בנייה ואפיון חיצוני לייזרי חלל דיודה לפיסיקה אטומית

זה נייר הדרכה להנחות את הבנייה ואבחון של לייזרים חיצוניים דיודה החלל (ECDLs), כולל בחירת רכיבים ויישור אופטי, כמו גם את היסודות של מדידות ספקטרוסקופיה התייחסות התדירות וlinewidth הלייזר עבור יישומים בתחום הפיזיקה אטומית.

מאז הפיתוח שלהם בסוף 1980s, הזול, אמינים לייזרים חיצוניים דיודה החלל (ECDLs) החליפו צבע מסורתי מורכב ויקר ולייזרי טיטניום ספיר כליזר סוס העבודה של מעבדות פיסיקה אטומיות ^1,2. צדדיות שלהם והשימוש פורה ברחבי פיסיקה אטומית ביישומים כגון ספקטרוסקופיה קליטה ולייזר קירור ^1,2 עושה את זה הכרחי עבור תלמידים נכנסים כדי להשיג הבנה מעשית איתנה של לייזרים אלה. פרסום זה מתבסס על עבודת הזרע על ידי Wieman ^3, עדכון רכיבים, ומתן הדרכה וידאו. אפיון התקנה, נעילת תדר וביצועים של ECDL יתואר. דיון בבחירת רכיבים והרכבה נכונה של שני דיודות ושבכות, הגורמים המשפיעים על בחירת מצב בתוך החלל, יישור נכון על משוב אופטימלי חיצוני, התקנה אופטית למדידות רגישות תדר גס ועדין, סקירה קצרה של locki הלייזרטכניקות ng, ומדידות linewidth הלייזר כלולות.

מדידה והמניפולציה של המצב הקוונטי של האטומים היא בלב של פיסיקה אטומית ודורשת את היכולת לטפל במעברים ספציפיים בין מצבים אלקטרוניים אטומיים. לדוגמא לשקול רובידיום, אטום אלקלי בשימוש טיפוסי והרבה. הנה, את אורך הגל של אור צימוד הקרקע והמדינה אלקטרונית נרגשת הראשון הוא ~ 780 ננומטר (384 THz) והחיים מתרגשים המדינה בשל פליטה ספונטנית הוא ~ 26 NSEC נותן linewidth קליטתם של 6 מגה הרץ ^4. לפיכך, מקור אור עם יציבות תדירות של לפחות חלק אחד ב108 נדרש להתייחס המעבר הזה באופן מהימן.

לפני הפיתוח של ECDLs, לייזרי צבע ולייזרי טיטניום ספיר שימש בדרך כלל לפיסיקה אטומית. אלו הן מערכות גדולות, יקרות ומורכבות המציעות רווח אופטי על פני רוחב פס גדול ולכן יכול להיות מכוונת לחפיפת מעבר אטומי. הפוטנציאל להחליף מדיה רווח אלה עם wi זול, פשוט דיודת לייזר מהונדסתה bandgap אורך הגל הרצוי התאמה הוכר בתחילת 1980s ^1,2. פשוט, קל לבנות עיצובים אשר להשיג 100 linewidths קילוהרץ הובנו היטב ומקום משותף בתחילת 1990 ^3,5,6. תצורות שונות ועיצובים כבר הוכיחו כל אחד עם יתרונות וחסרונות. כנראה התצורות הנפוצות ביותר הן 9 תצורות Littrow ^3,5,7,8 וליטמן. דיון זה מתמקד הפשוט, תצורת Littrow שמוצגת באיור 1 א.

מספר מנגנוני כוונון משמשים בו זמנית על מנת להשיג דיוק גבוה בתדר הלייזר. ראשית, נדרש דיודה עם רווח מספיק bandgap הפקה באורך הגל הרצוי בטמפרטורת הפעלה השגה. דיודת הלייזר הטיפוסית תהיה רווח על פני כמה ננומטרים (THz). שנית, עקיפה רעיוני הצורם היא הזווית מכוונת כדי לספק משוב אופטי לתוך דיודה ברצויהאורך גל. בהתאם לסבכה, דיודה, העדשה מתמקדת בשימוש ויישורם, הצורם יבחר טווח תדרים של בדרך כלל 50-100 GHz. הלייזר יהיה להתנדנד באורך גל תהודה עם החלל החיצוני לייזר (בין הפן האחורי דיודה והצורמת). כוונון אורך החלל הזה על פני אורך גל מאפשר הלייזר כדי להיות מכוון על פני מגוון חופשי רפאים (ג / (2 ליטר)) סביב פסגת הרווח צורמת כאשר c, הוא מהירות האור ו-L, הוא אורך החלל, בדרך כלל - 1 5 סנטימטר (FSR 3-15 GHz). כאשר שני מצבי החלל הם אורך גל דומה מגל משוב השיא צורם הלייזר יכול לרוץ מרובה. כמצב חלל נדנוד מכוון רחוק יותר מהשיא הרווח מאשר במצב השכנים הופ מצב רצון הלייזר המגבילה את טווח הכוונון. התנהגותם של מצבי החלל ביחס למצב הצורם שניתן לראות באיור 3. טווח הכוונון חופשי הופ המצב הוא מדד ביצועי מפתח עבור ECDL. בו זמנית על ידי כוונון הזווית צורמת ואורך החלל שאפשר לכוון באופן רציף על פני הרבה טווחי רפאים חופשיים ללא מצב הכשות, מה שהופך את איתור ונעילה לתכונות ספקטרליות הרבה יותר קל ^8. כוונון אלקטרוני של אורך הנתיב האופטי של החלל לנעילה יכול להיות מושגת על ידי שילוב של כוונון הזווית / מיקום הצורם באמצעות מפעיל piezo (איור 1 א) (רוחב פס סריקה ~ 1 kHz) וכוונון דיודה הנוכחית שבעיקר מודולציה השבירה מדד של דיודה (≥ רוחב פס סריקת קילוהרץ 100). באמצעות דיודות לייזר ולא נגד השתקפויות (AR) שבבי רווח מצופים למדיום הרווח מוסיף סיבוך נוסף של הוספת תגובת החלל הפנימית דיודת לייזר אשר עשוי להיות טווח ספקטרום חופשי טיפוסי של 100-200 GHz. במקרה זה החלל חייב להיות מכוון כדי להתאים את התגובה מהצורמת הטמפרטורה. שימוש בדיודת לייזר ולא שבב רווח AR מצופה יהיה להפחית באופן דרמטי לא בחינם הופ המצבמגוון uning אלא אם יש אמצעי לסינכרוני מנגינה הנוכחית דיודה או טמפרטורה. לבסוף, כדי להשיג linewidth טובה יותר מתשומת לב קפדנית 100 קילוהרץ יש לשלם כדי לחסל מקורות רעש אחרים. זה דורש תכנון מכאני מדוקדק של mounts כדי למזער רעידות אקוסטיות, ייצוב טמפרטורת רמת ח"כ, RMS יציבות נוכחית של דיודה ברמת ≤ 30 Na וכוונון קפדני של הרווח של כל נעילת לולאות ^10. בחירת האלקטרוניקה המתאימה ליישום היא חשובה בדיוק כמו עיצוב הלייזר ואופטיקה. ניתן למצוא רשימה של בקרי דיודה ומפרטים בטבלה 1.

ברגע שlasing היציב הושג, את הדרישה הבאה היא לנעול את תדר הלייזר להתייחסות כגון מעבר אטומי, חלל אופטי או לייזר אחר. פעולה זו מסירה את ההשפעות של סחף איטי כגון תנודות טמפרטורה קטנות, בעצם ביטול רעש לתדרים עםברוחב הפס של נעילת הלולאה. יש מספר עצום של נעילת טכניקות שפותחו לקבלת אות שגיאה, מתאימה כל אחת למערכת ייחוס מסוימת. ניתן להשיג אות שגיאה לשלב נעילת שני לייזרים על ידי ערבוב של שני הלייזרים על מפצל קרן. אולם בק"ג-Drever ¹¹ או ¹² נעילת הטיה יכולה לשמש לנעילה לחלל. כדי לנעול לשורה אטומית קליטת ¹³ DAVLL או ספקטרוסקופיה קליטה רוויה ^3,14 בשילוב עם אפנון הנוכחי ^10, זימן אפנון ^10, או ¹⁵ נעילת הטיה עשוי לשמש.

הנעילה של ECDL למעבר רובידיום באמצעות אפנון זימן של קליטה רוויה בתא אדים שיתואר כאן. אם קרן בעצימות נמוכה עוברת דרך תא אדי רובידיום בטמפרטורת חדר ואת התדירות מכוונת בקרבת המעבר האטומי ננומטר 780 מספר דופלר הרחיב תכונות ספיגה רחב ~-500MHzיקויימו ולא linewidth הטבעית ברוחב 6 MHz (ניתן למצוא חישובים עבור linewidths הטבעי ודופלר ברגל ^16). אם, לעומת זאת, קרן זו באה לידי ביטוי בסגנון רטרו, את המסירה השנייה תהיה פחות קליטה על תהודה כמו אטומים עם מהירות אורך אפס כבר מתרגש באופן חלקי על ידי לעבור את הראשון ^17. תדרים אחרים ייקלטו על ידי אוכלוסיות מהירות שונות בכל מעבר, ולכן קליטה לא תהיה רוויה. ניתן להשיג בדרך זו תכונת הולכה לכאורה מעולף על קליטת דופלר הרחיב במעברים ברוחב כ linewidth הטבעית. זה מספק התייחסות תדירות מוחלטת חדה לנעול ל. תדירות המעבר האטומי עשויה להיות מווסתת באמצעות אפקט זימן על ידי מיזוג צבעי עוצמת שדה מגנטי בתא ההתייחסות. שדה מגנטי הומוגנית מתאים עשוי להיות מופק באמצעות התקנת סולנואיד כפי שמוצג באיור 5. אופן אלקטרוני ערבובצורת הגל מאופנן עם שידור הקליטה הרווי מייצרת אות שגיאה שיכול לשמש כדי להתאים הנוכחי דיודה ומשולבת כדי להתאים את מתח piezo. לכן, הלייזר יכול להיות נעול למעבר ללא צורך לווסת את תדר הלייזר.

Linewidth של ECDL נמדדת בדרך כלל על ידי הפרעת שני לייזרי תדר נעול מאותו הסוג במפצל קרן ^18. תדירות הפעימה בין הלייזרים נמדדה אז באמצעות דיודת אור מהירה ומנתח ספקטרום ה-RF. ספקטרום הרעש מעבר לרוחב פס נעילת הלולאה אז מצויד ויגט (פיתול של גאוס ולורנץ) פרופיל. הרעש מהלייזרים השונים להוסיף בנצב. במקרה של שני לייזרים שווי ערך זה נותן linewidth מצויד של √ (2) פעמים linewidth לייזר אחת. אם לייזר זמין עם linewidth ידועה קטנה יותר באופן משמעותי מזו הצפויה מECDL והיא נמצאת בטווח הכוונון של ECDL, אז זה יכול להיות בשימוש במקום. שיטה נוספת המשמשת בדרך כלל למדידת linewidth היא הטכניקה המאוחרת עצמי המקלט הישיר ^19,20 שבו חלק מהקורה נשלח לאורך קו עיכוב אופטי כגון סיבים ולאחר מכן מעורבבת במפצל קרן עם הלייזר. טכניקה זו מסתמכת על העיכוב להיות ארוך יותר מאורך הקוהרנטיות של הלייזר מתחת למדידה. זה עובד היטב עבור לייזרים רועשים אבל לליזר 100 linewidth קילוהרץ אורך קוהרנטיות הוא בסביבות 3 קילומטר, שמתחיל להיות לא מעשי. לחלופין, מעבר אטומי בתא קליטה רווי או חלל פברי פרו-יכול לשמש כדי לספק ייחוס תדר למדידת linewidth הלייזר. במערכת זו תדר הלייזר יצטרך לשבת בחלק ליניארי של אתר קליטה רוויה או תהודה פברי פרו-ולא אפשר לסרוק בתדר. על ידי מדידת רעש האות על דיודה תמונה וידיעת linewidth התהודה, ניתן למצוא הרעש בתדר. הגבול התחתון של liמדידת newidth מוגבלת לאחר מכן על ידי השיפוע של התהודה השידור.

נוכחותם של מצבי lasing סדר גבוהים יותר עשויה להיבדק על ידי התבוננות ברעש בעוצמה בתדר של טווח הספקטרום בחינם באמצעות מנתח ספקטרום RF או באמצעות סריקה פברי פרו-או מנתח ספקטרום אופטי עם רזולוציה טובה יותר מאשר הרפאים בחינם מגוון ECDL. טווח הכוונון הגס ניתן למדוד על ידי מדידת הכוח כפונקציה של אורך גל (באמצעות wavemeter, monochromator, או מנתח ספקטרום אופטי) ואילו כוונון הלייזר על פני גבולותיה באמצעות צורם. טווח הכוונון החופשי הופ המצב נמדד בדרך כלל באמצעות חלל פברי פרו-סריקה בי הופ מצב יכולה להיות מזוהה כקפיצה רציפה בתדר.

1. רכיב בחירה

1. בחר דיודה באורך הגל המתאים לאטום של עניין. זה קריטי, כי דיודה שנבחרה להיות מצב יחיד (מ"ר ויש לו מספיק כוח עבור היישום. דיודה המצופה נגד השתקפויות היא אידיאלית. דיודות אלה לא lase ללא התוספת של חלל חיצוני, והם נועדו במפורש לפעולת ECDL. יש להם ביצועים טובים יותר באופן משמעותי, במיוחד עבור יישומים בהם סורקים את אורך הגל של הלייזר הוא חשוב. דיודת הלייזר משמשת כאן מופיעה ברשימה של חומרים).
   כמו במקאדם et al. ^3, ECDL חייב להיות מתוכנן היטב להתאים דיודה ועדשת collimating. יציבות מכאנית וקשר תרמי הם קריטיים לפעולה טובה של הלייזר. על מנת להקל על הבנייה, ועיבוד מינימאלי, הצלחה כבר הייתה באמצעות לייזר דיודה לעלות עם צינור עדשה משולב (רשימה של חומרים).
2. בחר עדשה לcollimate דיודה. זהחשוב שהצמצם המספרי להיות דומה או גדול יותר מהצמצם המספרי של דיודה אחרת יהיו הפסדים משמעותיים. רוב דיודות צמצם גבוה מספרי (> 0.5) ודורשות עדשות אספריים, אחרת סטיות תגרום יעילות משוב נמוכה מאוד. ודאו העדשה היא נגד השתקפויות מצופים באורך גל ההפעלה, לבחור עדשה עם אורך מוקד ארוך כדי להגדיל את גודל הקרן על הסורג ואורך גל עיצוב ליד גל ההפעלה להפחית סטייה. עיין ברשימה של חומרים לעדשה בשימוש במערכת הפגינה.
3. בחר הסורג החיצוני המתאים לטווח התדרים של דיודת הלייזר והזווית המרכזית זרוע כוונון צורמת. אורך הגל של אור שנשבר לצו הראשון, תצורת Littrow, ניתנת על ידי = 2 חטא λ ד (θ), כאשר D הוא המרווח בין השורות צורמים, θ הוא הזווית צורמת של שכיחות וλאורך הגל ²¹ (איור 1). ישנם שני סוגים עיקריים של סריג עקיפה, הולוגרפית וקבעו, והן עשוי להיות יקדו או לא. בהתאם לסוג של צורם כוח diffracted עשוי להשתנות באופן משמעותי. לשאוף צורם הולוגרפית עם יעילות דיפרקציה של בין 20-30%. עיין ברשימה של חומרים לסבכה המשמשת במערכת הפגינה.
4. השתמש בעיצוב הפשוט ביותר לניהול - מורכבות לעתים קרובות משמעות הדבר היא חוסר יציבות. ישנם מספר עצום של עיצובי ECDL אבל הפשוט ביותר הוא Littrow ^3,5,7,22. קרא את המסמכים ותחליטו אם טווח הופ המצב גדול בחינם (טווח תדרים שעליהם דיודה יכולה רציפות מנגינה בלי פתאום קופץ לתדר שונה), linewidth צרה מאוד או וריאציה הצבעה מופחתת היא בעל חשיבות הגדולה ביותר ליישום. השג מידע רב ככל האפשר לפני תחילת עיצוב ECDL. לעתים קרובות ECDL הצורם הוא יותר מתאים ליישומים בפיסיקה אטומית.
5. זה חשוב להבין כי את הביצועים של ECDL הוא הכי חזק מושרשים באלקטרוניקה המניעה את זרם דיודה ולייצב את הטמפרטורה של הלייזר. בלי קבוצה טובה של אלקטרוניקה התכנון המכני יבצע תחת. היא כללה השוואה של בקרים הנוכחיים וטמפרטורה שונים בטבלה 1. הרעש הנוכחי נמוך יותר, טוב יותר את הלייזר יבצע ^23.

2. עצרת

1. לצורך מאמר זה את נקודת ההתחלה להרכבת ECDL תהיה מערכת שלמה ECDL מכאנית רכוב על קריר ותרמית (TEC) ללא תדירות בחירת רכיבים (כלומר דיודה צורמת ולייזר).
2. בגין על ידי הצבת דיודת הלייזר בחור ההרכבה שלו בהתאמה ולאבטח אותו באמצעות טבעת ההרכבה שלה. היזהר שלא הטבעת גוברת על מומנט. זה צריך להיות הדוק אך לא הדוק.
3. לפני חיבור דיודת הלייזר לאספקה, che הנוכחיCK דף מפרט דיודה לינודה, קתודה ותפקידי פיני קרקע. זה משתנה מדיודה לדיודה ולשים את הזרם דרך דיודת לאחור יהיה להרוס אותו.
   1. דיודות לייזר הן התקני מתח נמוכים, בדרך כלל מקסימום V 5-10, ויש לנקוט זהירות כדי להבטיח שאין סטטית משתחררת להם. זה תרגול טוב ללבוש רצועת הארקה בעת טיפול בדיודות ולהתקין את מעגל הגנה (לדוגמא איור 2) על פני סיכות דיודת לייזר כדי למנוע מתחים גבוהים. דיודה יכולה וסיכות קרקע צריכה להיות מעוגנת באופן קבוע והשימוש בחוטים דקים יכול לסייע בהפחתת הצימוד של תנודות מכאניות.
4. הגדר את טמפרטורות מקסימום ומינימום ואת גבולות מקסימום דיודה וTEC הנוכחיים בבקר דיודה פי הערכים בגיליון מפרט דיודה. אם טמפרטורת הפעולה המינימלית היא מתחת לנקודת טל למעבדה ולאחר מכן להשתמש בטמפרטורה מינימאלית של ~ 2 מעלות צלזיוס אבויש נקודת טל. זה יהיה למנוע התעבות.
5. דף מפרט דיודה בדרך כלל יש דמות טמפרטורה לעומת אורך גל בנוכחי דיודה נתון. השתמש בנתון זה כנקודת התייחסות בתחילה להגדיר את טמפרטורת דיודה (ונוכחי) כדי להתאים את אורך הגל של עניין. אם טמפרטורה לעומת גרף אורך גל אינה זמינה להתאים את טמפרטורת הסט לטמפרטורת חדר.
6. סובב את בקר הטמפרטורה ובלאפשר הטמפרטורה לייצב.
7. הפעל את דיודה ולהפוך את הזרם כך שאלומת הפלט תהיה ברורה שנצפתה עם כרטיס צפייה. השתמש בכרטיס IR כדי לראות את הקורה.
8. הכנס את עדשת collimating אספריים וcollimate דיודת הלייזר על ידי התאמת ההפרדה בין דיודה ואת העדשה. על מנת להבטיח collimation הטוב לוודא שיש את הקרן דרך ברורה, באופן אידיאלי> 3 מ ', ולהתאים את מיקום העדשה עד קוטר האלומה רק לאחר ECDL ובסופו של נתיב הקרן הם אותו הדבר, להיות בטוח כדי לבדוק ש אני הקרןs לא מתמקד בכל נקודה לאורך המסלול.
9. בדוק את הקיטוב של לייזר דיודה הוא במישור הרצוי לסריג העקיפה (S או P). ברוב המקרים הקיטוב של דיודה הוא לאורך הציר הקצר של צורת האלומה סגלגלה אבל זה תרגול טוב כדי לבדוק את קיטוב ציר באמצעות מפצל אלומה מקטב.
   1. אם ציר הקורה הוא לא במישור הרצוי, לשחרר את טבעת ההרכבה דיודה ולסובב את דיודה עד הכיוון הנכון מושגת. כמה עיצובי ECDL לאפשר לזה להיעשות עם הלייזר ומחובר למקור הזרם ואחרים לא. אם חוטי האספקה ​​הנוכחיים יש להסיר כדי לסובב את דיודה, כבה את האספקה ​​הנוכחית בתיבת הבקרה ולהסיר את החוטים. בקרת טמפרטורת ECDL יכולה להישאר בבמהלך תהליך זה. זכור תמיד ללבוש רצועת הארקה בעת הטיפול בדיודה.
   2. אם היה צורך למקם מחדש את דיודה חזור על השלב הקודם כדי recollimate דיודה.
10. מטוס דיפרקציה של צורם בדרך כלל מסומן על ידי היצרן עם חץ בניצב לקווים צורמים ובכיוון של ההשתקפות יקדה. בדוק זאת על ידי התבוננות בהשתקפות ממקור אור בפס רחב, כגון הנורה, כפונקציה של זווית.
    1. אם הצורם מתקיים עם החץ מצביע בחזרה לכיוון הצופה ורחב מקור אור הלהקה מעל הראש, האור המוחזר ישתנה בצבע כפונקציה של זווית צורמת.
    2. הר הצורם כל כך שנקודתי החץ חזרה לכיוון דיודה ובכך להתאים את הזווית צורמת משתנים אורך הגל מוחזר לדיודה (איורים 1 א ו 1 ב ').
11. ברגע שהנטייה צורמת אושרה דבק הצורם על זרוע כוונון ECDL באמצעות דבק הגדרה מהירה כמו Loctite.

3. יישור משוב

1. הנח כרטיס צפייה מיושר לפלט ECDL להיותאני. זה ישמש כדי לפקח על כוח הלייזר כפי שמבוצעות התאמות להצבעה של קרן האור המוחזרת. מד כוח יכול לשמש גם, אבל הוא איטי יותר בתגובתה.
2. התאם את הסט הנוכחי על תיבת בקרת דיודה ממש מתחת לסף הנוכחי לדיודות רעיוני מול פן ו1 / 3 הנוכחי המרביות לשבבי רווח AR מצופים דיודה. דיודות פן קדמיות רפלקטיבית תהיה סף נוכחית על גיליונות המפרט או את הנתונים שלהם בזמן AR מצופה שבבי רווח לא.
3. התאם את הזווית של הזרוע צורמת אופקי ואנכי, לכוון את אלומת האור שנשבר חזרה לדיודה, מה שהופך את חלל משוב חיצוני בצורה יעילה. כאשר הקרן מופנה לדיודת הלייזר יהיה גידול משמעותי בתפוקת החשמל, נצפים כעלייה ניכר או הבזק בהיר על כרטיס צפייה או עלייה דרמטית של כוח כאשר נמדדו באמצעות מד כוח או דיודת אור.
   1. כרטיס צפייה הוא לא o מדד מאוד כמותיתו כוח כך שהוא עשוי להיות נחוץ כדי להקטין באופן הדרגתי את זרם דיודת הלייזר ולהתאים מחדש את קורה המשוב עד שההתנהגות הנ"ל ניתן לראות בזרם הנמוך ביותר האפשרי.
   2. התאמת עמדת המוקד או צירי עדשת collimation כדי לייעל את ההתמקדות בפן דיודה יכולה עוד להוריד את הסף ולהגדיל את תפוקת החשמל לאחר שזה יהיה צורך reoptimize הזווית הצורם אופקי ואנכי.

4. בחירת תדר ראשונית

1. ליישור הראשוני התדירות של לייזר מדידה מוחלטת של אורך גל עם דיוק של <1 ננומטר ואופן אידיאלי <0.1 ננומטר הוא אידיאלי. מדידת תדר גסה זה תעשה את זה להרבה יותר קל לכוון את תדר הלייזר על גבי מעבר אטומי בשלב מאוחר יותר. ישנן אפשרויות רבות, כולל באמצעות wavemeter, מנתח ספקטרום אופטי, ספקטרומטר, או monochromator עם מצלמה. ודא משמש מכשיר מדויק מכויל או לבדוק גalibration למשל, באמצעות לייזר HeNe. לחלופין, התאמת התדר הגסה בדרך כלל ניתן להשיג זאת על ידי הליכה והזווית הנוכחית צורמים בזמן שהליזר הוא סריקה עד שניתן לראות קליטה או אות הקרינה מסלולרית התייחסות אדים.
   1. בדרך כלל קרן משנית הרימה את מראשי הקרן, באמצעות פריזמה טריז זכוכית או λ / 2 waveplate ומפצל אלומה מקטב, ישמש כקלט לwavemeter. התקנת אופטיקה זה ניתן לראות באיור 1D. עיין ברשימה של חומרים לחומרים המשמשים בהפגנה זו.
2. התאם את ECDL עד אורך גל הפלט הרצוי מתקבל. דיודה נהיגה טמפרטורה, זווית נוכחית, צורמת ואורך חלל החיצוני תהיה כל אלה משפיעים על תדר הלייזר ²⁴ (איור 3).
   1. בגין על ידי התאמת הזווית צורמת, ביד או באמצעות piezo. שנית, להתאים הנוכחי דיודה.
   2. אם freque הרצויncy הוא הכחול של מגוון לטאטא הצורם, טמפרטורת דיודה צריכה להיות ירידה ולהיפך, אם אורך הגל הרצוי הוא אדום.

5. התאמות תדר פיין ונעילת תדר

1. הגדרת ספקטרוסקופיה קליטה רוויות בתפוקת ECDL באמצעות התצורה באיור 1F ^3,14,17. השימוש במבודד אופטי מייד לאחר הלייזר הוא חיוני (תרשים 1C). זה חשוב כדי למנוע חזרה השתקפות לליזר, אשר יכול לגרום לחוסר יציבות. ספקטרוסקופיה קליטה רוויה באמצעות תא התייחסות, המכיל אטום של עניין היא דרך פשוטה לנעול לייזר למעבר אטומי צר ^25.
   1. ודא תא ההתייחסות הוא בזווית כדי למנוע חזרה השתקפויות וכי רטרו המראה משקף את הקורה בחזרה דרך תא האדים עם חפיפה מקסימלית. הכוח הכפול לעבור מועבר עשוי להיות במעקב באמצעות דיודות התמונה כEאורך גל CDL נסרק.
2. רוב בקרי דיודה יהיו בנוי בפונקציית סריקה שתסרוק את אורך הגל על ​​ידי התאמת המתח הצורם piezo ולכן הזווית צורמת ואורך חלל חיצוני או על ידי ויסות הנוכחית דיודה. הרוחב, סריקת קיזוז וטמפרטורת לייזר ונוכחי צריכה להיות מותאמת עד אות קליטה ניתן לראות על היקף מחובר לגלאי צילום. כאשר הלייזר הוא סריקה על המעבר האטומי זה צריך להיות אפשרי כדי לראות את נתיב קרן לייזר בלזרוח תא אדים או תהבהב בעין בלתי מזוינת או באמצעות צופה IR.
3. הכוח ליחידת שטח באלומת ההתייחסות לספקטרוסקופיה קליטה רוויה חייב להיות בבית או מעל עוצמת הרוויה עבור המעבר האטומי. השתמש בצלחת גל λ / 2 לפני מפצל קרן הקיטוב כדי להגדיל את הכוח עד שאות קליטה ברורה שניתן לראות. ניתן למצוא חישובים של עוצמות הרוויה ברגל ^16.
4. עם סריקת הלייזר על המעבר האטומי Rb ננומטר 780, אות דופלר רחבה הרחיבה קליטה יש לראות, ~ 5 רוחב GHz, עם כמה מעברים חדים ~ 10 MHz נשרף ברגל ¹⁶ (איור 4). צמצום הכוח המשמש להפקת אות הקליטה רוויה יש צורך להפחית הרחבת כוח ולייצר תכונה חדה יותר כדי לנעול ל.
5. כדי לנעול את תדר ECDL, יש צורך באות שגיאה. על ידי הנחת סלילים סביב תא ההתייחסות כמו באיור 5 ¹⁰ ונדנוד השדה המגנטי, רמות זימן ובכך התדרים של המעברים הם מווסתים. במקרה זה עובר זרם דרך סלילי זימן הוא מווסת בסביבות 250 קילוהרץ בעצמה של ~ 1 ג
6. מערבבים את אות הקליטה מגלאי צילום קליטה רוויים באות האפנון ממחולל הפונקציה. כאשר הפלט מהמיקסר מוצג על היקף זה צריך להיות si אות שגיאהמילר באיור 4. סדר הגודל של אות השגיאה יהיה תלוי בשלב היחסי בין שני האותות מעורבים. סובב את מפצל אלומת λ / 4 לפני תא האדים להתאים את השלב.
7. בהדרגה להפחית את טווח הסריקה ולהתאים את הקיזוז כדי למרכז את הסריקה על המעבר של עניין ללא מעברים אחרים בהווה.
8. מעגל פרופורציונאלי-נפרד נגזר (PID) (לדוגמא ראה מקאדם et al. ³⁾ ניתן להשתמש בו כדי לנעול את אורך גל ECDL באמצעות אות השגיאה. רווח מח"ש צריך להיות מופחת מתחת לנקודה שבה צלצול שנצפה על ידי מחפש את הנוכחות של אפנון באות השגיאה (למשל באמצעות מנתח ספקטרום או התמרה של עקבות אות שגיאה).

6. מדידת linewidth

1. על מנת להגיע למדידת linewidth מדויקת יש צורך להיות גם מקור ידוע צר linewidth (לייזר אחר עם linewidth פחות באופן משמעותי מECDL), שתיים מאותה ECDLs או קו עיכוב ארוך בהשוואה עם אורך הקוהרנטיות של ECDL. הנה שתי ECDLs יהיה הפריע למדוד linewidth. לחלופין, ייתכן שיהיה קל יותר לנעול לתהודה המיוצרת על ידי מעבר אטומי או חלל פברי פרו-ובכושר לרעש מעל לרוחב הפס של נעילת הלולאה.
2. נעל את שני לייזרים למעברי hyperfine שונים, באופן אידיאלי סביב 100 MHz לקזז. זה יהיה למזער את ההשפעה של רעש אלקטרוני.
3. מצב, עוצמה וקיטוב להתאים את שתי קורות ותפרענה אותם יחד באמצעות 50/50, nonpolarizing מפצל קרן. ליישר את הקרן וכתוצאה מכך על גלאי צילום. פלט האות על גלאי התמונה צריך להיות גל סינוס בתדירות של התדירות של הלייזר שני לקזז. זה עשוי להיות נחוץ כדי להחליש או defocus קורה וכתוצאה מכך, כדי שלא לגרום נזק או להרוות את דיודת האור.
   1. החפיפה של שתי הקורות להכות תקבע את המשך שוליכפי שנצפו ראסט בהיקף במהלך מדידת linewidth. אם לעומת זאת השוליים הוא עניים, לבלות זמן נוסף לשיפור מצב ההתאמה וחפיפה של הקורות על מפצל הקרן וגלאי. שיטה טובה היא חופפת שתי הקורות באמצעות שתי איריס ", או חורי סיכה, מופרדים על ידי מרחק גדול יחסית, ~ מ '1.
4. זה יהיה קשה לפתור את התנודות התדירות בהיקפה. למדידה הטובה ביותר להשתמש במנתח ספקטרום, אשר ייתן לי פרופיל ויגט התמקד בתדירות הקצב עם linewidth f Δ, שווה לlinewidth לייזר והמפותלת (איור 6). לקירוב טוב העקבות יכולות להיות בכושר כדי גאוס וlinewidth מתקבלת מהכושר. הרעש או linewidth נמדד יהיה תלויה ברכישה או זמן אינטגרציה, אשר עשוי להיות מוגדרת על ידי התאמת רוחב פס ההחלטה על מנתח הספקטרום. מסיבה זו חשוב לצטט את זמן אינטגרציה כאשר מצטטים מ 'linewidth easured.

ישנם 5 שלבים עיקריים מעורבים ביישור, נעילת תדר ואפיון linewidth של ECDL. אלה הם: קבלת משוב מהסורג ומשתמש בזה כדי להגדיר את תדירות ECDL הגסה נמדדה על wavemeter, התבוננות קליטת לייזר בתא ההתייחסות, צפייה המעבר האטומי עם רזולוציה סביב linewidth הטבעית בהתקנת ספקטרוסקופיה קליטה רוויה, קבלת אות שגיאה סביב המעבר הרצוי ונעילה אליו, ולבסוף התבוננות פתק הקצב של שני לייזרים ומדידת linewidth הלייזר. שלב הראשון הושלם בהצלחה, די חסר חשיבות, כאשר אורך הגל כמו לקרוא על wavemeter המתאים למעבר האטומי של עניין. כאשר מנסים להשיג קליטה בתא ההתייחסות, בתפרחת ניתן לראות לאורך נתיב הקרן בתא עם צופה IR כאשר המעבר הוא פגע. אם ECDL היא סורק את התא יהבהב. אות קליטה רוויה עלולה להיות קשה לזהות whe n יישור ראשון, כי קווי ההולכה עשויים להיות קטנים מאוד בהשוואה לשיא ספיגה דופלר. כאשר פסגות, בדומה לאלה המוצגים באיור 4 ניתן לראות, מערכת הקליטה רוויה הוא עובד כמו שצריך. על ידי התאמת הפרמטרים בשלב סריקה ויש לקבל את אות שגיאה דומה לזה שמוצג באיור 4. על מנת למדוד את linewidth ECDL יש צורך לקבל אות פעימה בין שתי קורות. כקורות להיות חופפות יותר ויותר גל סינוס יתחיל להופיע, כפי שניתן לראות בהיקף מגלאי צילום. שמור על יישור עד הניגוד בין צמתים ואנטי צמתים הוא הגדול ביותר. כאשר האות הכה לאחר מכן עברה דרך מנתח ספקטרום אלקטרוני אות דומה איור 6 יש לראות. Linewidth הלייזר ניתן למדוד מהאיתותים. התקנת אופטיקה המלאה ניתן לראות באיור 1.

"איור 1" עבור: תוכן width = "5in" עבור: src = /> "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" src
.. איור 1 התקנת אופטיקה שלמה זו היא דוגמא להתקנה אופטית שלמה למערכת ECDL דנה:. זה מציג את תצורת Littrow של ECDL. אחוז, בדרך כלל 20-30%, האירוע הקורה על הצורם הוא שנשבר חזרה לדיודה. זווית העקיפה וזווית השתקפות שווה. הצורם הוא רכוב על במה כוונון אשר משתמשת piezo כדי לשלוט על הזווית צורמת B:. אלומת הפלט מדיודת הלייזר היא אירוע על הצורם בזווית θ לצו ה 0 המשקף הנחה והעקיף כדי ^st 1 שנשלח בחזרה לאורך נתיב קרן אירוע. אורך הגל של האור שנשבר ניתן על ידי λ = חטא 2 ד (θ) בתצורת Littrow C:. מיקום, וכיוון של האופטי הואolator להפחית משוב לא רצוי לדיודת לייזר D:. אלומת הפלט מתיבת הלייזר עוברת דרך waveplate λ / 2 ו-PBS ומיושרת לwavemeter. הכוח בקורות משתקפות ומועברות יכול להיות מותאם על ידי החלפה של waveplate E:. שורת הקרן המשמשת לניסוי. קו זה יכיל את רוב כוחו של הלייזר F:. לעבור את קורה התייחסות או מעל עוצמת הרוויה באמצעות PBS, λ / 4 waveplate, תא גז התייחסות, ורטרו לשקף אותו בחזרה על PBS. חשוב ששתי קורות גם חפפו לקבל ספקטרוסקופיה הרוויה נאותה. Waveplate יבטיח את הקיטוב של אור על קורה רטרו משתקף יהיה מסובב 90 ° מן הקורה האירוע שמאפשר לו לצאת מהיציאה השנייה של מפצל הקרן. לחץ כאן לצפייה במתאר לעצמי גדול יותרדואר.

איור 2. מעגל הגנת דיודות לייזר. מעגל הגנת דוגמא לזרם דיודת לייזר. צורת C 1 מעגל RC בסיסי R 1 ויסננו את הרעשים בתדר גבוהים. D 1 ו-D 2 הם שוטקי ודיודות זנר, בהתאמה. דיודה שוטקי, שבו יש זמן תגובה מהיר, היא במקום כדי להגן מפני מתח הפוך, ודיודת הזנר, שבו יש זמן תגובה איטי יותר, נועדה לאפשר נוכחית לעבור אם מעל למתח הפעלה המרבי דיודות לייזר, ובכך להימנע נזק לדיודת הלייזר. ערכים אופייניים עבור הרכיבים יהיו R 1 = 1 Ω, C mF 1 = 1, D = 1 30 V, D ו '2 = 6 הערכים שנבחרו לR1 ו C1 יגביל את רוחב פס האפנון הנוכחי של דיודה. זה עשוי להיות פחות מאידיאלי אם אות שגיאה היא להיות מיוצרת באמצעות אפנון הנוכחי במקום אפנון זימן לדיון.

מצבי איור 3 מתחרה בECDL ירוק:... רוחב קו של סדר סריג עקיפה ≈ 50 GHz בהתאם הצורם מוצק אדום: מצב החלל הפנימי של דיודת לייזר עם קו רוחב 10 ≈ MHz וטווח ספקטרום חופשי ≈ 80 GHz . מקף אדום: החלל הפנימי של דיודה המצופה נגד השתקפויות. דיודות אלו יהיו רוחב קו בטווח ננומטר הכחול:. מצבי חלל חיצוניים עם רוחב קו של 500 ≈ קילוהרץ וטווח ספקטרום חופשי של 5 ≈ GHz. מחלל חיצוני באורך 3 סנטימטר. התאמת הזווית צורמת תעבור מרכז העקומה וsi הירוקים multaneously לשנות את אורך החלל החיצוני בתור הסטת העקומה הכחולה גם כן. התאמה הנוכחית דיודה והטמפרטורה תעבור עקומות האדומות.

.. איור 4 ספקטרוסקופיה קליטה רוויות ואות שגיאה מקבילה לרובידיום 87 התחתון Curve:. פסגות קליטה רוויות בשיא ספיגה הרחב הרבה יותר דופלר נוצר מספקטרוסקופיה בחינם דופלר. עקומה עליונה: אות שגיאה למערכת הקליטה רוויה המקבילה. התוויות מעל אות השגיאה מתאימות למעבר האטומי (F → F ').

jpg "/>

איור 5. זימן סליל. סליל כרוך סביב תא אדי רובידיום משמש באפנון זימן.

איור 6. Linewidth לייזר. איתותים נרכשו ממנתח ספקטרום של פתק הקצב שהוקם על ידי שני לייזרים דומים. מהדמות, יש לו את הקצב בתדירות של 206.24 MHz וlinewidth של MHz 0.3 עם זמן אינטגרציה של 20 msec.

טבלת 1. דיודה נוכחית ובקרי טמפרטורה. הנוכחיים וטמפרטורת בקרי דיודה של חברות שונות עם הטווחים שלהם ורמות רעש.

פרסום זה הראה כיצד לעבור מECDL מפורק באמצעות נעילת היישור ותדירות כדי לייצר מדידת linewidth הלייזר. התכנון המכני והעיצוב של מוצרי האלקטרוניקה כגון servos מח"ש, דיודה נהגים ובקרי טמפרטורה מדי מתמחים שיידונו כאן, אבל כבר דנו באופן מקיף בפרסומי הפניה ^1,3,5.

למרות ECDL של דיודה הפכו מצרך במעבדות אטומיות פיסיקה, מינים ומעברים שממציאים אלה יכולים להגיע מוגבל. התקדמות רבה נעשתה בהרחבת טווח אורכי הגל מדיודות לייזר המבוסס אולם כרגע פערים רבים להישאר במיוחד בUV. מגבלות כוחה של מערכות ECDL ממשיכות להגביל את היישומים שלהם. דיודות מצב יחידה חשופות נעות בכוח מμWatts לשל mWatts 100 של. בנוסף, ניתן להוסיף מגברים מחודדים למערכת ECDL להגדיל את סך כוח לייזר המצב היחידעד לרמה ואט. אם סמכויות מצב יחידה גדולות בהרבה מואט או אורכי גל אחרים נדרשות ארכיטקטורות לייזר חלופיות נדרשות. אלה כוללים לייזרי סיבים ^26, לייזרים של מצב מוצק ²⁷ כגון לייזרי TiSaph או שהם עשויים להסתמך על המרת תדר ליניארית מעבד ²⁷ כגון לייזרי ראמאן, ערבוב ארבעה גלים, דור תדירות הסכום, או מתנד פרמטרים אופטי.

פרסום זה מתמקד במנגנון נעילה שתלויה בתא אדים אטומי. עבור יישומים רבים בפיסיקה אטומית תא אדי זכוכית פשוט, כפי שנדונו כאן, ייתכן שלא יהיה זמין, הוא כזה במקרה של מינים כמו Yb. טכניקות רבות אחרות להשגת דגימת התייחסות עם מגוון רחב של מינים הוכחו כגון, קורות חמות אטומיות, נורות פריקה, תאי גז חיץ, תאי יוד, ותאים מקרטעות.

עיצוב מערכת לייזר זה מוגבל מטבעו לlinewidths של 30 ≈ kHz ²8 ובדרך כלל קרוב יותר ל100 קילוהרץ. אם היישום דורש טכניקות ייצוב צרות linewidth אחרות או לייזר חלופי עיצובי ²⁶ הנדרשים.

בכל פעם שעובד עם מערכות אופטיות, ניקיון הוא בעל החשיבות עליונה. זה תרגול טוב, כאשר ראשון שהוצגו ולטיפול באופטיקה כי כפפות להשתפשף כדי למנוע נגיעה במשטח האופטי בטעות. אם אופטי שרוט זה לא אמור להיות בשימוש במערכת לייזר. ברוב המקרים אופטיקה עם טביעות אצבע או אבק ניתן לנקות עם אצטון או באוויר דחוס, בהתאמה. כל פגם במשטח אופטי יכול ויציג הפסד ופוטנציאל רעש למערכת. mounts אופטיקה צריך להיות קבוע לספסל אופטיקה בכל העת וצריך להיות נעול בחוזקה כלפי מטה פעם אחת במקום.

כאשר יישור אופטיקה כגון waveplates ומפצלי קרן קיטוב, להבטיח את האור הוא אירוע קרוב בניצב למשטח האופטי תוך avoiding השתקפויות בחזרה לליזר. כזווית אירוע חורג מ90 ° ההתנהגות של אלמנטים אופטיים אלה הופך להיות יותר ויותר מלהיות אידיאליים. כדי למזער את הסטייה ולמקסם את הקורות צמצם מספריות תמיד צריך לנסוע דרך המרכז של עדשות ולהיות נורמלי לעדשה. לעומת זאת, תא אדים צריך להיות ממוקם בזווית קלה לקורה האירוע כדי למנוע תופעות etalon. מסיבה זו תאי אדים רבים מיוצרים עם היבטי סוף nonparallel.

הלייזרים משמשים כאן הם 3B כיתה. יש גם השתקפויות תועות הפוטנציאל לנזק לעיניים. עבודה עם לייזרים מסוג זה צריכה להתבצע רק על ידי צוות מיומן שמכיר את הסכנות של לייזרים. יש ללבוש משקפי בטיחות לייזר בכל העת. אף פעם לא מסתכל ישירות במורד השביל של לייזר בשום צורה ליישור אופטי ולטפל בפרט, כדי למנוע יצירת השתקפויות specular מסוכנות מרכיבים אופטיים. תמיד חיובי לסיים USI קווי קורהng מזבלה קורה.

יש המחברים אין לחשוף. האזכורים של מוצרים וחברות ספציפיים לצורך ההבהרה בלבד ואינם מהווה המלצה המחברים.