यह बाहरी गुहा डायोड घटक चयन और ऑप्टिकल संरेखण सहित लेजर (ECDLs),, साथ ही परमाणु भौतिकी के क्षेत्र में अनुप्रयोगों के लिए आवृत्ति संदर्भ स्पेक्ट्रोस्कोपी और लेजर linewidth माप की मूल के निर्माण और निदान मार्गदर्शन करने के लिए एक अनुदेशात्मक कागज है.
सस्ते देर से 1980 के दशक में उनके विकास के बाद से, विश्वसनीय बाहरी गुहा लेजर डायोड (ECDLs) परमाणु भौतिकी प्रयोगशालाओं 1,2 के workhorse लेजर के रूप में जटिल और महंगा पारंपरिक डाई और टाइटेनियम नीलम लेज़रों जगह ले ली है. उनकी बहुमुखी प्रतिभा और ऐसे 1,2 ठंडा अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी और लेजर के रूप में आवेदन में परमाणु भौतिकी के दौरान विपुल उपयोग यह जरूरी आने वाले छात्रों को इन लेज़रों की एक फर्म व्यावहारिक समझ हासिल करने के लिए बनाता है. इस प्रकाशन के घटकों को अद्यतन करने, और एक वीडियो ट्यूटोरियल प्रदान करने, Wieman 3 द्वारा मौलिक काम पर बनाता है. एक ECDL की स्थापना, आवृत्ति बंद और प्रदर्शन लक्षण वर्णन वर्णित किया जाएगा. घटक चयन और डायोड और बिजली दोनों की उचित बढ़ते की चर्चा, गुहा के भीतर मोड, चुनाव प्रभावित करने वाले कारकों, इष्टतम बाहरी राय, मोटे और ठीक आवृत्ति संवेदनशील माप के लिए प्रकाशिकी सेटअप, लेजर locki की एक संक्षिप्त सिंहावलोकन के लिए उचित संरेखणएनजी तकनीक, और लेजर linewidth माप शामिल किए गए हैं.
मापने और परमाणुओं के क्वांटम राज्य से छेड़छाड़ परमाणु भौतिकी के दिल में है और परमाणु इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के बीच विशिष्ट संक्रमण का पता करने की क्षमता की आवश्यकता है. उदाहरण के लिए रूबिडीयाम, एक ठेठ और ज्यादा इस्तेमाल क्षार परमाणु विचार करें. इधर, जमीन युग्मन प्रकाश की तरंगदैर्ध्य और पहली उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक राज्य ~ ~ कारण सहज उत्सर्जन के लिए 780 एनएम (384 THz) और उत्साहित राज्य जीवनकाल है 26 6 मेगाहर्ट्ज 4 की एक अवशोषण linewidth देने nsec. इस प्रकार, 108 में कम से कम एक हिस्से की आवृत्ति स्थिरता के साथ एक प्रकाश स्रोत मज़बूती से इस संक्रमण का पता करने की आवश्यकता है.
ECDLs, डाई लेज़रों और टाइटेनियम नीलम लेज़रों के विकास आम तौर पर परमाणु भौतिकी के लिए इस्तेमाल किए जाने से पहले. ये एक बड़ी बैंडविड्थ पर ऑप्टिकल लाभ प्रदान करते हैं और इस तरह एक परमाणु संक्रमण ओवरलैप देखते जा सकता है कि बड़े, महंगी, जटिल प्रणालियों रहे हैं. एक सस्ता, सरल डायोड लेजर इंजीनियर वाई के साथ इन लाभ मीडिया बदलने की क्षमतावांछित तरंगदैर्ध्य से मेल खाते एक bandgap 1980 के दशक 1,2 में पहचाना गया था वें. सरल, 100 kHz linewidths अच्छी तरह से 1990 के दशक 3,5,6 द्वारा समझा और आम जगह थे प्राप्त डिजाइन जो आसान बनाने के लिए. कई अलग अलग विन्यास और डिजाइन के फायदे और नुकसान के साथ प्रत्येक का प्रदर्शन किया गया है. शायद सबसे आम विन्यास Littrow 3,5,7,8 और Littman 9 विन्यास कर रहे हैं. इस चर्चा चित्रा 1 ए में दिखाया Littrow विन्यास, सरलतम पर केंद्रित है.
ट्यूनिंग तंत्र के एक नंबर एक साथ लेजर आवृत्ति में एक उच्च परिशुद्धता प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है. सबसे पहले, एक डायोड एक प्राप्त ऑपरेटिंग तापमान में वांछित तरंग दैर्ध्य में एक bandgap उत्पादन पर्याप्त लाभ के साथ आवश्यक है. ठेठ लेजर डायोड कई नैनोमीटर (THz) से अधिक लाभ होगा. दूसरे, झंझरी एक चिंतनशील विवर्तन वांछित पर डायोड में ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए देखते कोण हैतरंगदैर्ध्य. झंझरी के आधार पर, डायोड, ध्यान केंद्रित लेंस का इस्तेमाल किया और उनके संरेखण, झंझरी आम तौर पर 50-100 गीगा की आवृत्ति रेंज का चयन करेंगे. लेजर (डायोड पीछे पहलू और झंझरी के बीच) बाह्य लेजर गुहा के साथ सुनाई देती है एक तरंग दैर्ध्य में हिलाना होगा. एक तरंग दैर्ध्य भर में इस गुहा लंबाई ट्यूनिंग लेजर सी, प्रकाश और एल की गति है, जहां झंझरी लाभ चोटी के चारों ओर एक मुक्त वर्णक्रमीय रेंज (सी / (2 एल)) के पार देखते जा करने की अनुमति देता, गुहा लंबाई है, आम तौर पर 1 – 5 सेमी (FSR 3-15 गीगा). दो गुहा मोड शिखर झंझरी प्रतिक्रिया तरंगदैर्ध्य से एक समान तरंगदैर्ध्य हैं जब लेजर बहुपद्वति चला सकते हैं. Oscillating गुहा मोड उसके पड़ोसी मोड से लाभ शिखर से आगे देखते है के रूप में लेजर इच्छा मोड हॉप ट्यूनिंग रेंज सीमित. झंझरी मोड के लिए सम्मान के साथ गुहा मोड के व्यवहार में 3 चित्र में देखा जा सकता है. मोड हॉप मुक्त ट्यूनिंग रेंज एक ECDL के लिए एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन मीट्रिक है. एक साथ झंझरी कोण और गुहा की लंबाई ट्यूनिंग यह विधा hops के बिना कई मुफ्त वर्णक्रमीय सीमाओं के पार लगातार धुन, 8 बहुत आसान लगाने और वर्णक्रमीय सुविधाओं के लिए ताला लगा बनाने के लिए संभव है. लॉक के लिए गुहा के ऑप्टिकल पथ लंबाई की इलेक्ट्रॉनिक ट्यूनिंग एक piezo actuator (चित्रा 1 ए) (स्कैनिंग बैंडविड्थ ~ 1 kHz) का उपयोग झंझरी कोण / स्थिति ट्यूनिंग और मुख्य रूप से अपवर्तक modulates जो वर्तमान डायोड ट्यूनिंग के संयोजन के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है डायोड (स्कैनिंग बैंडविड्थ ≥ 100 kHz) के सूचकांक. लाभ माध्यम के लिए लेजर डायोड के बजाय विरोधी प्रतिबिंब (ए आर) लेपित लाभ चिप्स का प्रयोग 100-200 गीगा के एक ठेठ मुक्त वर्णक्रमीय रेंज हो सकता है जो लेजर डायोड आंतरिक गुहा प्रतिक्रिया जोड़ने के अतिरिक्त जटिलता कहते हैं. इस मामले में गुहा झंझरी से प्रतिक्रिया मैच देखते तापमान होना चाहिए. बल्कि एक ए.आर. लेपित चिप लाभ से एक लेजर डायोड का प्रयोग नाटकीय रूप से मोड हॉप मुक्त टी कम हो जाएगाsynchronously धुन डायोड वर्तमान या तापमान के लिए एक साधन है, जब तक uning रेंज. अंत में, 100 kHz सावधान ध्यान से बेहतर एक linewidth प्राप्त करने के लिए अन्य शोर स्रोतों को खत्म करने के लिए भुगतान किया जाना चाहिए. यह ध्वनिक कंपन, एमके स्तर तापमान स्थिरीकरण कम करने के लिए माउंट के सावधान मैकेनिकल डिजाइन की आवश्यकता है ≤ 30 एनए स्तर और सभी लॉकिंग के लाभ से सावधान ट्यूनिंग 10 छोरों पर डायोड की वर्तमान स्थिरता आरएमएस. आवेदन के लिए उचित इलेक्ट्रॉनिक्स चयन लेजर और प्रकाशिकी डिजाइन के रूप में बस के रूप में महत्वपूर्ण है. डायोड नियंत्रकों और विनिर्देशों की एक सूची तालिका 1 में पाया जा सकता है.
स्थिर lasing हासिल हो जाने के बाद, अगले आवश्यकता इस तरह के एक परमाणु संक्रमण, एक ऑप्टिकल गुहा या एक और लेजर के रूप में एक संदर्भ के लिए लेजर आवृत्ति बंद करने के लिए है. यह अनिवार्य रूप से साथ आवृत्तियों के लिए शोर को नष्ट करने, इस तरह के छोटे से तापमान के उतार चढ़ाव के रूप में धीमी गति से drifts के प्रभाव को हटालॉकिंग पाश की बैंडविड्थ में. एक त्रुटि संकेत, एक विशेष संदर्भ प्रणाली के लिए प्रत्येक अनुकूल प्राप्त करने के लिए विकसित किया गया है कि तकनीक ताला लगा के असंख्य हैं. दो लेज़रों ताला लगा चरण के लिए एक त्रुटि संकेत एक बीम फाड़नेवाला पर दो लेज़रों के मिश्रण से प्राप्त किया जा सकता है. पौंड Drever 11 हॉल या झुकाव ताला 12 एक गुहा को बंद करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. वर्तमान मॉडुलन 10, Zeeman मॉडुलन 10, या झुकाव ताला 15 के साथ संयोजन में एक परमाणु अवशोषण लाइन DAVLL 13 या संतृप्त अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी 3,14 को बंद करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
एक भाप कक्ष में संतृप्त अवशोषण की Zeeman मॉडुलन का उपयोग कर एक रूबिडीयाम संक्रमण के लिए एक ECDL का ताला यहाँ वर्णित किया जाएगा. एक कम तीव्रता किरण कमरे के तापमान पर एक रूबिडीयाम वाष्प सेल के माध्यम से गुजरता है और आवृत्ति 780 एनएम परमाणु संक्रमण के आसपास के क्षेत्र में देखते है तो डॉपलर की एक संख्या ~ 500 मेगाहर्ट्ज व्यापक अवशोषण सुविधाओं चौड़ीबल्कि 6 मेगाहर्ट्ज व्यापक प्राकृतिक linewidth (प्राकृतिक और डॉपलर linewidths के लिए गणना फुट 16 में पाया जा सकता है) की तुलना में मनाया जाएगा. हालांकि, इस बीम रेट्रो परिलक्षित होता है, तो, दूसरा पास एक शून्य अनुदैर्ध्य वेग के साथ परमाणुओं के रूप में गूंज पर कम अवशोषण पहले से ही आंशिक रूप से पहले पास 17 से उत्साहित किया गया है होगा. अन्य आवृत्तियों प्रत्येक पारित पर अलग वेग आबादी द्वारा अवशोषित हो जाएगा और इसलिए अवशोषण संतृप्त नहीं किया जाएगा. इस रास्ते में एक स्पष्ट संचरण सुविधा प्राकृतिक linewidth के बारे में एक चौड़ाई के साथ बदलाव पर डॉपलर चौड़ी अवशोषण पर मढ़ा प्राप्त किया जा सकता है. यह करने के लिए बंद करने के लिए एक तेज निरपेक्ष आवृत्ति संदर्भ प्रदान करता है. परमाणु संक्रमण की आवृत्ति संदर्भ सेल में एक चुंबकीय क्षेत्र की भयावहता कटौती से Zeeman प्रभाव का उपयोग कर संग्राहक जा सकता है. एक उपयुक्त सजातीय चुंबकीय क्षेत्र चित्रा 5 में दिखाया गया है एक solenoid स्थापना का उपयोग कर उत्पादन किया जा सकता है. इलेक्ट्रॉनिक मिक्सिंगसंतृप्त अवशोषण ट्रांसमिशन के साथ संग्राहक तरंग डायोड वर्तमान समायोजित करने के लिए इस्तेमाल किया और piezo वोल्टेज समायोजित करने के लिए एकीकृत किया जा सकता है, जो एक त्रुटि संकेत उत्पन्न करता है. इस प्रकार, लेजर लेजर आवृत्ति मिलाना की जरूरत के बिना परिवर्तन करने के लिए बंद किया जा सकता है.
एक ECDL की linewidth आम तौर पर एक बीम फाड़नेवाला 18 पर एक ही प्रकार के दो आवृत्ति बंद कर दिया लेज़रों हस्तक्षेप से मापा जाता है. लेज़रों के बीच हरा आवृत्ति तो एक तेज photodiode और एक आरएफ स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग मापा जाता है. लॉकिंग पाश बैंडविड्थ परे शोर स्पेक्ट्रम फिर प्रोफाइल एक वोइट (एक गाऊसी और Lorentzian के कनवल्शनफ़िल्टर्स) के लिए फिट है. विभिन्न पराबैंगनीकिरण से शोर वर्ग निकालना में जोड़ें. दो बराबर लेज़रों के मामले में इस √ का एक फिट linewidth (2) बार एक लेजर linewidth देता है. एक लेजर ECDL से उम्मीद है कि काफी छोटे से अधिक एक ज्ञात linewidth के साथ उपलब्ध है और यह ई की ट्यूनिंग सीमा में हैसीडीएल, तो उस के बजाय इस्तेमाल किया जा सकता है. सामान्यतः linewidth को मापने के लिए इस्तेमाल एक अन्य विधि बीम का हिस्सा इस तरह के एक फाइबर के रूप में एक ऑप्टिकल देरी रेखा के साथ भेजा और फिर लेजर के साथ एक बीम फाड़नेवाला पर मिलाया जाता है जहां देरी स्वयं homodyne तकनीक 19,20 है. इस तकनीक माप के तहत लेजर का जुटना लंबाई से भी लंबे समय तक किया जा रहा है देरी पर निर्भर करता है. इस शोर लेज़रों के लिए अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन एक 100 kHz linewidth लेजर के लिए जुटना लंबाई अव्यावहारिक बनने के लिए शुरू होता है जो लगभग 3 किमी है. वैकल्पिक रूप से, एक संतृप्त अवशोषण सेल या एक फेब्री Perot गुहा में एक परमाणु संक्रमण लेजर linewidth माप के लिए एक आवृत्ति संदर्भ प्रदान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस प्रणाली में लेजर आवृत्ति आकाश की एक रेखीय भाग बल्कि आवृत्ति में स्कैन करने की अनुमति से एक संतृप्त अवशोषण या फेब्री पेरोट प्रतिध्वनि में बैठने की आवश्यकता होगी. एक फोटो डायोड पर संकेत शोर को मापने और गूंज linewidth जानने के द्वारा, आवृत्ति शोर पाया जा सकता है. ली की निचली सीमाnewidth माप तो ट्रांसमिशन गूंज के ढलान द्वारा सीमित है.
उच्च आदेश lasing मोड की उपस्थिति एक आरएफ स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग कर मुक्त वर्णक्रमीय रेंज की आवृत्ति पर तीव्रता शोर को देखकर या बेहतर मुक्त वर्णक्रमीय से एक स्कैनिंग फेब्री पेरोट या एक संकल्प के साथ एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग कर के लिए जाँच की जा सकती ECDL की सीमा होती है. मोटे ट्यूनिंग रेंज झंझरी का उपयोग कर अपनी सीमा पार लेजर ट्यूनिंग जबकि (एक wavemeter, monochromator, या ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग) तरंग दैर्ध्य के एक समारोह के रूप में शक्ति को मापने के द्वारा मापा जा सकता है. मोड हॉप मुक्त ट्यूनिंग सीमा आम तौर पर एक मोड हॉप आवृत्ति में एक टूटनेवाला कूद के रूप में पता लगाया जा सकता है, जहां एक स्कैनिंग फेब्री Perot गुहा का उपयोग कर मापा जाता है.
इस प्रकाशन लेजर linewidth की एक माप का उत्पादन करने के लिए संरेखण और आवृत्ति लॉकिंग के माध्यम से एक disassembled ECDL से स्थानांतरित करने के लिए दिखाया गया है. यांत्रिक डिजाइन और ऐसे पीआईडी servos, डायोड ड्राइवर और तापमान नियंत्रक के रूप में इलेक्ट्रॉनिक्स की डिजाइन भी यहाँ चर्चा करने के लिए विशिष्ट है, लेकिन व्यापक संदर्भित प्रकाशनों 1,3,5 में चर्चा की गई है.
डायोड ECDL के परमाणु भौतिकी प्रयोगशालाओं, प्रजातियों और पहुँच सकते हैं इन devises सीमित है कि बदलाव में एक प्रधान बन गए हैं. बहुत प्रगति हालांकि वर्तमान में कई अंतराल विशेष रूप से यूवी में रहना डायोड आधारित लेज़रों से तरंगदैर्ध्य रेंज व्यापक बनाने में किया गया है. ECDL सिस्टम का पावर सीमाओं उनके आवेदनों को प्रतिबंधित करने के लिए जारी है. नंगे एकल मोड डायोड μWatts से mWatts 100 को सत्ता में लेकर. इसके अतिरिक्त, पतला एम्पलीफायरों एकल मोड कुल लेजर शक्ति को बढ़ाने के लिए एक ECDL प्रणाली से जोड़ा जा सकता हैवाट स्तर पर है. एक वाट या अन्य तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत अधिक एकल मोड शक्तियों की आवश्यकता होती है, तो वैकल्पिक लेजर आर्किटेक्चर के लिए आवश्यक हैं. ये लेजर फाइबर 26, 27 ऐसे TiSaph लेज़रों के रूप में ठोस राज्य पराबैंगनीकिरण या वे nonlinear आवृत्ति रूपांतरण पर भरोसा कर सकते हैं जैसे कि रमन लेज़रों के रूप में 27 प्रक्रियाओं, चार लहर मिश्रण, योग आवृत्ति पीढ़ी, या एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक थरथरानवाला शामिल हैं.
इस प्रकाशन एक परमाणु भाप कक्ष पर निर्भर है कि एक ताला तंत्र पर केंद्रित है. परमाणु भौतिकी एक साधारण कांच भाप कक्ष में कई अनुप्रयोगों के लिए, यहाँ पर विचार विमर्श के रूप में उपलब्ध नहीं हो सकता है, इस तरह के Yb तरह प्रजातियों के लिए मामला है. प्रजातियों में से एक किस्म के साथ एक संदर्भ नमूना प्राप्त करने के लिए कई अन्य तकनीकों जैसे गर्म परमाणु मुस्कराते हुए, मुक्ति लैंप, बफर गैस कक्षों, आयोडीन की कोशिकाओं, और sputtering कोशिकाओं के रूप में प्रदर्शित किया गया है.
इस लेजर प्रणाली के डिजाइन स्वाभाविक ≈ 30 kHz 2 की linewidths तक सीमित है8 और आमतौर पर 100 kHz के करीब. आवेदन एक संकरा linewidth अन्य स्थिरीकरण तकनीक की आवश्यकता है या वैकल्पिक लेजर 26 आवश्यक हैं डिजाइन हैं.
ऑप्टिकल सिस्टम के साथ काम कर देता है तो सफाई अत्यंत महत्व का है. पहले दस्ताने गलती ऑप्टिकल सतह को छूने को रोकने के लिए पहना जा कि प्रकाशिकी और हैंडलिंग पेश किया जा रहा है जब यह अच्छा अभ्यास है. एक ऑप्टिक खरोंच है, तो यह एक लेजर प्रणाली में नहीं किया जाना चाहिए. ज्यादातर मामलों में उंगलियों के निशान या धूल के साथ प्रकाशिकी क्रमशः एसीटोन या संपीड़ित हवा के साथ साफ किया जा सकता. एक ऑप्टिकल सतह में कोई दोष है और इस प्रणाली में नुकसान और संभवतः शोर लागू करेगा कर सकते हैं. प्रकाशिकी mounts हर समय प्रकाशिकी बेंच के लिए तय की जानी चाहिए और मजबूती से जगह में एक बार नीचे बंद कर लिया जाना चाहिए.
ऐसे waveplates और ध्रुवीकरण बीम फाड़नेवाला के रूप में प्रकाशिकी aligning, प्रकाश ऑप्टिकल सतह को सीधा निकट घटना है यह सुनिश्चित करते हुए Avoवापस लेजर में प्रतिबिंब iding. घटना कोण इन ऑप्टिकल तत्वों का व्यवहार ° 90 से भटक के रूप में आदर्श से आगे आगे हो जाता है और. विपथन को कम करने और संख्यात्मक एपर्चर मुस्कराते हुए अधिकतम करने के लिए हमेशा लेंस के केन्द्र के माध्यम से यात्रा करते हैं और लेंस को सामान्य होना चाहिए. इसके विपरीत, एक भाप कक्ष ETALON प्रभाव से बचने के लिए घटना किरण को एक मामूली कोण पर रखा जाना चाहिए. इस कारण से कई वाष्प कोशिकाओं nonparallel अंत पहलुओं के साथ निर्मित कर रहे हैं.
यहां इस्तेमाल किया लेज़रों वर्ग 3B हैं. यहां तक कि आवारा प्रतिबिंब आंख क्षति के लिए क्षमता है. इस प्रकार की लेज़रों के साथ काम केवल लेज़रों के खतरों से परिचित प्रशिक्षित कर्मियों द्वारा किया जाना चाहिए. लेजर सुरक्षा काले चश्मे हर समय पहना होना चाहिए. ऑप्टिकल संरेखण के लिए किसी भी लेजर के रास्ते नीचे सीधे देखो और ऑप्टिकल घटकों बंद खतरनाक specular प्रतिबिंब पैदा करने से बचने के लिए विशेष ध्यान रखना कभी नहीं. हमेशा सकारात्मक किरण लाइनों USI समाप्तएक किरण डंप एनजी.
The authors have nothing to disclose.
Laser Diode (Rubidium, 780nm) |
Roithner | ADL-78901TX | Various wavelengths, powers, case sizes and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier) |
Diffraction Grating (Rubidium, 780nm) |
Newport | 05HG1800-500-1 | Holographic or rullered (Optional blazing) (Thor Labs, Newport) |
Viewing Card | Thor Labs | VRC5 | Infared 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 | Infared viewer |