Plan budowy lasera z zewnętrznym rezonatorem

Transkrypt

1 Plan budowy lasera z zewnętrznym rezonatorem Tomasz Brzozowski, Maria Mączyńska i Jerzy Zachorowski Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński, ul. Reymonta 4, Kraków 4 marca 2003

2 Opiszemy tu konieczne kroki do zbudowania i uruchomienia lasera diodowego w dwóch wersjach: z zewnętrznym rezonatorem lub bez niego. Budowa lasera bez rezonatora jest znacznie prostsza i ogranicza się do zamontowania diody laserowej w odpowiednim uchwycie i przetestowania lasera pracującego w swobodnej generacji. Przypadek lasera z zewnętrznym rezonatorem wymaga dodatkowo zamocowania siatki dyfrakcyjnej, ustawienia jej i uzyskania sprzężenia z tak utworzonym rezonatorem. Konstrukcja mechaniczna Zgromadzenie elementów do budowy lasera: obudowa, uchwyt diody i obiektywu, sama dioda laserowa z podstawką, obiektyw, gniazdo D-Sub 9-pin żeńskie z płytką drukowaną układu zabezpieczenia diody do podłączenia zasilania lasera, gniazdo D-Sub 9-pin męskie do podłączenia stabilizacji temperatury, termistor 47 kω, element peltierowski, czujnik temperatury LM35, ponadto oczywiście zasilacz i stabilizator temperatury, przewody połączeniowe. dodatkowo do budowy lasera z rezonatorem: zamiast prostego uchwytu diody kompletny blok rezonatora, siatka dyfrakcyjna, zwierciadło 45 o średnicy 12,7 mm, śruby (precyzyjne) do justowania elementów, element piezoceramiczny, oraz gniazdo LEMO lub BNC do podłączenia piezo. do diagnostyki lasera: analizator widma, kamera CCD, włókna optyczne do spektrografu i λ-metru, elementy optyczne, komórka z rubidem, detektor, oscyloskop, wskazany również izolator optyczny, Rysunek 1 pokazuje uchwyt diody i obiektywu do konstrukcji lasera bez rezonatora, natomiast rys. 2 i zdjęcie 3 przedstawia kształt rezonatora optycznego z siatką dyfrakcyjną. Rysunek 1: Uchwyt diody i obiektywu w laserze bez rezonatora zewnętrznego (widok z góry). Plan postępowania 1. Przygotowanie uchwytu diody (bloku podstawy rezonatora) i dopasowanie go do obudowy wywiercenie w podstawie obudowy otworów mocujących. 2. Przygotowanie gniazd przyłączeniowych. Gniazdo zasilania (D-Sub, 9 pinów, żeńskie) wlutowane jest w płytkę elektroniki zabezpieczającej, całość mocujemy do obudowy. Należy zwrócić uwagę na polaryzację diod zabezpieczających, w zależności od typu diody laserowej zasilanie +(zasilacz typu source ) lub ( sink ) trzeba odpowiednio wlutować diody. Gniazdo do stabilizacji temperatury (D-Sub, 9 pinów, męskie) przykręcamy do obudowy używając specjalnych śrubek z gwintem wewnętrznym pozwala to później 1

3 Œruby regulacji pionowej obiektywu Œruba regulacji pionowej Uchwyt diody laserowej Œruba regulacji poziomej Œruby aretuj¹ce pozycjê obiektywu Piezoceramika Siatka Lustro Obiektyw w tulejce do ogniskowania Œruby regulacji poziomej obiektywu Rysunek 2: Rezonator lasera diodowego. Rysunek 3: Zdjęcie rezonatora lasera diodowego. na przykręcanie wtyczek. Uwaga: takie śruby występują tylko z gwintem calowym, nie gwintujemy otworów w obudowie, tylko wiercimy otwory na wylot i używamy nakrętek. Schemat podłączenia gniazd i układ zabezpieczający są przedstawione na rys. 4. Na tym etapie można już zrobić próbne uruchomienie układu z diodą LED zamiast diody laserowej. Dodatkowo mocujemy gniazdo zasilania piezoelementu (LEMO lub BNC). 3. Nawiercenie w podstawie/uchwycie diody otworu na termistor (możliwie blisko elementu peltierowskiego), zamocowanie go z użyciem pasty przewodzącej (używamy tylko białej pasty bez silikonu) i kleju epoksydowego. Czujnik temperatury LM35 przykleja się blisko diody laserowej. 4. Zamocowanie podstawy rezonatora z elementem peltierowskim pod spodem. Należy zapewnić dobry kontakt termiczny; trzeba użyć pasty przewodzącej. Płytę podstawy przykręcamy do obudowy śrubami nylonowymi lub stalowymi, ale z plastikowymi tulejkami izolującymi, aby odizolować ją elektrycznie od obudowy i stołu. Uwaga! Nie należy przesadzać z dokręcaniem śrub mocujących, można skruszyć element termoelektryczny! Śruby należy przykręcać równomiernie, stopniowo tak aby ostatecznie podstawa/uchwyt na diodę znajdowały się równolegle do dna obudowy. Podłączamy termistor i czujnik LM35 do gniazda stabilizacji temperatury. Trzeba pamiętać o zaizolowaniu nóżek termistora dobrze 2

4 + Gniazdo pr¹dowe i uk³ad zabezpieczaj¹cy: widok od strony elementów Gniazdo temperaturowe: widok od strony pod³¹czeñ GND PD +15V GND Termistor 1 6 LM 35 T ermistor TEC+ 5 9 TEC- Rysunek 4: Schemat podłączeń i układu zabezpieczeń (laser o polaryzacji +). nadaje się do tego izolacja zdjęta z cienkich przewodów. 5. Montaż diody laserowej w bloczku diody. Należy przestrzegać reguł postępowania z elementami czułymi na statyczne ładunki elektryczne: nóżki diody muszą być zwarte folią aluminiową lub gąbką przewodzącą (czarną), należy się samemu uziemić. Trzeba zapewnić dobry kontakt termiczny między diodą a jej uchwytem, ale uwaga na pastę przewodzącą: należy jej dawać bardzo mało, głównie na kołnierz diody, i dbać o to, by nie zabrudziła okienka. W przypadku lasera z zewnętrznym rezonatorem diodę wstawiamy tak, aby eliptyczny przekrój wiązki laserowej ustawiony był dłuższą osią poziomo. Polaryzacja światła ustawiona jest wzdłuż krótszej osi przekroju wiązki, czyli pionowo i oznacza to, że jest to polaryzacja s dla odbicia od siatki dyfrakcyjnej. W ten sposób mamy mniejszą wydajność ugięcia na siatce i wyższe natężenie wychodzącego światła. Dla lasera bez rezonatora kierunek polaryzacji światła nie ma takiego znaczenia. Ustawienie diody jak opisane powyżej jest odpowiednie, jeśli za laserem stosuje się pryzmaty w układzie zawężającym wiązkę w kierunku poziomym, natomiast ustawienie elipsy pionowo jest dogodniejsze jeśli chcemy później wiązkę rozszerzać w kierunku poziomym. 6. Przygotowanie obiektywu. Obiektyw jest wklejony wewnątrz pierścienia nieco z niego wysunięty w kierunku diody laserowej, do klejenia używamy odrobiny epoksydu lub klajstra do blokowania gwintów. Pierścień przekręca się w drobnozwojowym gwincie. Jeśli czuje się za duży luz tego gwintu należy nawinąć nieco taśmy teflonowej. 7. Montaż bloczka diody na podstawie rezonatora to dla lasera z rezonatorem; w przypadku lasera bez rezonatora dopiero teraz montujemy uchwyt diody do podstawy podkładając element peltierowski pod spód, pamiętając o zastosowaniu pasty przewodzącej. 8. Podłączamy zasilanie do diody laserowej i próbujemy uruchomić laser. 9. Ustawienie ogniskowania obiektywu. W przypadku lasera z rezonatorem należy najpierw zadbać, aby obiektyw został umieszczony centralnie względem diody. Cały bloczek z obiektywem przesuwany jest względem diody w kierunku pionowym i poziomym przy pomocy odpowiednich śrub. Ze względu na niewielkie zmiany kształtu plamki przy lekko niecentralnym ustawieniu obiektywu, wygodnie jest dla danego kierunku centrowania znaleźć jego dwa skrajne położenia, przy których plamka lasera jest jednakowo przycinana kolejno z jednej i z drugiej strony, a następnie ustawić obiektyw tak, aby plamka znajdowała 3

5 się centralnie pomiędzy nimi. Dla lasera bez rezonatora konstrukcja bloczka powinna zapewnić centrowanie obiektywu. Justowanie równoległości wiązki odbywa się przez obrót pierścienia i obserwację plamki w dalekim polu (na co najmniej 7 metrach, wygodnie jest wydłużyć drogę wiązki stosując lustrka ustawione w zygzak i obserwować zmiany kształtu plamki lasera np. na ścianie). Z powodu astygmatyzmu justowanie obiektywu nie jest możliwe w sposób idealny: gdy osiągamy równoległość wiązki w jednym przekroju, w drugim jest ona skupiona lub rozbieżna. Przy takim wyjustowaniu wiązki, dla którego kierunek dłuższej osi elipsy zostaje zogniskowany na ścianie, droga, na której wiązka jest skolimowana (dokładniej: jeden jej kierunek) jest równa co najmniej podwojonej odległości od lasera do ogniska, a więc możliwie największa. W takim ustawieniu wiązka w obszarze od lasera do ogniska jest jednak lekko zbieżna, a więc soczewki w układzie doświadczalnym będą ogniskować ją nieco wcześniej, niż wynikało by to z optyki geometrycznej; należy o tym pamiętać przy późniejszym justowaniu. Z kolei próba zachowania jednakowego kształtu plamki na całej drodze prowadzi do wiązki lekko rozbieżnej i mniejszego obszaru kolimacji. Uwaga: po ustawieniu położenia obiektywu dla wybranego kształtu plamki należy skontrolować równoległość wiązki na całym obszarze justowania, od lasera do punktu obserwacji kształtu plamki. 10. Wstępne ustawienie PID w układzie stabilizacji temperatury. 11. Testowanie pracy diody w swobodnej generacji (patrz rozdział o uruchamianiu). Tu kończy się procedura dla przypadku montowania diody bez rezonatora zewnętrznego. 12. Przygotowanie uchwytu mocującego siatkę dyfrakcyjną: przyklejenie epoksydem elementu piezoceramicznego i siatki dyfrakcyjnej, wkręcenie śruby justującej. Strzałka na siatce powinna być zwrócona ku źródłu światła, tj. w kierunku diody. Jeżeli w późniejszym etapie sprzężenie okaże się za silne, można spróbować odwrotnej konfiguracji. 13. Zamocowanie uchwytu na podstawie rezonatora. 14. Zamocowanie na uchwycie wysięgnika z lusterkiem odbijającym wiązkę. 15. Uzyskanie sprzężenia (patrz dalej) 16. Dopasowanie pozostałych części obudowy: nawiercenie otworu wyjściowego lasera i otworów na śruby justujące. 17. Końcowy montaż obudowy. 18. Dokładne ustawienie PID w układzie stabilizacji temperatury. 19. Laser gotowy do użytku. 4

6 Uruchomienie lasera Uruchomienie lasera bez rezonatora Uruchomienie lasera najlepiej wykonywać z wykorzystaniem układu pokazanego na rys. 5. Rysunek 5: Schemat układu optycznego używanego przy justowaniu lasera. 1. Mierzymy próg generacji [1]. Obserwujemy sygnał z fotodiody wewnętrznej lub zewnętrznej przy modulacji prądu. Próg generacji lasera to miejsce, gdzie zależność Moc(I) wyraźnie zmienia nachylenie i z prawie poziomej staje się stroma (patrz rys. 6). 2. Kierujemy wiązkę lasera na włókno do spektrografu i ew. na komórkę rezonansową. Obserwujemy zależność długości fali od prądu i temperatury. Należy zwracać uwagę także na moc emitowaną (rośnie ona przy zwiększaniu prądu i silnie przy obniżaniu temperatury). Próbujemy różnych kombinacji prąd/temperatura. Zależność długości fali od temperatury jest ok. 0,04 nm/k w obszarze ciągłego strojenia i ok. 0,25 nm/k w średniej; od prądu 3 GHz/mA. 3. Gdy długość fali jest bliska długości fali rezonansowego przejścia, można obserwować fluorescencję w komórce rezonansowej. 4. Gdy dioda wydaje się dobrze pracować, warto obejrzeć również widmo nasyconej absorpcji i w ten sposób zmierzyć spektralną szerokość generowanej linii. Uzyskanie sprzężenia z zewnętrznym rezonatorem 1. Uzyskanie sprzężenia odbywa się przez ustawienie siatki tak, aby światło ugięte powracało do diody. Regulacja zgrubna: poluźniamy śrubę mocującą i ustawiamy cały bloczek. Regulacja precyzyjna: śruby regulacji poziomej i pionowej. Uwaga: zakres regulacji śrub jest bardzo niewielki i nie należy dopuścić do przekroczenia zakresu elastycznego odkształcenia!!! Pierwsze, zgrubne ustawianie odbywa się przez obserwację przy użyciu noktowizora plamki światła wiązki ugiętej na uchwycie obiektywu. Precyzyjne justowanie odbywa się przez obserwację schodków w zależności mocy od prądu diody. Przykład takiej zależności przedstawiony jest na rys. 6. Pojawienie się takich schodków świadczy o istnieniu sprzężenia (wtedy także długość fali lasera gwałtownie skacze, co najwygodniej obserwuje się na spekrografie, szczególnie w późniejszej fazie justowania rezonatora). 2. Obserwacja sygnału na fotodiodzie lasera przy przemiataniu prądu diody dla niskich wartości prądu metoda progu generacji. Optymalne sprzężenie obniża maksymalnie próg generacji lasera. Na tym etapie może także się okazać wskazane lekkie poprawienie ustawienia obiektywu laserowego. 5

7 sygna³ z fotodiody lasera pr¹d lasera (d³ugoœæ fali) Rysunek 6: Zależność mocy lasera od prądu w przypadku sprzężenia od siatki dyfrakcyjnej. 3. Optymalizacja sprzężenia justowanie elementów rezonatora. Jest to procedura iteracyjna. Najpierw włączamy przestrajanie piezoceramiki (generator o częstości kilku Hz) i obserwujemy przestrajanie lasera. Dążymy do tego, aby osiągnąć jak największy zakres jednomodowego strojenia lasera wokół linii rezonansowej. Zarówno jednomodowość pracy diody, jak i zakres przestrajania lasera monitoruje się przy pomocy interferometru Fabry- Perot. Dodatkowo obserwuje się kształt widma absorpcji nasyconej, co pozwala zidentyfikować odpowiednią składową nadsubtelną linii. Należy najpierw ustawić takie wartości prądu i temparatury, przy których laser osiągał żądaną długość fali pracując w swobodnej generacji. Następnie przy uzyskanym wcześniej, maksymalnym sprzężeniu diody do siatki dyfrakcyjnej i niewielkim zakresie przestrajania elementu piezoceramicznego należy tak zmieniać długość rezonatora przy pomocy śruby regulacji poziomej, aby dopasować ją do odpowiedniej długości fali. Świadczy o tym obserwacja widma na spektrografie i fluorescencji w komórce. W tym czasie pomocne mogą być również niewielkie zmiany prądu diody wokół ustalonej wcześniej wartości. Ponieważ zmiany położenia śruby regulacji poziomej zmieniają nie tylko długość rezonatora, lecz także siłę sprzężenia, konieczne może być nieznaczne dojustowanie śrub regulacji pionowej im silniejsze sprzężenie, tym gwałtowniejsze są obserwowane na spektrografie przeskoki modów, wynikające z chwilowej niestabilności rezonatora w trakcie regulowania śrub. Po uzyskaniu fluorescencji w komórce obie śruby justuje się iteracyjnie (małymi krokami, aby móc wrócić do poprzedniego położenia) tak, aby stopniowo osiągnąć jednomodową pracę diody w całym zadanym obszarze przestrajania. Przeskoki na inne mody eliminuje się dobierając na przemian nieco inny prąd diody i zmieniając lekko długość rezonatora, tak, aby nie utracić fluorescencji w komórce. Po osiągnięciu jednomodowej pracy diody w całym ustawionym zakresie przestrajania elementu piezoceramicznego należy stopniowo zwiększać ten zakres dojustowując, jak poprzednio, długość rezonatora i prąd diody. Im większy usyskany zakres przestrajania, tym bardziej stabilna praca lasera na danej długości fali. 4. Sprawdzenie mocy wyjściowej lasera dla temperatury i prądu odpowiadających linii widmowej i porównanie z mocą dla tych samych warunków w trybie swobodnej generacji. 6

8 Literatura [1] J.C. Camparo, Contemp. Phys., 26, 443 (1985). [2] C. Wieman, L. Hollberg, Rev. Sci. Instrum. 62, 1 (1990). [3] K.B. MacAdam, A. Steinbach, and C. Wieman, Am. J. Phys. 60, 1098 (1992). [4] R.W. Fox, L. Hollberg, and A.S. Zibrov, in Atomic, Molecular, and Optical Physics: Electromagnetic Radiation, ed. F.B. Dunning and R.G. Hulet, Academic Press, 77 (1997) of 29C series Experimental Methods in the Physical Sciences 7