坚固的外腔二极管激光器及其在水蒸气和饱和吸收铷光谱中的应用

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坚固的外腔二极管激光器及其在水蒸气和饱和吸收铷光谱中的应用1简介与传统激光器相比，二极管激光器通常体积小、结构紧凑、可靠、易于操作，适用于电子高频调制和温度调谐。然而，许多商用标准二极管激光器的调谐特性远非理想。采用法布里-珀罗（FP）标准激光二极管的ECDL可以提供一种有吸引力的替代方案。这项工作的目的是优化Littman和Littrow配置（方案1）中ECDL的优化设计，以用于坚固的传感器应用。用水蒸气和铷饱和吸收光谱法演示了ECDL的性能。方案1展示了Littman和Littrow ECDL的设计。对于Littrow配置，安装衍射光栅，使一阶衍射光反射回激光器，而零阶衍射光耦合。对于Littman配置，以一阶衍射的光通过一个误差或棱镜反射回光栅。在这两个设计中，都使用了带有和不带有抗反射（ar）涂层的slaser二极管。方案1：Littrow（a）和Littman（b）配置中的ECDL。2结果和讨论2.1光学设计Littrow和LittmanECDL中光学和机械部件的尺寸被系统地减小，以提高激光腔的热稳定性和机械稳定性。例如，在图1中显示了Littrow ECDL的尺寸。Littman ECDL采用了各种反射元件（镜子、棱镜）。例如，在图2中，比较了分别使用反射镜和棱镜的激光器的调谐行为。实验中使用了中心波长为815nm的激光二极管。在波长调谐期间，激光腔没有重新对准。图1：尺寸缩小的Littrow ECDL。如果在Littman配置中使用镜子，则倾角须控制在0.05°的精度内，而对于使用棱镜的设计，倾角不是很关键。采用一个棱镜的腔可以在恒定输出功率的情况下从795nm调谐到830nm，而具有反射镜的腔仅在目标波长区域显示出稳定的激光操作（图2a）。在图2b中，显示了光栅倾角对输出功率的影响。可以得出的结论是，棱镜的设计大大简化了校准程序，而使用镜子可以获得更高的输出功率。图2：利特曼ECDL与镜子（红线）和棱镜（黑线）调谐行为的比较。（a）输出功率与空腔未重新对准时的波长。（b） 输出功率与衍射光栅倾角的关系。2.2频谱在图3中，显示了自由运行的FP激光二极管（a）和Littman ECDL（b）中的激光二极管a的光谱。自由运行的FP二极管表现出多模式发射，可以通过温度和激光电流调节几nm。在ECDL中，可以实现具有相同AR涂层二极管的单模发射（反射率<2e-4）。本例中的波长调谐范围为1325nm至1415nm，无模式跳变调谐区域约为100GHz。采用中心发射波长633nm和中心发射波长852nm的FP激光器，可以获得更大的无模式跳变调谐范围。300GHz和大于12nm的粗波长调谐。通过使用AR涂层的FP激光二极管，可以显著提高ECDL的单模发射（图4）。示例性地，在图5中，比较了具有和不具有AR涂层的ECD-Lusing二极管的激光频率区域，其中侧模的强度小于主激光线的强度的1%。图3：自由运行的FP二极管（a）和ECDL中相同二极管的示例光谱（b）。图4：使用Fabry-Perot光谱仪获得的具有（a）和不具有（b）ar涂层的二极管的Littrow ECDL的高分辨率发射光谱。图5：在780nm处具有和不具有ar涂层的二极管的ECDL的侧模强度小于1%的示例性发射范围（绿色）。2.4应用铷饱和吸收光谱法Littrow配置（输出功率40mW，激光线宽<30MHz）中的ECDL用于780nm左右铷蒸气的无多普勒光谱。在方案2中显示了实验装置。方案2：实验装置分束器将激光束分为强泵浦光束和弱探测光束，它们以大致共线的相反传播方向穿过细胞。当通过原子吸收带扫描激光波长时，属于在激光传播方向上具有速度分量的速度类的原子的所有跃迁都被激发，并对观察到的吸收线宽做出贡献。泵浦光束和探测光束在相反的方向上传播，并且泵浦光束和探针光束同时可检测到的唯一速度类原子在激光束的传播方向上具有零速度分量。这些跃迁被泵浦光束饱和，并在用探测光束记录的光谱中以兰姆倾角出现。ECDL的线宽能够观察到线2中的几个分离的尖端，可以将其分配给交叉跃迁（见图7）。图6：铷蒸气在780nm附近的吸收光谱（参见图7的分配）。图7：天然铷在780nm附近跃迁的能级图[2]。水蒸气吸收光谱利用Littman ECDL（5mW输出功率，1390nm中心发射波长）在1388和1368nm附近检测到大气水的吸收线。通过机电微调可以覆盖大约1nm的波长区域（图8）。在一个简单的实验中，在10cm吸收池中与液态水平衡的水蒸气的分压通过池温度的变化而变化。在图9中，9绘制了吸收最大值（1367.86 nm）下的检测光密度与根据Hitran 96数据库[3]计算的吸收系数的关系图。图8：水蒸气在1388nm附近的吸收光谱。图9：根据Hitran96数据库（见正文），水在1367.86 nm处的实验（顶部插图）和计算吸收曲线（底部插图）以及最大光学密度与吸收系数的关系图。可以通过应用波长调制技术来进行灵敏的吸收测量。可以通过改变激光驱动电流或通过改变压电致动器的电压来调制激光波长。在该实验中，通过混合用于驱动压电致动器的低频电压（典型值为1-100Hz）和高频电压（高达3kHz）来实现波长调制光谱。低频在吸收带上调谐激光波长，而高频以大约吸收带的FWHM正弦调制波长。在与直接吸收测量（见上文）相同的条件下，用锁定放大器记录的2f吸收光谱如图10所示。虽然该实验证明了ECDL对简单电子调制技术的能力，但还需要进一步的工作来提高压电驱动机械部件的长期稳定性，例如分别为反射镜和棱镜支架。图10:水蒸气的2f吸收光谱1367.86nm（与图9中的测量条件相同）。图11.2f吸收强度为1367.86nm，与Hitran 96数据库中的吸收系数相比。