Uk³ad stabilizacji laserów diodowych
Transkrypt
Uk³ad stabilizacji laserów diodowych
17.02.2003 Układ stabilizacji lasera 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. RESET OUT SCAN AMPL ERROR MON. LOCK PZT MON. RESET GAIN SCAN AMPL ERROR MON. LOCK SCAN IN - IN + INT INV. EXT IN 1 GAIN Generator Zasilacz WY laser Amplituda SCAN OFFSET Offset IN 2 EXT OFFSET Synchro FAST PZT OFFSET DIR. PZT MON. IN 2 EXT OFFSET FAST PZT DIR. INT INV. EXT IN 1 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 Układ stabilizacji lasera 17.02.2003 Generator Generator napięcia piłokształtnego pozwala na synchroniczne przestrajanie zewnętrznego rezonatora laserowego i prądu diody laserowej, może być także wykorzystany do niezależnego przestrajania prądu diod laserowych. Generator 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 AMPLITUDA i napięcia stałego nastawianego potencjometrem 10obrotowym (helipotem) OFFSET. 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. Zasilacz diody laserowej Generator OUT MOD. Ph. OUT Amplituda Oscyloskop Offset CH. 1 LASER Detektor Synchro LUB 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 17.02.2003 Układ stabilizacji lasera Blok stabilizacji i przestrajania lasera Schemat ideowy układu stabilizacji i przestrajania pokazany jest na rys. 3, a wygląd płyty czołowej na rys. 4. SCAN AMPL. RAMP SCAN FAST LOCK GAIN IN+ PID IN- SCAN PZT LOCK OFFSET Rys. 3. Schemat ideowy układu stabilizacji i przestrajania laserów. Układ może pracować w dwu trybach przełączanych przełącznikiem LOCK/SCAN. W ustawieniu SCAN możliwe jest przestrajanie lasera diodowego, w ustawieniu LOCK 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 SCAN AMPL. 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 OFFSET, wzmacniany we wzmacniaczu mocy i podawany na gniazdo wyjściowe PZT. Sygnał ten należy podłączyć do elementu piezoceramicznego w zewnętrznym rezonatorze lasera diodowego. Sygnał ten można też obserwować na równolegle podłączonym gnieździe wyjściowym PZT MON. 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 FAST i powinien być podłączany do wejścia modulacji w zasilaczu diody laserowej. Stabilizacja lasera Stabilizacja lasera realizuje się przy ustawieniu przełącznika LOCK/SCAN w pozycję LOCK. Sygnał z dwóch fotodetektorów podawany jest na wejścia IN 1 i IN 2. Układ różnicowy wytwarza sygnał błędu, przy czym możliwe jest uzyskanie sygnału IN1-IN2 przy ustawieniu przełącznika DIR./INV. w pozycję DIR. lub sygnału IN2-IN1 przy ustawieniu przełącznika w pozycję INV. W ten sposób możliwe jest stabilizowanie lasera do miejsca, gdzie sygnał spekZOA Instytut Fizyki UJ 3 Jerzy Zachorowski Układ stabilizacji lasera 17.02.2003 troskopowy ma dodatni lub ujemny skłon. Wielkość sygnału różnicowego można obserwować na wyjściu ERROR MON. 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 GAIN. Elementy regulacyjne na płycie czołowej RESET SCAN AMPL ERROR MON. LOCK PZT MON. GAIN SCAN OFFSET DIR. INT INV. EXT IN 1 IN 2 EXT OFFSET FAST PZT Rys. 4. Widok płyty czołowej układu stabilizacji i przestrajania laserów. 1. RESET 2. 3. 4. 5. ERROR MON PZT MON SCAN AMPL LOCK/SCAN 6. 7. 8. GAIN DIR/INV INT/EXT 9. 10. 11. 12. 13. 14. OFFSET IN 1 IN 2 EXT OFFSET FAST PZT Jerzy Zachorowski przycisk rozładowujący kondensator w układzie całkującym PID. Należy go użyć po wypadnięciu lasera z punktu stabilizacji, przed ponownym zamknięciem pętli sprzężenia zwrotnego. podgląd sygnału różnicowego. podgląd sygnału wyjściowego napięcia na piezoceramice. potencjometr regulacji amplitudy przestrajania lasera. przełącznik trybu pracy: stabilizacji lub przestajania lasera. Dodatkowa, środkowa pozycja przełącznika LOCK/SCAN odłącza zarówno piłokształtny sygnał z generatora jak i różnicowy sygnał korekcyjny. W takiej pozycji możliwa jest jedynie regulacja napięcia na piezoceramice (OFFSET) i w ten sposób strojenie rezonatora laserowego. potencjometr nastawy czułości układu sprzężenia zwrotnego. przełącznik odwracający sygnał różnicowy. przełącznik źródła nastawy składowej stałej. W pozycji INT regulowana jest ona potencjometrem OFFSET, w pozycji EXT zadawana przez napięcie podane na gniazdo EXT OFFSET. Pozwala to na dowolne przestrajanie rezonatora lasera przez napięcie podawane z zewnątrz. potencjometr 10-obrotowy nastawy składowej stałej. gniazdo sygnału wejściowego 1. gniazdo sygnału wejściowego 2. gniazdo sygnału zewnętrznego przestrajanie rezonatora lasera. gniazdo sygnału przestrajania prądu diody laserowej. gniazdo sygnału przestrajania rezonatora laserowego. 4 ZOA Instytut Fizyki UJ 17.02.2003 Układ stabilizacji lasera Elementy regulacyjne wewnątrz układu Rysunek 5 przedstawia rozkład elementów wewnątrz układu stabilizacji i przestrajania lasera. IC5 POT1 IC6 IC11 IC12 DIR/INV Cint IC3 IC7 IC1 IC2 IC4 Zint Cdif IC8 Zdif IC9 Rp 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