다입니다. 이 조정은 회절 빔 포인팅 이루어지는대로 레이저 파워를 모니터하기 위해 사용될 것이다. 파워 미터도 사용하지만 응답 속도가 느립니다 수 있습니다.
2. 다이오드 제어 박스에 설정 전류를 조정하는 것만 반사 전면 패싯 다이오드 및 1 / 3 AR 코팅 다이오드 이득 칩에 대한 최대 전류 임계 전류 이하. AR 이득 칩하지 않는 코팅하는 동안 반사 앞면 다이오드는 규격이나 데이터 시트의 임계 전류를해야합니다.
3. , 수평 및 수직 격자 팔의 각도를 조정 다시 다이오드에 회절 빔을 조종하기 위해, 효율적으로 외부 피드백 공동 제작. 빔은 레이저 다이오드에 관한 것이다 때 뷰잉 카드 또는 전력계 또는 포토 다이오드를 사용하여 측정 전력의 극적인 증가의 현저한 증가 또는 밝은 플래시와 같은 관찰 가능한 출력 전력의 상당한 증가가있을 것이다.
   1. 보기 카드는 매우 정량적 측정 O 없습니다힘 F는 점진적 레이저 다이오드 전류를 낮추고 위의 동작까지 피드백 빔을 다시 조정해야 할 수 있도록 가능한 한 낮은 전류에서 볼 수있다.
   2. 다이오드 패싯에 초점을 최적화하기위한 시준 렌즈 초점 또는 축 방향 위치를 조정하면, 상기 임계 값을 낮추고는 수평 및 수직 격자 각도를 다시 최적화 할 필요가있을 것이다 후에 출력 전력을 증가시킬 수있다.

4. 초기 주파수 선택

1. 이상적으로 초기 주파수 레이저의 정렬 1 nm의 <의 정밀도를 가진 파장의 절대 측정을 위해 <0.1 ​​nm의 이상적입니다. 이 거친 주파수 측정은 훨씬 쉽게 이후 단계에서 원자 전이 상 조정 레이저 주파수를에 만들 것입니다. 파장계, 광 스펙트럼 분석기, 분광계, 또는 카메라와 분광기를 사용하는 등 많은 옵션이 있습니다. 확실히 보정 정확한 장치를 사용하거나 그 C를 확인헬륨 네온 레이저를 사용하여, 예를 들어 alibration. 대안 적으로, 초기 주파수 조정은 보통 증기 레퍼런스 셀에서 흡수 또는 형광 신호가 볼 수있을 때까지 레이저 스캐닝 동안 격자 각도와 현재 워킹에 의해 달성 될 수있다.
   1. 일반적으로 보조 빔이 유리 웨지 프리즘 또는 λ / 2 파장 판과 편광 빔 스플리터를 이용하여, 메인 빔으로부터 고른, 파장계에 대한 입력으로 사용될 것이다. 이 광학 설정은 그림 1D에서 볼 수있다. 이 데모에 사용되는 재료에 대한 재료의 목록을 참조하십시오.
2. 원하는 출력 파장을 얻을 때까지 ECDL을 조정합니다. 전류, 온도, 격자 각도와 외부 공동의 길이를 운전 다이오드는 모두 레이저 주파수 ⁽²⁴⁾ (그림 3)에 영향을 미칠 것입니다.
   1. 손으로 또는 압전을 사용하거나, 격자 각도를 조절하여 시작합니다. 둘째, 다이오드 전류를 조정한다.
   2. 만약 원하는 freque를원하는 파장이 적색에있는 경우 NCY가 격자 스위프 범위의 청색이며, 다이오드의 온도가 감소하고 그 반대로한다.

5. 미세 주파수 조정 및 주파수 잠금

1. 그림 1 층 ^3,14,17의 구성을 사용하여 ECDL 출력에 포화 흡수 분광을 설정합니다. 즉각 레이저 후의 광 아이솔레이터의 사용 (도 1C) 필수적이다. 그것은 불안정을 야기 할 수있는 레이저에 반사를 다시하지 않도록하는 것이 중요합니다. 또한 원자를 함유, 레퍼런스 셀을 사용하여 포화 흡수 분광법 좁은 원자 전이 ^(25)에 레이저를 잠글 수있는 간단한 방법이다.
   1. 기준 셀이 반사를 다시 피하기 위해 각도에 미러 복고풍이 다시 최대 오버랩 증기 셀을 통해 빔을 반영하도록합니다. 더블 패스 송신 전력은 E로서 포토 다이오드를 이용하여 모니터링 될 수있다CDL 파장은 스캔됩니다.
2. 대부분의 다이오드 컨트롤러 것이다 격자 압전 전압 따라서 격자 각 및 외부 공동의 길이를 조절함으로써 또는 다이오드 전류를 변조함으로써 파장을 스캔 스캔 기능 내장. 폭은, 오프셋 스캔 흡수 신호는 광 검출기에 연결된 범위에서 볼 수있을 때까지 레이저 온도 및 전류가 조정되어야한다. 레이저 원자 전이 위에 주사 경우에는 증기 셀에서 형광을 레이저 빔 경로를 참조하거나 육안 또는 IR 뷰어를 통해 플래시 할 수 있어야한다.
3. 포화 흡수 분광학에 대한 참조광의 단위 면적당의 전력은 원자 전이에 대한 포화 농도에 이상이어야한다. 클리어 흡수 신호가 볼 수있을 때까지 전력을 증가시키기 위해 편광 빔 스플리터 앞에 λ / 2 파장 판을 사용한다. 포화 농도의 계산은 발 ^16에서 찾을 수 있습니다.
4. 780 nm의 RB 원자 전환을 통해 레이저 스캐닝으로, 넓은 도플러 확대 흡수 신호가 발 ¹⁶ 불 ~ 10 MHz의 (그림 4) 여러 날카로운 전환과 함께, ~ 5 GHz의 폭을 볼 수 있어야합니다. 포화 흡수 신호를 생성하기 위해 사용되는 전력을 최소화하는 전력 넓어을 줄이고 LOCK으로 선명 기능을 생성 할 필요가있다.
5. ECDL 주파수를 잠글하기 위해, 에러 신호가 필요하다. 도 5의 ^10과 레퍼런스 셀 주변 코일을 배치하고 자계를 진동함으로써 제만 레벨 및 전이 따라서 주파수가 변조된다. 이 경우 제만 코일을 통해 흐르는 전류는 1 ~ G.의 크기를 갖는 약 250 kHz에서 변조된다
6. 함수 발생기로부터 변조 신호와 포화 흡수 광 검출기로부터 흡수 된 신호를 혼합한다. 믹서로부터 출력 범위에서 볼 때 그 오차 신호 SI되어야밀라 (milar)도 4. 에러 신호의 크기는 두 개의 혼합 된 신호들 간의 상대적 위상에 의존 할 것이다. 위상을 조정하는 증기 셀 전에 λ / 4 빔 스플리터를 돌립니다.
7. 점진적으로 스캔 범위를 줄이고 현재 다른 ​​전환과 관심의 전환을 통해 스캔을 중앙에 오프셋을 조정합니다.
8. 비례 - 적분 - 미분 (PID) 회로 (예를 들어 참조 맥 아담 등. ³⁾ 다음 에러 신호를 이용하여 ECDL 파장을 고정하기 위해 사용될 수있다. PID 이득은 링잉 (에러 신호 트레이스의 변형 스펙트럼 분석기 또는 푸리에 변환을 사용하는 예) 에러 신호의 변조의 존재를보고 관찰되는 지점 이하로 감소되어야한다.

6. 선폭 측정

1. 정확한 선폭 측정을 달성하기 위하여는 어느 알려진 좁은 선폭 소스 (다른 레이저 L으로 가질 필요가있다) ECDL보다 상당히 적은 inewidth, 동일 ECDLs 또는 긴 ECDL의 간섭 성 길이에 비해 지연 라인의이. 여기에 두 ECDLs은 선폭을 측정하기 위해 방해한다. 대안으로, 잠금 루프의 대역폭 상기 노이즈 원자 전이 또는 파브리 - 페로 캐비티와 적당한 의해 생성 공진 잠글 쉬울 수있다.
2. 다른 초 미세 전환, 오프셋 이상적으로 약 100 MHz로 두 개의 레이저를 잠급니다. 이것은 전자 노이즈의 영향을 최소화 할 것이다.
3. 모드, 전력 및 편광 빔이 일치하고 빔 스플리터를 nonpolarizing, (50 / 50)를 사용하여 함께 그것들을 방해. 광 검출기의 결과 빔을 맞 춥니 다. 광 검출기에서 출력 된 신호는 오프셋이 레이저의 주파수의 주파수를 가진 정현파이어야한다. 포토 다이오드가 손상되거나 포화되지 않도록이 결과 빔을 감쇠 또는 디 포커스 할 필요가있다.
   1. 두 구타 보의 중복 프린지 (계속)을 결정합니다RAST로 선폭 측정시 범위에서 볼. 프린지 콘트라스트가 불량 인 경우, 빔 분할기 및 검출기에 빔 모드 매칭 및 오버랩을 향상시키는 추가적인 시간을 보낸다. 좋은 방법 '이 조리개를 사용하여 빔이 겹치는 경우, 또는 상대적으로 큰 거리만큼 분리 된 핀 홀, ~ 1m.
4. 이 범위의 주파수 변동을 해결하기 어려울 것입니다. 최고의 측정 된 선폭과 비트 주파수를 중심 보이트 프로파일을 줄 것이다, 스펙트럼 분석기를 사용 Δ의 F, 콘볼 루션 레이저 선폭에 해당한다 (그림 6). 좋은 근사 추적은 가우스와 맞는로부터 얻어진 선폭에 적합 할 수있다. 측정 된 소음 또는 선폭은 스펙트럼 분석기의 분해능 대역폭을 조정함으로써 설정 될 수있다 취득 또는 적분 시간에 의존 할 것이다. 이러한 이유로 m를 인용 할 때의 적분 시간을 인용하는 것이 중요easured 선폭.

결과

정렬, 주파수 잠금 및 ECDL의 선폭의 특성에 관련된 5 가지 주요 단계가 있습니다. 이들은 : 격자의 의견을 구하고, 파장계 측정 거친 ECDL의 주파수를 설정하려면이 옵션을 사용하여 참조 셀 레이저의 흡수를 관찰, 포화 흡수 분광 설정에서 자연 선폭 정도의 해상도를 가진 원자 전환을보고, 획득 원하는 전환 및 잠금 그것을, 그리고 마지막으로 두 레이저의 비트 메모를 관찰 및 레이저 선폭을 측정 정도 오차 신호. 단계 하나가 성공적으로 상당히 평범 파장계에 읽은 파장이 관심의 원자 전이에 해당하는 경우, 완료됩니다. 기준 셀에서의 흡수를 달성하려고하면 전이 적중 될 때, 개화는 IR 뷰어 셀 빔 경로를 따라 볼 수있다. ECDL 스캔되면 세포가 깜박입니다. 포화 흡수 신호 갔지 발견하기 어려울 수 있습니다 전송선 도플러 흡수 피크에 비해 매우 작게 할 수 있기 때문에 N 첫번째 정렬. 도 4에 도시 된 것과 유사한 피크가, 볼 수있는 경우, 포화 흡수 시스템은 정상적으로 작동된다. 위상 및 스캔 파라미터를 조정함으로써도 4에 도시 된 것과 유사한 에러 신호가 얻어 져야한다. ECDL 선폭을 측정하기 위해 두 개의 빔 사이의 비트 신호를 구하는 것이 필요하다. 빔이 더 많은 중복됨에 따라 사인파는 광 검출기의 범위에 보이는 표시하기 시작합니다. 노드 및 안티 노드 사이의 콘트라스트가 최대가 될 때까지 정렬을 유지합니다. 비트 신호는 다음도 신호 유사한 전자 스펙트럼 분석기를 통과 할 때 6보아야한다. 레이저 선폭이 신호로부터 측정 될 수있다. 완전한 광학 설정은 그림 1에서 볼 수 있습니다.

콘텐츠 폭 FO = "5 인치": SRC = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg"SRC = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg"/> FO "그림 1"
... 그림 1 완전한 광학 설정이 논의 된 ECDL 시스템에 대한 완전한 광학 설정의 예입니다 :이 ECDL의 리트로 구성을 보여줍니다. 회절 격자에 입사하는 빔의 일반적으로 20 ~ 30 % 비율은 다시 다이오드로 회절된다. 회절 각도와 반사 각도는 동일하다. 격자는 격자의 각도를 제어하는 피에조를 사용하여 튜닝을 스테이지에 장착된다 B :. 레이저 다이오드로부터 출력 광선은 0 차 반사 된 뒤 전송되는 ^{1 차} 회절과 θ의 각도로 회절 격자에 입사 입사 빔의 경로를 따라. 인 광학의 위치 및 방향 :. 회절 된 빛의 파장은 λ = 리트로 구성의 2 차원 죄 (θ) C에 의해 주어진다olator 레이저 다이오드 D에 원치 않는 피드백을 줄이기 위해 :. 레이저 상자에서 출력 빔은 λ / 2 파장 판과 PBS를 통과하여 파장계에 정렬됩니다. 반사 및 투과 광선 전력 파장 판을 회전시킴으로써 조정될 수를 E :. 빔 라인은 실험을 위해 사용된다. 이 줄은 레이저의 파워의 대부분을 포함 할 F를 :. PBS를 통해 포화 강도 또는 위의 기준 빔을 통과, λ / 4 파장 판, 기준 가스 셀과 복고풍 다시 PBS 상에 반영. 그것은 두 개의 빔이 아니라 적절한 포화 분광을 얻기 위해 중첩되는 것이 중요하다. 파장 판은 빔 스플리터의 반대 포트를 종료 할 수 있도록 입사 빔으로부터 90 ° 회전합니다 복고풍 반사 빔을 빛의 편광을 보장합니다. 큰 IMAG를 보려면 여기를 클릭하십시오전자.

도 2. 레이저 다이오드 보호 회로. 레이저 다이오드 전류의 예 보호 회로. R 1 및 C 1 형 염기성 RC 회로 및 고주파 노이즈. D 1, D 2를 걸러 각각 쇼트와 제너 다이오드이다. 빠른 응답 시간을 가지고, 쇼트 키 다이오드, 역 전압을 방지하는 위치에 있으며, 느린 응답 시간을 갖는 제너 다이오드가함으로써 회피 전류 경우 레이저 다이오드의 최대 동작 전압 이상으로 통과 할 수 있도록 설계 레이저 다이오드가 손상. 구성 요소에 대한 일반적인 값은 R 1 = 1 Ω, C 1 = 1 MF, D 1 = 30 V가, R1과 C1을 위해 선택 D 2 = 6 V. 값은 다이오드의 전류 변조 대역폭을 제한 할 수 있습니다. 이보다 적을 수 있습니다이상적인 에러 신호가 현재 변조 대신 논의 제만 변조를 통해 생성되는 경우.

. ECDL 그림 3 경쟁 모드 녹색 :.. 50 GHz의 격자에 따라 ≈ 회절 격자 주문의 선 폭 레드 고체 라인 레이저 다이오드의 내부 캐비티 모드는 ≈ 10 MHz 및 무료 스펙트럼 범위 ≈ 80 GHz의 폭 . 레드 대시 : 반사 방지 코팅 다이오드의 내부 공동. . ≈ 500 kHz의 선폭 ≈ 5GHz의 자유 스펙트럼 범위를 갖는 외부 공동 모드 : 선택된 다이오드 nm의 범위에서 블루 라인 폭을 가질 것이다. 3 cm 길이 외부 공동의. 격자 각도를 조절하면 녹색 곡선과시의 중심을 이동합니다 로 섞고뿐만 아니라 파란색 곡선을 이동 차례의 외부 공동의 길이를 변경합니다. 다이오드 전류 및 온도의 조절이 적색 곡선을 이동할 것이다.

.. 그림 4 포화 흡수 분광 및 해당 오류 신호 루비듐 87 낮은 곡선 :. 도플러 무료 분광법에서 형성된 훨씬 광범위한 도플러 흡수 피크에 포화 흡수 피크. 상단 곡선 : 해당 포화 흡수 시스템의 오류 신호. 오류 신호 위의 레이블은 원자 전환 (F → F ')에 해당합니다.

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그림 5. 제만 코일. 코일 제만 변조에 사용되는 루비듐 증기 셀 감싸.

그림 6. 레이저 선폭. 신호는 두 개의 유사한 레이저에 의해 형성되는 비트 음의 스펙트럼 분석기에서 인수했다. 그림에서, 비트는 206.24 MHz와 20 밀리의 통합 시간 0.3 MHz의 선폭의 주파수를 갖는다.

전류를 제어	범위	잡음
토르 연구소 :
LDC200CV	0~20mA	<1 μA (10 Hz에서 -10 MHz의)
LDC201CU	0~100mA	<0.2 μA (10 Hz에서 -10 MHz의)
LDC202C	0-200mA	<1.5 μA (10 Hz에서 -1 메가 헤르츠)
LDC205C	0-500밀리암페어	<3 μA (10 Hz에서 -1 메가 헤르츠)
Moglabs :
DLC-202	0-200mA	<300 PA / √ Hz에서
DLC-252	0~250밀리암페어	<300 PA / √ Hz에서
DLC-502	0-500밀리암페어	<300 PA / √ Hz에서
스탠포드 연구 시스템 :
LDC500	0~100mA	<0.9 μA의 RMS (10 Hz에서 -1 메가 헤르츠)
LDC501	0-500밀리암페어	<4.5 μA의 RMS (10 Hz에서 -1 메가 헤르츠)
Toptica :
DCC 100분의 110	0~100mA	200 nA의 RMS (5 Hz에서 1 MHz의)
DCC 500분의 110	0-500밀리암페어	1 μA의 RMS (5 Hz에서 1 MHz의)
온도 조절기
토르 연구소 :
TED200C	-45 ~ 145 ° C	± 2 mK의
Moglabs :
DLC-202	-40 ~ 50 ° C	± 5 mK의
DLC-252	-40 ~ 50 ° C	± 5 mK의
DLC-502	-40 ~ 50 ° C	± 5 mK의
스탠포드 연구 시스템 :
LDC500	-55 ~ 150 ° C	± 2 mK의
LDC501	-55 ~ 150 ° C	± 2 mK의
Toptica :
DTC (110)	0 ~ 50 ° C	± 2 mK의

표 1. 다이오드 전류 및 온도 조절기. 자신의 범위 및 소음 수준을 가진 다양한 기업의 다이오드 전류 및 온도 컨트롤러.

토론

이 책은 레이저 선폭의 측정을 생산하기 위해 정렬 및 주파수 잠금을 통해 분해 ECDL에서 이동하는 방법을 보여 주었다. 기계 설계와 같은 PID 서보, 다이오드 드라이버와 온도 컨트롤러와 같은 전자 제품의 디자인도 여기에서 논의되는 전문하지만 종합적으로 참조 출판물 ^1,3,5에서 논의되었다.

다이오드 ECDL의의 원자 물리학 연구소, 종에 도달 할 수있는 심지가 제한됩니다 전환에 스테이플되고있다하더라도. 많은 진전 그러나 현재 많은 엇갈림 특히 UV에 남아 다이오드 기반 레이저로부터 파장 범위를 넓히는 제되었다. ECDL 시스템의 전원 제한은 자신의 응용 프로그램을 제한하는 것을 계속한다. 맨 손으로 단일 모드 다이오드 μWatts에서 mWatts 100의 전원에 이르기까지 다양합니다. 또한, 테이퍼 증폭기는 단일 모드의 총 레이저 파워를 증가 ECDL 시스템에 추가 될 수있다와트 수준까지. 와트 또는 다른 파장보다 훨씬 더 단일 모드의 힘이 필요한 경우 다른 레이저 아키텍처가 필요합니다. 이들은 광섬유 레이저 ^{26, 27} 등 TiSaph의 레이저와 같은 고체 레이저 또는 그들이 비선형 주파수 변환에 의존 할 수있다 이러한 라만 레이저와 같은 ^27를 처리, 네 광파 혼합, 합 주파수 생성, 또는 광 파라 메트릭 발진기 (가) 있습니다.

이 책은 원자 증기 셀에 의존하는 잠금 메커니즘에 초점을 맞추고 있습니다. 원자 물리학 간단한 유리 증기 셀에서 많은 응용 프로그램의 경우, 여기에 설명 된대로 사용하지 못할 수도 있습니다, 예는 YB와 같은 종의 경우입니다. 종의 다양한 기준 샘플을 얻기위한 다른 많은 기술들은 뜨거운 원자 빔, 방전 램프, 버퍼 가스 셀, 요오드 셀 및 스퍼터링 세포로 입증되었다.

이 레이저 시스템 설계는 본질적 ≈ 30 kHz의 ^2의 선폭에 한정8 일반적으로 100 kHz까지 가까이. 응용 프로그램이 좁은 선폭 다른 안정화 기술을 필요로하거나 다른 레이저 ^(26)이 필요한 디자인합니다.

광학 시스템을 사용 할 때마다, 청결이 가장 중요합니다. 먼저 장갑 실수 광학 표면을 만져 방지하기 위해 착용 광학로 취급 도입 할 때 좋은 방법입니다. 광섬유에 흠집이있는 경우는 레이저 시스템에 사용되어서는 안된다. 대부분의 경우 지문이나 먼지가 광학은 각각 아세톤 또는 압축 공기로 청소를 할 수 있습니다. 광학 표면의 모든 불완전하고 시스템에 손실을 잠재적으로 소음을 소개 할 수 있습니다. 광학 마운트는 항상 광학 벤치에 고정되어야하고 단단히 한 곳에서 아래로 볼트로 고정해야합니다.

이러한 파장 판과 편광 빔 스플리터 등의 광학 장치를 정렬 할 때, 빛이 광학 표면에 수직 근처에 입사 보장하면서 아보다시 레이저에 반사를 iding. 입사각이 광학 소자의 동작을 90 °에서 벗어나는으로 이상적인로부터 더 추가되어 있고. 수차를 최소화하고 개구 빔을 최대화하기 위해 항상 렌즈의 중심을 통과하고 상기 렌즈에 수직이어야한다. 반대로, 증기 셀 탈론 효과를 피하기 위해 입사 빔에 약간의 각도로 배치되어야한다. 이러한 이유로 많은 증기 세포가 병렬이 아닌 최종면으로 제조된다.

여기에 사용되는 레이저는 클래스 (3B)이다. 심지어 부유 반사 눈 손상의 가능성이 있습니다. 이러한 종류의 레이저로 작업하는 만 레이저의 위험을 잘 훈련 된 인력에 의해 수행되어야한다. 레이저 안전 고글을 언제나 사용할 것. 광학 정렬에 대한 레이저의 경로를 아래로 쳐다 보지 및 광학 부품 오프 위험한 거울 반사를 생성하지 않도록주의해야 마십시오. 항상 긍정적으로 빔 라인 USI을 종료빔 덤프를 겨.

자료

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