Laboratorium Zimnych Atomów przy Powierzchni

Start badania stabilizacja laserów
Stabilizacja częstotliwości laserów

Jednym z głównych problemów eksperymentalnych w dziedzinie fizyki atomowej jest stabilizacja częstotliwości laserów, najczęściej diodowych. Bardzo popularną metodą jest wykorzystanie linii absorpcyjnych pierwiastków – na przykład rubidu – lub widma transmisyjnego interferometru Fabry-Perota. Stabilizacji dokonuje się używając albo szczytu linii absorpcyjnej/transmisyjnej, albo jej zbocza. Wadą tych rozwiązań jest albo bardzo mały zakres przestrajania stabilizowanego lasera, albo wręcz brak takiej możliwości. Prosty układ wykorzystujący stabilizację do szczytu linii w spektroskopii nasyceniowej, ale też umożliwiający regulację odstrojenia opisany jest w rozdziale 4.5 i B.1 tutaj. Przegląd innych metod można znaleźć tutaj.

Bardzo wygodnym rozwiązaniem, pozwalającym na precyzyjną względną stabilizację częstotliwości dwóch laserów, jest zastosowanie nowoczesnych układów elektronicznych, przeznaczonych oryginalnie do łączności bezprzewodowej – np. komórkowej. Pomysł polega na stabilizacji częstotliwości różnicowej dwóch wiązek laserowych, padających na szybką fotodiodę. Częstotliwość różnicowa (a w rzeczywistości też faza tego sygnału) w zakresie kilkunastu MHz do kilku GHz (a nawet więcej) jest stabilizowana do sygnału zewnętrznego generatora referencyjnego. Stabilizacji dokonuje się w pętli fazowej PLL (Phase Locked Loop), której sygnał błędu steruje częstotliwością jednego z laserów diodowych. Aby stabilizacja była efektywna, pasmo pętli PLL musi wynosić co najmniej kilkaset kHz. Tak szybkiej regulacji częstotliwości diody laserowej dokonuje się modulując jej prąd. Wolniejsze zmiany są kompensowane zazwyczaj dzięki regulacji zewnętrznego rezonatora lasera diodowego, bazującego na elemencie piezoelektrycznym (patrz rys. 1).

stabilizacja częstotliwości lasera diodowego w układzie PLL

Rys. 1 Schemat ideowy działania pętli PLL stabilizującej częstotliwość lasera diodowego 2 względem lasera 1.

W naszych eksperymentach korzystamy z układów elektronicznych opartych o układ ADF4002 oraz ADF4007 firmy Analog Devices. Pozwalają one na stabilizację względnej częstotliwości laserów odpowiednio do 500 MHz i 8 GHz. Korzystamy przy tym z generatora wzorcowego o częstotliwości około 25 MHz. Aby zapewnić sobie nie tylko względną stabilizacje częstotliwości, jeden z laserów diodowych jest konwencjonalnie (w układzie spektroskopii nasyceniowej) stabilizowany do jednej z linii absorpcyjnych rubidu lub rezonansu krzyżowego. Poza samym wykorzystaniem wspomnianych układów elektronicznych, przebadaliśmy też w szerokim zakresie ich parametry, a w szczególności wpływ szumów generatora referencyjnego na jakość stabilizacji częstotliwości i fazy czy też możliwe do uzyskania szybkości zmian stabilizowanej częstotliwości.

Jednocześnie pokazaliśmy dość spektakularny efekt interferencji światła z dwóch różnych laserów diodowych. W standardowym interferometrze Macha-Zehndera wiązka z jednego lasera jest dzielona na dwie. Następnie obie wiązki są łączone i na obydwu wyjściach z łącznika wiązek widoczne są prążki interferencyjne – lewa strona rys. 2. W naszym przypadku główna idea polega na skorzystaniu jedynie z połowy interferometru Macha-Zehndera, a konkretnie z łącznika wiązek (prawa strona rys. 2). Źródłem wiązek są dwa lasery diodowe. Aby móc zaobserwować interferencję gołym okiem, a zatem aby otrzymać stabilne prążki interferencyjne, konieczne jest wprowadzenie względnej stabilizacji fazy tych wiązek. Dokonujemy tego stabilizując względną częstotliwość wiązek laserowych układem PLL opisanym wyżej, a następnie przesuwając częstotliwość wiązki jednego z laserów tak, aby częstości obydwu interferujących wiązek były jednakowe.

 interferencja światła z dwóch laserów, interferometr Macha-Zehndera

Rys. 2. Z lewej – interferometr Macha-Zehndera. Z prawej – połowa interferometru (tylko łącznik wiązek), pozwalająca na obserwację stabilnych prążków interferencyjnych dla dwóch różnych laserów diodowych.

Przykładowo, różnica częstotliwości laserów wynosiła 200 MHz. Aby zrównać częstotliwości interferujących wiązek, jedna z nich przechodziła dwukrotnie przez modulator akustooptyczny (AOM), działający na częstotliwości 100 MHz. Obraz prążków jest przedstawiony na rys. 3.

interferencja światła z dwóch laserów, kontrast prążków

Rys. 3. Prążki interferencyjne dla optymalnych warunków (po lewej u góry) i pogorszonych (po prawej u góry) działania pętli PLL. U dołu pokazane są przekroje przez obraz prążków.

Kontrast uzyskanych prążków interferencyjnych jest miarą jakości stabilizacji częstotliwości lasera. Na powyższym rysunku prążki po lewej stronie u góry uzyskano dla optymalnego działania pętli PLL, a te po prawej stronie – gdy wzmocnienie w pętli było za małe.

Przykład zastosowania stabilizacji częstotliwości jest pokazany na rys. 4. Laser 1 jest przestrajany wokół linii absorpcyjnych atomu rubidu 87, związanych z podpoziomem podstawowym F=2. Częstotliwość lasera 2 jest w każdej chwili dokładnie o 7025 MHz większa niż lasera 1 i jest bliska przejściom absorpcyjnym z podpoziomu podstawowego F=1.

widma rubidu dla laserów stabilizowanych pętlą PLL

Rys. 4. Widma absorpcyjne dla linii D2 rubidu zarejestrowane dla lasera 1 i stabilizowanego do niego lasera 2, odstrojonego o 7025 MHz.


Więcej informacji można znaleźć w prezentacji Stabilizacja częstości laserów — subhercowa dokładność w zasięgu ręki oraz w artykułach Two laser interference visible to the naked eye oraz Construction and performance of an optical phase and frequency lock of diode lasers.

Poprawiony: poniedziałek, 05 maja 2014 22:48