Układ stabilizacji laserów diodowych

Transkrypt

1 Układ stabilizacji laserów diodowych Lasery diodowe stabilizowane są do wzorca atomowego z wykorzystaniem metody magnetycznie indukowanego dichroizmu (patrz artykuł Laser frequency stabilization by Dopplerfree magnetic dichroism, Appl. Phys. B75, 613 (2002)). Układ elektroniczny umieszczony jest w kasecie EURO i składa się z następujących bloków (patrz rys. 1): 1. zasilacz +/-15V, +30V, 2. generator przestrajania prądu diody laserowej, 3. bloki przestrajania i stabilizacji diody laserowej 4. blok wzmacniacza różnicowego. WZM. RÓŻN. WY laser Zasilacz OUT Amplituda IN - Offset IN + Synchro 0 1 Rys. 1. Wygląd płyty czołowej układów w kasecie EURO. Zasilacz. Zasilacz na napięcie sieciowe ~230V dostarcza stabilizowanych napięć +/-15V do układów elektroniki i napięcia +30V do zasilania siłownika piezoelektrycznego stosowanego do przestrajania lasera. Na płycie czołowej znajduje się wyłącznik sieciowy i dwie diody świecące, sygnalizujące poprawne działanie układu (czerwona napięcie +15V, zielona napięcie 15V). Bezpiecznik sieciowy umieszczony jest wewnątrz bloku zasilacza. ZOA Instytut Fizyki UJ 1 Jerzy Zachorowski

2 Układ stabilizacji lasera napięcia piłokształtnego pozwala na synchroniczne przestrajanie zewnętrznego rezonatora laserowego i prądu diody laserowej, może być także wykorzystany do niezależnego przestrajania prądu diod laserowych. posiada dwa niezależne wyjścia: na tylne złącze bloku i na gniazdo na płycie czołowej. Symetryczny sygnał piłokształtny o stałej amplitudzie (ok. 4Vpp) podawany jest na tylne złącze bloku i kierowany do bloków przestrajania i stabilizacji laserów. Sygnał na wyjściu na płycie czołowej (gniazdo OUT) jest sumą przebiegu trójkątnego o amplitudzie regulowanej potencjometrem ITUDA i napięcia stałego nastawianego potencjometrem 10- obrotowym (helipotem). Ponadto na płycie czołowej znajduje się jeszcze gniazdo wyjściowe przebiegu prostokątnego do synchronizacji oscyloskopu (SYNCHRO). Częstotliwość sygnału trójkątnego ustawiona jest na ok. 3Hz i może być zmieniona przez zmianę kondensatora na płytce generatora. OUT MOD. Zasilacz diody laserowej Ph. OUT Amplituda Offset LASER Detektor LUB CH. 1 Oscyloskop Synchro Ext. Trig. Rys. 2. Schemat układu z generatorem piłokształtnym przy zbieraniu charakterystyki diody. Schemat podłączenia generatora przy wstępnym ustawianiu parametrów pracy diody laserowej przedstawia rys. 2. Używane jest w takim przypadku wyjście na płycie czołowej generatora, na którym napięcie jest sumą składowej stałej (offset) i zmiennej, o regulowanej amplitudzie. Przestrajanie prądu diod laserowych pozwala na rejestrowanie zależności mocy lasera od prądu, wyznaczanie progu generacji diody laserowej, ustalenie warunków pracy diody, optymalizację sprzężenia diody laserowej do zewnętrznego rezonatora, itp. Użycie generatora pozwala na strojenie diody laserowej do rezonansu atomowego tzn. na znajdowanie takich wartości prądu diody, przy których długość fali lasera odpowiada rezonansowej długości fali dla badanych atomów. Jerzy Zachorowski 2 ZOA Instytut Fizyki UJ

3 Blok stabilizacji i przestrajania lasera Schemat ideowy układu stabilizacji i przestrajania pokazany jest na rys. 3, a wygląd płyty czołowej na rys. 4.. RAMP IN+ PID IN- Rys. 3. Schemat ideowy układu stabilizacji i przestrajania laserów. Układ może pracować w dwu trybach przełączanych przełącznikiem /. W ustawieniu możliwe jest przestrajanie lasera diodowego, w ustawieniu laser jest stabilizowany do wzorca atomowego. Przestrajanie lasera Sygnał piłokształtny z generatora podawany jest przez złącze tylne (na schemacie na rys. 3 wejście oznaczone RAMP). Amplitudę przestrajania reguluje się potencjometrem. Sygnał podawany jest następnie na dwa układy: przestrajania rezonatora i przestrajania prądu lasera. Przestrajanie rezonatora realizuje się poprzez sterowanie napięciem na elemencie piezoceramicznym powodującym wydłużenie rezonatora. Sygnał piłokształtny sumowany jest z poziomem stałym regulowanym potencjometrem 10-obrotowym, wzmacniany we wzmacniaczu mocy i podawany na gniazdo wyjściowe. Sygnał ten należy podłączyć do elementu piezoceramicznego w zewnętrznym rezonatorze lasera diodowego. Sygnał ten można też obserwować na równolegle podłączonym gnieździe wyjściowym Ponieważ zakres przestrajania lasera wyłącznie poprzez zmianę długości rezonatora jest ograniczony, sygnał piłokształtny podawany jest równocześnie na układ przestrajania prądu diody laserowej. Potencjometr nastawczy POT1 wewnątrz bloku pozwala na ustawienie proporcji przestrajania prądu diody i rezonatora. Ponadto, zwora w układzie wybiera polaryzację sygnału przestrajania prądu. Sygnał ten podawany jest na wyjście i powinien być podłączany do wejścia modulacji w zasilaczu diody laserowej. Stabilizacja lasera Stabilizacja lasera realizuje się przy ustawieniu przełącznika / w pozycję. Sygnał z dwóch fotodetektorów podawany jest na wejścia i. Układ różnicowy wytwarza sygnał błędu, przy czym możliwe jest uzyskanie sygnału IN1-IN2 przy ustawieniu przełącznika / w pozycję lub sygnału IN2-IN1 przy ustawieniu przełącznika w pozycję W ten sposób możliwe jest stabilizowanie lasera do miejsca, gdzie sygnał spek- ZOA Instytut Fizyki UJ 3 Jerzy Zachorowski

4 Układ stabilizacji lasera troskopowy ma dodatni lub ujemny skłon. Wielkość sygnału różnicowego można obserwować na wyjściu Sygnał błędu jest następnie podawany na układ przestrajania prądu diody i na układ przestrajania rezonatora, tak jak w przypadku przestrajania lasera. Różnica polega jedynie na tym, że sygnał przestrajania rezonatora kształtowany jest dodatkowo w układzie PID i ustawiana jest wielkość sygnału korekcji (czułość układu sprzężenia zwrotnego) potencjometrem. Elementy regulacyjne na płycie czołowej Rys. 4. Widok płyty czołowej układu stabilizacji i przestrajania laserów. 1. przycisk rozładowujący kondensator w układzie całkującym PID. Należy go użyć po wypadnięciu lasera z punktu stabilizacji, przed ponownym zamknięciem pętli sprzężenia zwrotnego. 2. MON podgląd sygnału różnicowego. 3. MON podgląd sygnału wyjściowego napięcia na piezoceramice. 4. potencjometr regulacji amplitudy przestrajania lasera. 5. / przełącznik trybu pracy: stabilizacji lub przestajania lasera. Dodatkowa, środkowa pozycja przełącznika / odłącza zarówno piłokształtny sygnał z generatora jak i różnicowy sygnał korekcyjny. W takiej pozycji możliwa jest jedynie regulacja napięcia na piezoceramice () i w ten sposób strojenie rezonatora laserowego. 6. potencjometr nastawy czułości układu sprzężenia zwrotnego. 7. DIR/INV przełącznik odwracający sygnał różnicowy. 8. / przełącznik źródła nastawy składowej stałej. W pozycji regulowana jest ona potencjometrem, w pozycji zadawana przez napięcie podane na gniazdo. Pozwala to na dowolne przestrajanie rezonatora lasera przez napięcie podawane z zewnątrz. 9. potencjometr 10-obrotowy nastawy składowej stałej. 10. gniazdo sygnału wejściowego gniazdo sygnału wejściowego gniazdo sygnału zewnętrznego przestrajanie rezonatora lasera. 13. gniazdo sygnału przestrajania prądu diody laserowej. 14. gniazdo sygnału przestrajania rezonatora laserowego. Jerzy Zachorowski 4 ZOA Instytut Fizyki UJ

5 Elementy regulacyjne wewnątrz układu Rysunek 5 przedstawia rozkład elementów wewnątrz układu stabilizacji i przestrajania lasera. IC5 POT1 IC6 IC11 IC12 DIR/INV Zdif IC8 IC7 IC3 Cint IC4 Cdif Zint Rp IC1 IC2 IC9 IC10 Rys. 5. Rozkład elementów na płytce układu stabilizacji i przestrajania laserów. Na płytce układu znajdują się następujące elementy regulacyjne: 1. POT1 Potencjometr regulujący proporcję składowej przestrajania prądu diody i przestrajania rezonatora. 2. DIR/INV Zwora wybierająca polaryzację sygnału przestrajania prądu diody. 3. Cdif gniazdo do wstawienia kondensatora w układzie różniczkującym bloku PID. Stała czasowa układu różniczkującego jest określona jako Tdif = Cdif 10kΩ. 4. Cint gniazdo do wstawienia kondensatora w układzie całkującym bloku PID. Stała czasowa układu różniczkującego jest określona jako Tint = Cint 10kΩ. 5. Rp gniazdo do wstawienia rezystora określającego wzmocnienie w układzie proporcjonalnym bloku PID. Wzmocnienie zadane jest jako Rp/10kΩ. 6. Zdif, Zint Zwory włączające układ różniczkujący i całkujący w bloku PID. Służą do odłączenia tych układów przy ustalaniu parametrów bloku PID. ZOA Instytut Fizyki UJ 5 Jerzy Zachorowski