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