Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky

Ing. Josef Lazar, Dr.

Vysoce koherentní polovodičové lasery Higly coherent semiconductor lasers

Teze habilitační práce Obor: Elektronika a sdělovací technika

BRNO 2009

Klíčová slova: polovodičový laser, spektroskopie, stabilizace frekvence, metrologie Keywords: semiconductor laser, spectroscopy, frequency stabilization, metrology

Místo uložení práce: Ústav přístrojové techniky AV ČR, v.v.i.

© Josef Lazar, 2009 ISBN 978-80-214-3855-2 ISSN 1213-418X

OBSAH 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Úvod Východiska První konstrukce polovodičového laseru s externím rezonátorem Mezinárodní srovnávání ICLAD ’99 Kompaktní ECSL laser Elektronika Aplikace Výkonové polovodičové ECSL lasery Závěr a výhled Reference

5 6 7 9 12 16 18 21 24 25

3

PŘEDSTAVENÍ AUTORA Jsem absolventem Elektrotechnické fakulty Vysokého učení technického v Brně. Studoval jsem elektrická měření a automatizaci, má diplomová práce byla zadána z Ústavu přístrojové techniky a vedoucím diplomové práce byl Prof. Ing. Armin Delong, DrSc. Po ukončení studia v roce 1989 jsem nastoupil na ÚPT (nyní ÚPT AV ČR, v.v.i.), kde jsem zaměstnán doposud. Externí postgraduální doktorské studium jsem absolvoval na VUT Brno, obor elektronika, které jsem ukončil v roce 1996 obhajobou dizertační práce "Detection Techniques in Saturated Absorption Spectroscopy and their Employment in Laser Frequency Stabilization". Mým vedoucím dizertační práce byl Ing. František Petrů, DrSc. V současné době jsem vedoucím vědeckým pracovníkem, vedoucím Oddělení koherenční optiky a vedoucím Skupiny laserů s vysokou koherencí a interferometrie. Před změnou statutu ÚPT na veřejnou výzkumnou instituci jsem byl dlouholetým členem Vědecké rady ÚPT a poslední volební období jejím předsedou. Nyní jsem členem rady v.v.i. a delegátem Akademického sněmu. Moje odborné zaměření je orientováno na lasery a jejich aplikace, především v metrologii a měření. Zahrnuje technologii a konstrukci laserů, interferometrii, spektroskopii, optoelektroniku a návrhy elektronických systémů pro lasery a jejich aplikace. Prezentovaná habilitační práce představuje jednu významnou etapu mého snažení na tomto poli.

4

1 ÚVOD Teze předkládané habilitační práce představují výběr z hlavního textu zaměřený na hlavní myšlenky a koncepty v habilitační práci prezentované. Vlastní habilitační práce je komentovaným souborem publikací které se týkají polovodičových laserů s vysokou koherencí emitovaného záření a jejich aplikací především ve fundamentální metrologii a interferometrii. Jádro práce tvoří vybrané publikace, které obsahují původní výsledky a popisují návrhy a konstrukci polovodičových laserů s vysokou koherencí, jejich měření, dosažené výsledky a jejich aplikace. Snažení na poli laserů s vysokou koherencí, stabilizace optické frekvence laserů, interferometrie délek a laserové metrologie navazuje na zaměření Oddělení kvantových generátorů světla Ústavu přístrojové techniky AV ČR (dříve ČSAV). Zakladatel a dlouholetý vedoucí oddělení Ing. František Petrů, DrSc. byl tvůrcem prvního plynového laseru v Československu a orientoval výzkumnou činnost svého týmu postupně nejen na vývoj He-Ne laserů, ale i na aplikace kladoucí nejvyšší nároky na spektrální vlastnosti laserů – interferometrii a fundamentální metrologii. S novou formulací definice jednotky délky – metru – prostřednictvím rychlosti šíření světla ve vakuu se primárním etalonem délky stal koherentní zdroj světelného záření s co nejvyšší stabilitou (nejistotou) optického kmitočtu. Formulací definice uvádějící šíření světla ve vakuu a předpokládající vakuovou rychlost světla jako známou a přesnou fyzikální konstantu je dáno, že přesný optický kmitočet světelného zdroje určuje přímo přesnou hodnotu vlnové délky. Tato elementární délka a její odpočítání vhodným způsobem (interferometrem) je pak skutečnou realizací délkové jednotky. Laser – kvantový generátor světla – optický oscilátor – se logicky stal ztělesněním takovéhoto etalonu. Dlouhá léta byla metrologie doménou helium-neonových laserů. He-Ne laser byl relativně konstrukčně jednoduchý, pracoval ve viditelné spektrální oblasti, byl realizovatelný v konfiguraci zajišťující jednofrekvenční provoz a koherenční délku na úrovni až stovek metrů. V praktické a průmyslové interferometrii geometrických veličin se stal jediným používaným laserovým zdrojem záření a v této pozici setrvává doposud. Logicky vznikla snaha realizovat na bázi He-Ne laseru i primární etalon délky. Toto úsilí bylo korunováno úspěchem v roce 1983, kdy byla pod patronací BIPM (Bureau International des Poids et Mesures v Paříži) vydána doporučení stanovující základní technické parametry stabilizovaného laserového systému na bázi He-Ne laseru pracujícího na vlnové délce 633 nm, která musí splňovat základní etalon délky. Jako reference pro stabilizaci optické frekvence laseru byly zvoleny hyperjemné komponenty vibračně-rotačních přechodů v molekulárním plynném jodu izotopu 129I. Spektrum jodu je bohaté na hustou síť úzkých absorpčních čar. Bohužel se ukázalo, že optický kmitočet 633 nm He-Ne laseru je v koincidenci jen s velmi slabou skupinou komponent přechodu R(127)11-5, takže v tradičním uspořádání absorpční spektroskopie s laserem a kyvetou plněnou absorbérem není možné dosáhnout poměru signál/šum v detekčním řetězci na takové úrovni, aby bylo reálné od některé z detekovaných heperjemných komponent odvodit chybovou veličinu regulační smyčky stabilizace frekvence. Řešení se našlo v konfiguraci s absorpční kyvetou uvnitř rezonátoru laseru. Jakost rezonátoru laseru zaručuje násobně vyšší výkon v absorpční kyvetě a koincidence pracovního kmitočtu laseru s absorpcí v jodu se projeví zvýšením ztrát v rezonátoru. Tím též dojde k násobnému zesílení vlivu absorpce na změnu optického výkonu, tentokrát celkového výkonu laseru s interní absorpční kyvetou. Fundamentální metrologie délek je ve své podstatě metrologií optických frekvencí. Vysoce stabilní lasery je možné vnímat především jako přesné oscilátory. Porovnávání jejich frekvencí je snazší a přesnější, než porovnávání vlnových délek, je nezávislé na rychlosti šíření elektromagnetické vlny v atmosféře. Měření rozdílového kmitočtu dvou laserů jejichž optické frekvence jsou dostatečně blízké lze realizovat směšováním na nelineárním členu – fotodetektoru, jehož výstupní elektrická veličina (fotoproud) je úměrná kvadrátu elektrické složky dopadajícího pole. Záznějový signál lze snadno měřit s velkou přesností elektronickým čítačem.

5

Tento proces je optickou obdobou heterodynního směšování. Je-li záznějový kmitočet radiofrekvenčním signálem zpracovatelným elektronicky typicky na úrovni pod 1 GHz, stačí jej čítat s přesností na kHz, což odpovídá relativní přesnosti 10-6, aby byly zaznamenány odchylky od optických frekvencí měřených laserů na úrovni 10-11 relativní odchylky. Kalibrace sekundárních etalonů optických frekvencí (vlnových délek) vyžaduje tedy primární etalon pracující na téměř identické frekvenci. V metrologii času, resp. radiových frekvencí je syntéza libovolného kmitočtu při zachování relativní přesnosti běžnou záležitostí. Základní etalon – cesiové atomové hodiny s dlouhodobou relativní přesností na úrovni 10-15 postačují jako jediný etalon pokrývající všechny potřeby technické praxe. V optické oblasti není syntéza libovolného kmitočtu možná. Postupně přibývající potřeby přesných optických kmitočtů pro nejrůznější aplikace ve spektroskopii, telekomunikacích, vícebarevné interferometrii, aj. vedly k potřebám vyvinout vysoce přesné stabilizované lasery na různých vlnových délkách. Na trhu s lasery co do vyráběných počtů, variability parametrů včetně provozní vlnové délky jednoznačně dominují polovodičové lasery, známé též jako laserové diody. Je pochopitelné, že výzkumní pracovníci metrologických laboratoří zaměřili svou pozornost na tyto lasery a objevily se první snahy o úpravu laserových diod pro metrologické účely. První konstrukce polovodičových laserů se zvýšenou koherencí spatřily světlo světa a vžil se pro ně termín „laser s externím rezonátorem“ ECSL (Extended cavity semiconductor laser, někdy jen ECSL). Návrhy na první experimenty a realizaci stabilizovaných polovodičových laserů směřovaly k vlnové délce 633 nm jednak díky tomu, že se jednalo v tehdejší době o nejkratší vlnovou délku pro níž byly laserové diody vyráběny a pak především proto, že bylo možné přímé porovnání relativní stability s tradičními He-Ne lasery.Koherentní polovodičový laser se stabilizací vlnové délky prokázal postupně svoji univerzalitu a aplikační potenciál. Základní koncept se stal nosným tématem pro moji práci a práci mých kolegů na dlouhé období.

2 VÝCHODISKA Vývoj jodem stabilizovaných He-Ne laserů se stal náplní pro přední metrologická pracoviště světa. Na pracovišti Oddělení kvantových generátorů světla ÚPT vyvinula skupina Ing. F. Petrů, DrSc. a Ing. B. Popely, CSc. systém, jenž se ve své době vyznačoval nevšední kompaktností konstrukce vlastního laseru a vysokou mírou automatizace ovládání. Technické řešení jodem stabilizovaného laseru je kompromisem mezi několika protichůdnými požadavky. Zcela nezbytné je zajištění jednofrekvenčního provozu. To je kritérium limitující délku rezonátoru laseru, neboť opakovací frekvence mezi sousedními podélnými mody rezonátoru laseru je v nepřímé úměře k délce rezonátoru. Při dané šířce dopplerovsky rozšířené čáry aktivního prostředí He-Ne laseru (přibližně 0,7 až 1 GHz, podle úrovně ztrát) povede delší rezonátor ke vzniku dvou a vícemodovému provozu. Naproti tomu absorpční kyveta v rezonátoru je zdrojem dalších ztrát ať už jen přítomností okének a zesílení aktivního média, které roste s délkou výbojové trubice musí převýšit ztráty v rezonátoru. To klade mimořádné nároky na kvalitu všech optických komponent laseru a délka rezonátoru, výbojové trubice a absorpční kyvety jsou výsledkem optimalizace, kdy musí být zajištěna provozuschopnost laseru a přiměřený poměr signál/šum v detekci absorpčních čar v kyvetě. Detekční systém derivační spektroskopie a stabilizace je založen na principu modulace frekvence laseru nízkofrekvenčním kmitočtem a následné synchronní demodulaci signálu detekovaného fotodiodou. Tato technika umožňuje získat z profilu absorpční čáry, jenž má uprostřed lokální minimum profil, který má charakter diskriminační S-křivky odpovídající derivaci tvaru čáry. Nejvyšší strmost odpovídá právě středu čáry, kde je navíc průchod nulovou hodnotou. Takovýto signál je vhodný jakožto regulační odchylka v servosmyčce stabilizace frekvence. V případě jodového He-Ne laseru vstupuje do hry navíc pozadí vzniklé superpozicí dopplerovsky rozšířené aktivní čáry neonu a absorpčních čar jodu. První derivace tohoto profilu není proto

6

vhodná pro stabilizaci laseru, neboť hyperjemné čáry jodu v důsledku pozadí nemají ve středu průchod nulou. Teprve třetí derivace dostatečně potlačí pozadí s malou strmostí ve prospěch úzkých hyperjemných spektrálních komponent. Obvodové řešení, které koncepčně vychází ze systému Ing. B. Popely jsem popsal v [1]. Jedním z hlavních motivů pro návrh nové elektroniky byl přechod na počítačové řízení. Systém je doplněn kartou AD/DA převodníků a rozhraním komunikujícím s PC počítačem. Snahou bylo vytvořit software zahrnující automatické vyhledávání spektrálních čar. Přeladění přes spektrální rozsah křivky zesílení aktivního média He-Ne laseru (cca 1 GHz) zahrnuje celkem 14 spektrálních komponent. I když těžiště práce, kterou zde prezentuji je na poli koherentních polovodičových laserů, považuji za nutné uvést i práci na vývoji stabilizační elektroniky pro jodem stabilizovaný He-Ne laser proto, že principy zde použité mají obecný charakter a našly uplatnění i pro stabilizaci polovodičových laserů. Elektronika pro He-Ne laser byla konstruována jako kompaktní systém, ale z ní vyšla následně modulární sestava v univerzálních skříních, kterou v různých obměnách stále využíváme v našich experimentech se stabilizací laserů a ve spektroskopii. Elektronické systémy pro polovodičové lasery prezentované dále mají jádro analogového obvodového řešení víceméně totožné se systémem popsaným v [1]. Větších změn doznala jen digitální část.

3 PRVNÍ KONSTRUKCE POLOVODIČOVÉHO LASERU S EXTERNÍM REZONÁTOREM Všichni, kteří pracovali na vývoji koherentních polovodičových laserů a směřovali své úsilí k aplikacím v metrologii vycházeli ze zkušeností s He-Ne lasery. Úvodní návrhy polovodičových laserů s externím rezonátorerm vycházely z koncepce jodem stabilizovaného He-Ne laseru a sestávaly z laserové diody jakožto aktivního prostředí, optické mřížky, jakožto selektivního optického členu a absorpční jodové kyvety umístěné dovnitř externího rezonátoru. Koncept se neosvědčil, neboť vedl k příliš dlouhému rezonátoru. Volba délky externího rezonátoru byla výsledkem protichůdných požadavků – větší délka slibovala vyšší jakost, ale nižší opakovací kmitočet podélných modů. To mělo za následek potíže se selekcí jedné frekvence. Spektrální charakteristiku selektivity mřížky, nejčastěji pod Littrowovým úhlem, nebylo možné zásadně ovlivnit. Volba co nejkratšího externího rezonátoru se ukázala jako důležitější. To vedlo ke konstrukci ECSL laserů jakožto samostatných prvků a umístění absorbérů mimo rezonátor. Laser sám mohl být následně sloužit i v jiných aplikacích. Z těchto prvotních zkušeností vyšly konstrukce prezentované v této práci. Mechanická a optická řešení selektivního rezonátoru byla přejata z barvivových laserů. Podobnost s diodovými lasery byla zřejmá, aktivní prostředí s velkou spektrální šířkou zesílení, velkým ziskem a relativně malými rozměry (u barvivového laseru tryska s úzkým paprskem kapalného barviva). Nejjednodušší uspořádání byla optická mřížka ve funkci jednoho ze zrcadel. Mřížka pod tzv. Littrowovým úhlem, kdy první difrakční řád je odražen ve stejném směru, jako dopadající svazek, nultý řád slouží jako užitečný výstup laseru. Selekce vlnové délky se děje natočením mřížky, obdobně, jako například v monochromátoru. Velmi malá čelní plocha čipu laserové diody zde nahrazuje štěrbinu. Laserová dioda použitelná v ECSL konfiguraci nutně musí splňovat požadavek provozu v základním TEM00 příčném modu, základní předpoklad pro jednofrekvenční provoz. Volba tedy vedla k diodám s vícenásobnou kvantovou jámou a „gainguided“, nebo lépe „index-guided“ strukturou. Konfigurace ECSL s mřížkou pod Littrowovým úhlem (obr. 1a) se tedy sestává z kolimační čočky vytvářející co nejlépe kolimovaný svazek dopadající na mřížku. Tatáž čočka soustřeďuje svazek odražený v 1. difrakčním řádu mřížkou na čip diody. Vzhledem k rozměrům vlnovodného kanálu LD o rozměrech řádově se blížících vlnové délce je zajištěna velká spektrální selektivita celé soustavy. Rezonátor ECSL je tvořen zadní fazetou čipu laserové diody a mřížkou. Ladění se děje natáčením mřížky a tím volbou selektované

7

vlnové délky a současně změnou délky rezonátoru. Již v souvislosti s barvivovými lasery bylo ukázáno, že existuje takové mechanické uspořádání, kdy mřížka vykonávající rotační pohyb s vhodně zvoleným středem otáčení zajistí synchronní ladění délky rezonátoru a selektivního úhlu. Tím bylo možno dosáhnout teoreticky velmi velkého plynulého přeladění bez modových přeskoků. Nevýhodou ovšem bylo, že výstupní svazek odražený v nultém řádu mřížkou byl při ladění vychylován. Druhá koncepce, která se ujala a jenž byla taktéž přejata z techniky barvivových laserů bylo uspořádání Littmannovo (obr. 1b), případně Littmann-Metcalfovo. Základ byl obdobný, Laserová dioda s kolimační čočkou a mřížka, nikoli však pod Littrowovým úhlem, ale odrážející první difrakční řád mimo LD na pomocné zrcadlo. Ladění se děje polohováním pouze tohoto zrcadla, mřížka je pevná. Poloha výstupního svazku opět v nultém řádu je tentokrát neměnná. Výhodou je navíc vyšší selektivita mřížky, neboť se světlo uvnitř rezonátoru odráží v prvním difrakčním řádu od mřížky dvakrát. Nevýhodou jsou větší ztráty z důvodu dvojitého odrazu na mřížce, vyšší složitost a vyšší nároky na mřížku. Laserový svazek dopadá na mřížku pod velmi ostrým úhlem vůči rovině mřížky, v anglické terminologii se mluví o tzv. „grazing incidence“. Aby měla v tomto režimu mřížka přijatelnou účinnost v prvním difrakčním řádu, je nutno volit mřížku s velkou modulací, tj. s hlubokými vrypy. Uspořádání Littmann-Metcalfovo také skýtalo možnost nalezení optimálního bodu otáření ladicího zrcadla, takového, aby byl laser laditelný bez modových přeskoků. Jak se postupně v praxi ukázalo, mechanické řešení čepu ladění, přesné nastavení jeho polohy při zachování robustnosti konstrukce bylo obtížně řešitelným technickým problémem a to v Littrowově i Littmannově uspořádání. TM DG

L LD L ext

L ext

Lx

b

AR L LD

OB

DG

AR a)

b)

Lx

OB

a

L ext1

Obr. 1 Tzv. „Littrowovo“ a) a „Lttmannovo“ b) uspořádání ECSL. LD – laserová dioda, AR – antireflexní vrstva, L – kolimační čočka, DG – difrakční mřížka, TM – ladicí zrcadlo, OB – výstupní svazek. V našem prvním systému, prezentovaném v [2] jsem volil konfiguraci podle LittamnnMetcalfa, především proto, že mojí snahou bylo navrhnout laser vhodný nejen pro etalon optické frekvence, ale též systém, který by nalezl širší uplatnění ve spektroskopii a především interferometrii. Laserový zdroj s vychylováním svazku by byl v této aplikaci nepoužitelný. Mechanické uspořádání ECSL laseru je znázorněno na obr. 2. Zvolená koncepce využívá mřížku jako hlavní element justáže rezonátoru. Je umístěna „vzhůru nohama“, držena pružinou k víku skříně rezonátoru se třemi dvojicemi justážních šroubů. Pro dosažení náležité jemnosti nastavení jsou šrouby zdvojeny na pákách umožňující přímé hrubé nastavení a jemné, dané převodovým poměrem páky, v našem případě v poměru 1:7. Zrcadlo ladění vlnové délky je na rámu, jenž obchází blok laserové diody a je upevněn ve dvou postranních čepech. Těleso laserové diody je polohovatelné v rybině osově, je odděleno od bloku rezonátoru keramickou deskou

8

izolující elektricky i tepelně. Termostatizace a odvod tepla z LD zajišťuje Peltiérův článek na bloku LD s chladičem. Rám celé konstrukce byl uzavřený, skříňový a dával sestavě dobrou tuhost a stabilitu. Nastavení rezonátoru bylo hrubě šroubem s jemným stoupáním a jemně piezoelektrickým měničem. R

S

S

S

S

SP LE C

GH

S

PZT MH

IS LD

L

Obr. 2 boční řez mechanické konstrukce ECSL. LD – laserová dioda, S – šroub, SP – pružina, LE – pákový převod, GH – držák mřížky, C – Peltierův článek, R – chladič, IS – izolační podložka, MH – držák zrcadla, L – kolimační čočka. Laser byl plně funkční, ověřil správnost zvolené koncepce a na jeho základě jsme sestavili stabilizaci vlnové délky na bázi subdopplerovské spektroskopie v molekulárním jodu s externě umístěnou 30 cm kyvetou (obr. 3). S laserem v tomto uspořádání jsme se zúčastnili mezinárodního srovnávání jodem stabilizovaných polovodičových laserů ICLAD ’99 pod patronací BIPM v Paříži, které se konalo tamtéž. Náš systém byl rovnocenný laserovým normálům ostatních laboratoří z nichž většina volila mechanicky i opticky jednodušší konstrukci s mřížkou pod Littrowovým úhlem. Náš laser byl výjimečný velkým rozsahem přeladění bez modových přeskoků.

Obr. 3 Optická sestava stabilizace EC(S)L laseru. FI – Faradayův izolátor, λ/2, λ/4 – zpožďovací desky, PBS – polarizující dělič, RM – polopropustné zrcadlo, M – zrcadlo, L – čočka, C – chladič, I2 – jodová kyveta, FP – analyzátor, FC – vláknový kolimátor, APD – fotodetektor.

9

4 MEZINÁRODNÍ SROVNÁVÁNÍ ICLAD ‘99 Účast na mezinárodním srovnávání ICLAD ’99 bylo významným završením první etapy mého snažení a snažení našeho týmu na poli konstrukce a stabilizace vysoce koherentních polovodičových laserů. Výsledky jsou shrnuty v publikaci [3], jejímiž autory jsou všichni účastníci setkání. Metrologický význam během tohoto srovnávání byl přisouzen mimo skupiny komponent přechodu R(127)11-5 koincidující s vlnovou délkou He-Ne laseru skupině čar přechodu P(33)6-3 a skupině čar tří navzájem se spektrálně překrývajících přechodů R(60)8-4, R(125)9-4 a P(54)8-4. Pøechody

Skupina silných pøechodù

Záznam spektra molekulárního jodu

Obr. 4 Záznamy spektra jodu pořízené naší sestavou. Detailní záznamy obou metrologicky významných skupin spektrálních komponent a) a b), celkový záznam c). Skupina přechodu P(33)6-3, zhruba o řád silnější, než R(127)11-5 byla zajímavá především proto, že při stabilizaci polovodičových laserů na některou z jejich komponent bylo možné přímé srovnání radifrekvenčním záznějem s He-Ne laserovým etalonem. Nejbližší spektrální čára

10

přechodu P(33)6-3 je vzdálena středu spektra He-Ne laseru méně, než 0,5 GHz. Komponenty slabého přechodu R(127)11-5 byly v uspořádání s detekcí v externí kyvetě a při rozumné interakční délce kyvety do cca 50 cm na hranici rozlišení relativně šumivým ECSL laserem. Přechody R(60)8-4, R(125)9-4 a P(54)8-4 jsou od čar přechodu P(33)6-3 spektrálně vzdáleny přibližně 12 GHz od He-Ne etalonu ještě více, což je již příliš mnoho na spolehlivé měření zázněje fotodetektorem a čítání laboratorním čítačem. Nicméně nejsilnější komponenty této skupiny vykazují poměr signál/šum při detekci ještě třikrát vyšší, než u skupiny P(33)6-3. Významným přínosem našeho pracoviště k metrologii optických frekvencí na bázi laserů stabilizovaných prostřednictvím saturační spektroskopie byla a stále je výroba a plnění kyvet s vhodným absorpčním médiem. V oblasti viditelného spektra dominují páry molekulárního jodu. Kyvetou plněnou na našem pracovišti diponovaly týmy z Německa, Dánska a Finska. Příprava absorpčních kyvet je unikátní technologií. Nečistoty způsobují rozšíření absorpčních čar zkrácením relaxační doby molekul jodu nezářivými srážkami a tím i snížení velikosti detekovaného signálu. Změna tvaru detekovaných absorpčních čar vede pak k posuvu středu čáry vůči teoretickým hodnotám. Kyvety plněné na našem pracovišti dosáhly v metrologických kruzích velkého renomé. Dílčím cílem srovnávání bylo stanovení charakteristik laserů, jejich citlivosti na vnější vlivy a technické parametry systému. Vzhledem k tomu, že pracovní vlnová délka byla prakticky totožná se stabilizovanými He-Ne lasery a základní principy detekce s stabilizace taktéž, byla přejata také metodika měření, neb se dalo očekávat, že význam základních parametrů na stabilitu a offset optické frekvence bude obdobný. Měření těchto závislostí i výsledky vlastního srovnávání relativní stability a frekvenčního offsetu jsou prezentovány v [3]. Větší význam lze přisoudit dlohodobějším záznamům relativní stability, kde se výsledky zpracovávají prostřednictvím statistiky Allanových variancí. Jedná se o tradiční metodiku srovnávání relativní stability oscilátorů, nejen optických. V logaritmických souřadnicích reprezentují Allanovy variance závislost relativního rozptylu hodnot rozdílů frekvencí na integrační době (době průměrování). Oscilátor (laser) zatížený pouze náhodnými fluktuacemi – bílým a plápolavým šumem a prostý dlouhodobých driftů se projeví na diagramu lineární klesající závislostí udávající zlepšující se relativní stabilitu pro delší integrační časy. Výsledkem srovnávání bylo dosažení relativní stability na úrovni lepší, něž 10-12 pro integrační časy okolo 100 s prakticky všemi systémy ve srovnání se stabilizovanými He-Ne lasery, náš je na obr. 5. Pro srovnávání polovodičových laserů stabilizovaných na skupině čar tří navzájem se spektrálně překrývajících přechodů R(60)8-4, R(125)9-4 a P(54)8-4 bylo očekáváno dosažení lepších hodnot stability díky lepšímu poměru signál/šum. Toto se potvrdilo, byť rozdíl je jen nepatrný. Allanovy variance

Integraèní doba

Obr. 5 Záznam Allanových variancí při srovnávání našeho systému s ECSL laserem s referenčním stabilizovaným He-Ne laserem.

11

Závěrem srovnávání může být poznání, že polovodičové lasery s externím rezonátorem jsou schopné dosahovat metrologických parametrů jednofrekvenčním provozem, nízkým frekvenčním šumem a technikou stabilizace. Významnou předností je široká přeladitelnost. Dosažené hodnoty relativní stability jsou plně srovnatelné s tradičními He-Ne laserovými etalony optických frekvencí. Až později se postupně ukázalo, že se nenaplnilo jedno z očekávání, že by polovodičové lasery mohly nahradit He-Ne lasery jako základní etalony délky v oblasti 633 nm. Laserové diody mohou jistě konkurovat cenou, optickým výkonem i malými rozměry, ale polovodičový laser v konfiguraci s externím rezonátorem se ukázal jako značně komplikovaný a choulostivý systém, velmi citlivý na externí elektromagnetické rušení a akustické vibrace. Výsledkem srovnávání bylo též vyhodnocení metrologického potenciálu přechodů v molekulárním jodu P(33)6-3 a pak skupiny čar přechodů R(60)8-4, R(125)9-4 a P(54)8-4. Přechod P(33)6-3 byl výsledně zanesen do doporučení komise CCDM popisující technické a fyzikální podmínky realizace etalonů a limity dosažitelné přesnosti. Lze říci, že tento krok potvrdil smysl tohoto úsilí a přivedl polovodičové lasery do metrologické praxe.

5 KOMPAKTNÍ ECSL LASER Na základě všech předchozích zkušeností se jevilo, že polovodičové lasery s externím rezonátorem by mohly být vhodným laserovým zdrojem pro praktická měření, především díky velkému rozsahu přeladění a vyššímu výkonu ve srovnání s He-Ne lasery zcela dominujícími v segmentu interferometrie geometrických veličin. Větší konstrukční složitost a citlivost ECSL laserů se zdála být řešitelná vhodnou mechanickou konstrukcí rezonátoru laseru a pravděpodobně vyšší výrobní náklady mohly být ospravedlnitelné v případě speciálních aplikací, jakou se jevila být především tzv. absolutní interferometrie. Vývoj polovodičového laseru s externím rezonátorem jakožto laserového zdroje pro interferometrii byl hlavním motivem dalšího snažení. V sestavě ECSL laseru tvoří aktivní prostředí čip polovodičové laserové diody. Laserová dioda jakožto samostatný laser je tvořena rezonátorem se zrcadly v podobě fazet čipu. polovodičový monokrystal z něhož jsou laserové diody vyráběny je štípán podle krystalických ploch na jednotlivé čipy, čímž vznikají plochy s velmi dobrou rovinností. Index lomu polovodiče na bázi InGaAs má index lomu okolo 3,5, takže odrazivost rozhraní polovodič-vzduch se pohybuje na úrovni 30%. Při velkém zisku aktivního prostředí laserové diody to stačí k provozu v režimu stimulované emise. Zvýšení selektivity rezonátoru přidáním externího rezonátoru (optické zpětné vazby) lze dosáhnout zúžení čáry laseru zvýšením jakosti externího rezonátoru na selektované vlnové délce, ale přeladění bez modových přeskoků prostřednictvím externího rezonátoru možné není. Systém se chová jako laser s vázanými rezonátory a plynulé přeladění by vyžadovalo přesně synchronní ladění obou, což není technicky možné. Proto všechny experimenty s polovodičovými lasery s externím rezonátorem probíhaly s laserovými diodami opatřenými antireflexní vrstvou na přední fazetě čipu. Antireflexe potlačila vlastní rezonátor diody, která se v pracovním rozsahu injekčních proudů přestala chovat jako laser a vyzařovala jen spontánní emisí jako superluminiscenční dioda. Externí rezonátor byl tedy jedinou optickou zpětnou vazbou a byl určující pro chování laseru. Komerční kusové vrstvení diod bylo vždy nákladnou záležitostí, navíc s problémy na trhu a zájmem našich metrologických kolegů jsem se rozhodl zaměřit úsilí na vývoj vlastní technologie depozice AR vrstev pro laserové diody. Naše pracoviště pro to mělo velmi dobré předpoklady, neb je vybaveno vlastní aparaturou pro vakuové napařování dielektrických interferenčních multivrstev. První úvahy ukázaly, že nezbude, než volbu vhodné konfigurace vrstev nalézt metodou pokusomyl. Pro návrh a výpočet soustavy vrstev je nutné znát velmi přesně hodnotu indexů lomu obou prostředí, na jejichž rozhraní má být odrazivost potlačena. Zjistit tuto hodnotu přesně pro materiál zářivého kanálu laserové diody se ukázalo neřešitelné.

12

Zvolil jsem tedy postup, kdy jsme nakoupili sadu diod stejného typu a navrhli AR vrstvy pro různé odstupňované hodnoty indexu lomu substrátu a provedli po jedné depozici. Následné měření ověřilo naše výsledky a zúžilo rozsah hodnot indexu lomu. Měření zbytkové odrazivosti se ukázalo jako ne zcela elementární problém. Nejjednodušší bylo měřit zvýšení prahového proudu LD (proudu, při němž LD začne pracovat v režimu stimulované emise). Brzy jsme ovšem zvládli depozici AR vrstev natolik dobrých, že se hodnota prahového proudu posunula nad maximální povolený provozní proud LD. Orientovali jsme se tedy na metodiku, kterou prezentovali Kaminov a Eisenstein. Metodika využívala faktu, že povrstvená dioda pracující v režimu superluminiscenční diody má široké spektrum, které nemá hladký profil, ale nedokonale potlačený rezonátor diody působí jako filtr s periodou odpovídající jeho optické délce. Tento filtr vytváří ve spektru diody spektrální „modulaci“. Hloubka této modulace pak určuje kvalitu antireflexe a tím i potlačení vnitřního rezonátoru diody. Dokonalá antireflexe by vytvořila superluminiscenční diodu se zcela hladkým spektrálním profilem (obr. 6).

a)

b)

c)

d)

Obr. 6 Ukázky záznamů emisních spekter LD s různou kvalitou antireflexe. a) – nepovrstvená LD, b) – vrstva s odrazností 1,3×10-3, b) – 6,8×10-5, b) – 2,8×10-5. Osy záznamů jsou nekalibrované, v relativních jednotkách, zde se jedná o relativní intenzitu a LSB A/D převodníků. Podařilo se nám dosahovat odrazivosti pod úrovní 10-4 relativní odrazivosti [4]. Je zřejmé, že hodnota 10-4 zní obdivuhodně dobře a v kruzích odborníků pracujících s ECSL lasery bylo známo, že se jedná o nerealistická čísla. Pro nás bylo ovšem důležité jednak srovnání s komerčními diodami Joachim Sacher Lasertechnik a pak srovnání našich jednotlivých pokusů. Použití jednotné metodiky tento požadavek splňovalo. Naše laserové diody s nejlepšími AR vrstvami byly poté použity v konfiguraci kompaktního ECSL laseru, který bude popsán dále a umožnily dosáhnout velkých hodnot kontinuálního přeladění bez modových přeskoků na úrovni 0,2 nm, limitovaných jen roztažností ladicího PZT

13

členu. Při experimentech s ECSL lasery a LD povrstvenými naší technologií se ukázala jako limitující životnost vrstev. Známky degradace vrstev se začaly projevovat po několika měsících až půl roce provozu a v rozsahu přeladění se začínaly objevovat přeskoky. Konstrukce kompaktního polovodičového ECSL laseru vycházela z předchozích zkušeností. Koncept Littmannova uspořádání se ukázal jako výhodný pro široké přeladění (absence úhlové výchylky výstupního svazku) a nová konstrukce měla především umožnit snazší justáž polohy osy naklápění zrcadla a zvýšit celkovou tuhost systému. Nastavování optické zpětné vazby polohováním mřížky bylo též žádoucí nahradit jiným mechanizmem. Výsledný návrh, který jsem prezentoval v [5] splnil tato očekávání. Vlastní rám konstrukce laseru byl vyroben z jednoho kusu hliníkové slitiny frézováním. Laserová dioda zde již není tepelně a elektricky oddělena od tělesa rezonátoru. Celý rezonátor je umístěn na velkoplošný Peltiérův článek a je termostatizován jako celek. LD, jakožto zdroj tepla zahřívá bodově těleso rezonátoru a z něj je teplo plošně odváděno. Velmi brzy po zapnutí je díky výkonu Peltiérova článku, velké styčné ploše a velké tepelné vodivosti hliníkové slitiny dosaženo tepelné rovnováhy a ustáleného stavu Termostatizace celého bloku rezonátoru přispívá k jeho geometrické stabilitě. Mechanika justáže laseru je postavena na pevné poloze laserové diody a mřížky s možností polohování kolimační čočky ve třech stupních volnosti a polohy bodu otáčení držáku mřížky ve dvou stupních volnosti. Deska držáku kolimační čočky je upevněn na pružné planžetě, která umožňuje nejen naklápění a tím změnu ohniskové vzdálenosti, ale v malém rozsahu též stranové a výškové vychýlení. Asférická kolimační čočka Geltech s ohniskovou vzdáleností 0,5 mm a numerickou aperturou 0,55 vyžaduje velmi přesné nastavení. Fixace nastavené čočky a nezbytná tuhost je zajištěna dvěma protiběžnými šrouby, které naklápějí držák čočky stranově a umožňují vzájemné přitažení. Mechanizmus nastavování polohy čepu ladění rezonátoru musí splňovat protichůdné požadavky na jemnost a přesnost a současně na tuhost. Řešením je sestava dvou desek s pružnými čepy ze zkřížených planžet jejichž poloha je fixována průchozími šrouby přitažením k bloku rezonátoru. Konstrukce se osvědčila, čímž byla ospravedlněna i náročnost výroby rámu rezonátoru (obr. 7). TS

PS

L

G

LP

MH

PZT

W

P

Obr. 7 Perspektivní pohled na rozloženou konstrukci kompaktního ECSL laseru. PS – šrouby polohování čepu, LP – šrouby polohování čočky, L – kolimační čočka, G – mřížka, P – čep ze zkřížených planžet, MH – držák zrcadla, W – okénko, TS – šroub hrubého ladění. Při hledání optimální polohy bodu otáčení se ukázalo, že rozsah přeladění je závislý mimo jiné na tom, jak dobře se podaří nastavit velikost optické zpětné vazby do laserové diody. To mne

14

přivedlo na myšlenku využít rozdílné účinnosti mřížky v prvním difrakčním řádu pro různé úhly roviny polarizace světla dopadajícího na mřížku. Vzhledem k tomu, že výstup laseru je svazkem LD přímo odraženým mřížkou (nultý difrakční řád), je výstupní výkon taktéž ovlivněn účinností mřížky. Nastavení úhlu polarizace svazku dopadajícího na mřížku a tím i účinnosti mřížky v prvním difrakčním řádu je volbou na jedné straně mezi vyšším výstupním výkonem odpovídajícím menší účinnosti a menší zpětné vazbě a na druhé straně širším přeladěním laseru bez modových přeskoků odpovídajícímu vyšší účinnosti a větší zpětné vazbě do LD. Natáčení roviny polarizace je snadno realizovatelné natáčením vlastní laserové diody ve válcovém tunelu v němž je zapuštěna v tělese rezonátoru. Na obr. 8 jsou uvedeny naměřené hodnoty výstupního výkonu laseru a rozsahy přeladění bez modových přeskoků. Reprodukovatelnost měření není příliš vysoká, protože každé pootočení LD v pouzdře znamená rozladění rezonátoru a je nutná nová zdlouhavá a náročná justáž, která ne vždy vede k přesně témuž optimálnímu nastavení. Celkové průběhy naměřených závislostí jsou ale přesvědčivé a svědčí o protichůdných tendencích nárůstu výkonu a rozsahu přeladění. Volba velikosti zpětné vazby je tedy otázkou priority a aplikace, pro níž je laser určen. 3

6 5

2

4 3

1

2 1 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

polarizaèní úhel [°]

Obr. 8 Závislost výstupního výkonu a napětí na interním fotodetektoru LD na úhlu polarizace světla dopadajícího na mřížku. Údaj z FD je úměrný výkonu v rezonátoru a tím míře zpětné vazby. Kompaktní laser s jednou z nejlépe AR povrstvených diod, která se nám zdařila byl také testován na šířku čáry. Měření šířky čáry s potřebným rozlišením je možné prostřednictvím zázněje s referenčním laserem s výrazně užší emisní čárou a zobrazení tohoto zázněje na spektrálním analyzátoru. ECSL laser byl konstruován jako náhrada za He-Ne laser, takže záznějové měření mohlo být sestaveno s vysoce koherentním He-Ne laserem. Záznam zázněje při optimálním nastavení rezonátoru ukázal šířku čáry na úrovni 100 kHz optického kmitočtu (obr. 9). To je pro polovodičový laser mimořádně dobrá hodnota nedosažitelná jinými úzkospektrálními laserovými diodami, jako jsou DFB, DBR, nebo VCSEL lasery. Svědčí o tom, že konstrukce laseru s externím rezonátorem je cestou jak dosáhnout nejlepších spektrálních vlastností u polovodičového laseru. S kompaktní podobou ECSL laseru jsem provedl sérii experimentů se stabilizací prostřednictvím saturované absorpce v jodu, přičemž snahou bylo ověřit metodu zvýšení poměru signál/šum v detekci umístěním absorpční kyvety do Fabry-Perotova rezonátoru, čímž by byla koeficientem jakosti rezonátoru prodloužena interakční délka namísto dlouhé kyvety. Ukázalo se, že stabilizace prostřednictvím dvou regulačních smyček je zdrojem problémů. Systém vyžadoval regulaci vlnové délky laseru a délky rezonátoru na střed zvolené absorpční čáry. Problematická byla především vazba délky rezonátoru a vlnové délky laseru. Frekvenční šum laseru byl i v uzavřené regulační smyčce demodulován na strmosti křivky selektivity rezonátoru a přispíval tak výrazně ke zvýšení amplitudového šumu v hlavním řetězci detekce hyperjemných čar. Řešením by mohla být dostatečně rychlá regulační smyčka této stabilizace, limitujícím faktorem

15

byla ale šířka pásma přenosu piezoelektrických měničů v držácích zrcadel Fabry-Perotova rezonátoru. Zhoršení poměru signál/šum přispěním zmíněného demodulovaného šumu bohužel anulovalo přínos kyvety umístěné v rezonátoru. Základní informace o tomto uspořádání je zmíněno v přehledovém článku o ECSL laserech v metrologii [6].

Frekvence

Obr. 9 Záznam spektra zázněje mezi ECSL laserem a referenčním He-Ne laserem. Mimo fundamentální metrologii byl hlavním motivem za návrhem kompaktního ECSL laseru zámysl přinést nový laserový zdroj do oblasti interferometrie, především tradiční interferometrie délek. Zde ve všech komerčně dostupných systémech představuje jediné řešení He-Ne laser. Na téma absolutní interferometrie byly vázány další grantové projekty naší skupiny a počítali jsme s ECSL laserem pracujícím na vlnové délce 633 nm. Přes slibné úvodní experimenty nakonec nezbylo, než hledat náhradní řešení. Překážkou byly především technologické problémy s antireflexním vrstvením laserových diod. Kvalitní antireflexe je jedním z hlavních předpokladů přeladitelnosti bez modových přeskoků. I kdyby se ovšem dařilo tyto komplikace překonat, zůstával zde primární problém životnosti AR vrstvy na čipu diody. Pro normál optické frekvence není přeladitelnost kritická a vliv kvality AR vrstvy na šířku čáry a šum laseru není významný. V našem případě byly patrné známky degradace vrstev již po několika měsících intenzivního laboratorního provozu. ECSL laser je možné prohlásit za spolehlivě pracující úzkospektrální jednofrekvenční laser, nicméně aplikace stavící na spolehlivém širokém přeladění bez jediného modového přeskoku, případně navíc mimo stabilní laboratorní prostředí není reálná. V rámci projektu absolutní interferometrie jsme se tedy orientovali na tehdejší novinku, laserovou diodu typu VCSEL, diodu s tzv. vertikálním rezonátorem. V naší aplikaci nezbylo, než přizpůsobit optiku interferometru pro vlnovou délku 760 nm – nejkratší vlnovou délku, na níž bylo možné získat VCSEL laser. Plynulá přeladitelnost VCSEL diody byla však spolehlivá a absolutní měření vzdáleností s interferometrem ověřeno [7].

6 ELEKTRONIKA Elektronický systém pro stabilizaci optické frekvence primárního etalonu polovodičového ECSL laseru vycházel koncepčně z elektroniky He-Ne jodem stabilizovaného laseru (viz kapitola východiska). Základním principem detekce absorpčních čar v plynném jodu byla opět derivační spektroskopie s detekcí na třetí harmonické modulačního kmitočtu. Modulace i zpětnovazební regulace optické frekvence ECSL laseru se děla opět prostřednictvím mechanického ladění délky rezonátoru PZT akčním členem. V souvislosti s laserovou diodou se samozřejmě nabízela i varianta alespoň modulace proudem, ale ukázalo se, že přítomnost reziduální amplitudové modulace a zkreslení vlivem nelineární závislosti vlnové délky na proudu jsou zásadními překážkami.

16

V období předcházející návrhu a konstrukci nové detekční elektroniky jsem zvažoval plnou digitalizaci systému. Digitální signálové procesory byly v té době již zavedenou technologií. Následný rozbor dynamických poměrů však hovořil v neprospěch digitální koncepce. Při konstrukci etalonu na bázi ECSL laseru jsem výsledně zvolil ověřené řešení. Navíc nároky na dynamiku u ECSL laseru s širokým přeladěním díky vícevrstvému PZT elementu by byly ještě nejméně o řád vyšší, než u He-Ne laseru. Řídící a obslužná elektronika ECSL polovodičového ECSL laseru ovšem zahrnovala i řízení proudu a teploty laserové diody, oboje s velkými nároky na přesnost a dlouhodobou stabilitu. Návrhu a konstrukci proudového i teplotního kontroléru jsme s kolegy věnovali mimořádnou péči. Motivací nám byly převážně neblahé zkušenosti našich zahraničních kolegů s extrémní citlivostí laserových diod na elektromagnetické, zvlášť impulzní rušení způsobující náhlou destrukci LD, nebo, hůře, jen postupnou degradaci vlastností. Zanechat za sebou tak velký „hřbitov“ laserových diod jako výsledek experimentů, jako např. naši němečtí kolegové jsme si s naším rozpočtem nemohli dovolit. Proudový kontrolér vycházel svou koncepcí s návrhu publikovaného skupinou J. Halla z NIST Boulder, U.S.A. Základem byl proudový zdroj s jedním operačním zesilovačem tvořícím jádro regulace proudu a tranzistorem regulujícím proud do sériově zapojené LD [8]. Odpor pro odvození napěťové zpětné vazby OZ je připojen k nulovému potenciálu. Tento koncept vychází obvodově nejjednodušeji, regulační smyčka je tvořena jediným OZ. Vlastní LD však nemůže být spojena s nulovým vztažným potenciálem celého zapojení, což je řešeno přídavným opěrným napětím +9V vůči nule. Řízení proudu je odvozeno od napěťové reference a nastavováno víceotáčkovým potenciometrem. Blokové schéma proudového kontroléru včetně koncepce stínění je na obr. 10. DC/DC mìniè proudový zdroj

oc

napájení øídící jednotka

FD A spol. LD K

oc

oc øízení a napájení

proud LD

ochrana, modulace modulace vst.

FD výst.

Obr. 10 Blokové schéma proudového kontroléru. OC – lineární analogový optron. Klíčovým pro bezpečný provoz LD byly obvody zabezpečení. Jednalo se o plynulý náběh a doběh pracovního proudu, zajištěný i v případě výpadku napájení, kdy napájení jádra kontroléru byla po nutnou dobu zajištěna kapacitou filtračních kondenzátorů v napájení. Vlastní LD byla v době mimo provoz zkratována miniaturním relé (popř. optočlenem spínaným FET tranzistorem, v klidovém stavu sepnutým) jak na straně kontroléru, tak na straně LD. Ochránění LD před indukovanými přechodovými ději zvenčí mělo zajistit dvojité stínění jak proudového kontroléru, tak vlastní LD i přívodního kabelu. Vnější stínění bylo spojeno se skříní elektroniky (19”) rámem a zemnící svorkou. Vnitřní stínění pak s pouzdrem LD, přičemž bylo vůči vnějšímu stínění elektricky plovoucí, nebo podle okolností mohlo být připojeno k zemnícímu potenciálu v místě LD. Otázkou bylo, jak vyřešit napájení obvodů odděleného plovoucího jádra kontroléru. komerčně dostupné oddělovací měniče se ukázaly jako zdroje velmi velkého pulzního rušení. Rozhodli jsme se tedy jít cestou vlastního vývoje. Výsledkem byl návrh oddělovacího měniče s vlastním oscilátorem s tranzistorem pracujícím ve třídě A na kilohertzovém kmitočtu a napájející

17

oddělovací transformátor v hrníčkovém jádře. Díky vysokému kmitočtu měniče mohl byt transformátor miniaturní. Koncepce zdroje se osvědčila, zvláště řada ochranných a zabezpečovacích prvků zajistila, že během našich experimentů s LD řádně připojené k tomuto kontroléru nedošlo ke zničení diody. Šumové vlastnosti zdroje jsme následně testovali porovnáváním s čistě pasivním bateriovým zdrojem technikou optického měření amplitudového šumu a konverzí frekvenčního šumu na amplitudový. Toho bylo realizováno pomocí optického frekvenčního diskriminátoru – pasivního Fabry-Perotova rezonátoru, kdy frekvence laseru byla stabilizována na bok křivky propustnosti rezonátoru technikou „offset locking“. Frekvence laseru byla stabilizována úmyslně pomalou regulační smyčkou a prostřednictvím spektrálního analyzátoru byl sledován demodulovaný fotodetektorem snímaný frekvenční šum laseru. Srovnání s bateriovým zdrojem neukázala měřitelný rozdíl. Kontrolér pro řízení teploty laserové diody je neméně důležitou součástí obslužné elektroniky. Závislost vlnové délky na teplotě je výrazná a pro dlouhodobou stabilizaci frekvence laseru je nutné udržet dlouhodobé drifty pod úrovní rozsahu regulace. V naší koncepci byla volba – proudový kontrolér plně analogový pro vyloučení rušení z číslicových obvodů, zatímco u teplotního kontroléru převážily výhody digitálního řešení.

7 APLIKACE Zajímavou a neobvyklou aplikací znalostí a technologie získané v průběhu výzkumu vysoce koherentních a stabilizovaných polovodičových laserů se ukázala být konstrukce laseru sloužícího jakožto „master-oscilátor“ výkonového pulzního laserového systému laboratoře PALS, společného pracoviště Ústavu fyziky plazmatu a Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze. Pulzní výkonový plynový laser ASTERIX IV pracoviště PALS pochází původně z německého Institut für Quantumoptik Maxe Plancka v Garchingu, SRN. Jedná se o systém typu MOPA (Master Oscillator Parametric Amplifier) – pulzní laser malého výkonu s kaskádou optických zesilovačů na bázi opticky (xenonovými výbojkami) čerpaného pefluoroisopropyl jodidu. Pracovníci laboratoře PALS přišli s myšlenkou zvýšit špičkový výkon v pulzu zkrácením pulzů metodou optického parametrického rozmítaného zesílení pulzů (OPCPA). Toto řešení zahrnovalo náhradu pulzního zdrojového laseru pracujícího v režimu „mode-lock“ kontinuálním laserem generujícím pulzy řízeně prostřednictvím elektrooptického modulátoru. Pracovní vlnová délka laseru laboratoře PALS 1315 nm směřovala zřetelně k laserovým diodám určeným primárně pro telekomunikační oblast. Spektrální parametry zdrojového laseru byly dány charakteristikou aktivního média optických zesilovačů. Jedná se o plynné prostředí vykazující dopplerovsky rozšířený spektrální profil přechodu I(5 2P3/2) ↔ I(5 2P1/2) v opticky disociovaném jodu. Pro zdárný provoz bylo požadováno, aby stabilita optické frekvence zdrojového laseru pohybovala v rozmezí blízkém středu dopplerovsky rozšířené čáry přechodu, aby byla co nejlépe využita energie zesilovačů. Konstrukce laserového „master-oscilátoru“ pro naši skupinu byla zajímavou výzvou. Z počátku bylo zřetelné, že se nejedná o vhodnou parketu pro ECSL laser z důvodu nároků na dlouhodobou životnost a spolehlivost. Navíc v telekomunikačním pásmu nabízí trh velké množství laserů s dobrými spektrálními vlastnostmi, laserů s rezonátorem typu DFB (Distributed Feedback), nebo DBR (Distributed Bragg Reflector). Hlavním úkolem bylo tedy najít vhodné absorpční prostředí pro odvození regulační odchylky smyčky stabilizace a vše vyřešit po technické stránce, aby vznikl systém vyhovující nárokům na autonomní provoz a spolehlivost. Výsledkem hledání optické reference na vhodné vlnové délce byla nakonec volba téhož přechodu, který je zdrojem optického zisku v jodidových zesilovačích. Disociace dvouatomových jodových molekul lze dosáhnout i tepelně. Sáhli jsme po osvědčené technologii jodových kyvet, jen návrh musel předpokládat provoz při teplotě stovek stupňů. Experimenty ukázaly, že pro 20 cm dlouhou kyvetu vykazuje

18

nejsilnější komponenta přechodu 3-4 absorpce na úrovni 80% pro teplotu 600°C, což jsme zvolili jako optimum. Vlastní konfigurace laseru vyžadovala optovláknový výstup. Požili jsme tedy optovláknový dělič v poměru 1:9, kdy 1/10 výkonu laseru byla vedena vláknem a kolimátorem do kyvety pro potřeby stabilizace a většina (9/10) byla užitečným výstupem. Detekce absorpčního profilu byla prostou lineární spektroskopií s derivační detekcí a demodulací na první harmonické modulačního signálu. V této situaci se osvědčilo využít plně potenciál digitálního zpracování signálu. Jádrem je procesor generující modulační signál a provádějící synchronní detekci. Modulace frekvence se děje proudem, zatímco vlastní regulace vlnové délky teplotou LD. Měření ukázala dobrou krátkodobou stabilitu LD, takže ve snaze vytvořit co nejrobustnější stabilizační systém je zde použito dvou regulačních smyček, krátkodobá stabilita je odvozena od řízení teploty LD na konstantní hodnotu, přičemž vstupní veličina (teplota) je odvozena pomalou regulační smyčkou od výstupu synchronní detekce. Tato konfigurace (obr. 11) dokáže zajistit stabilitu i přesto, že rozsah zachycení je díky omezené šířce čáry malý. V tradiční sestavě se stabilizací jen na absorpční profil může krátkodobá fluktuace vlnové délky způsobit odladění mimo profil čáry – mimo rozsah zachycení regulátoru. V našem systému je krátkodobá stabilita odvozena od teploty a závěs na střed čáry dolaďuje jen dlouhodobé drifty [9]. výstup øídící elektronika

optomechanická sestava

Obr. 11 Optické a elektrické blokové schéma laseru pro PALS. TC – teplotní kontrolér, CC – proudový kontrolér, MOD – obvody modulace LD proudem, AD/DA – digitální modul, HC – termostatizace pláště kyvety, FTC – termostatizace palce kyvety, PD – fotodetektor, υ – termistor. V systému laseru pracoviště PALS měl zdrojový laser pracovat zcela autonomně, bez nutnosti zásahů obsluhy a měl telemetricky hlásit do „velínu“ připravenost. Bylo tedy nutné opět použít algoritmus pro automatickou selekci absorpční čáry. Zvolili jsme algoritmus odvozující přibližnou hodnotu vlnové délky od teploty LD z předcházejícího provozu (kompenzace stárnutí) a vyhledání příslušné absorpce dvousměrným přeladěním přes spektrum absorpčních čar přechodu I(5 2P3/2) ↔ I(5 2P1/2) čímž se kompenzovala hystereze. S příslušnou čekací dobou na doběh přechodového děje to postačovalo pro nalezení potřebné komponenty. Novou, neméně zajímavou aplikací se ukázal být vývoj primárního etalonu optické frekvence v telekomunikační oblasti spektra. Jednalo se o úkol iniciovaný tehdejším českým Telekomem, který jsme řešili spolu s Českým metrologickým institutem (ČMI), Laboratoří primární metrologie v Praze. Motivací byl nástup technologie WDM a DWDM (Wavelength Division Multiplexing; Dense Wavelength Division Multiplexing) v optických telekomunikacích, kdy je v jediném vlákně

19

přenášeno více optických nosných frekvencí. Aby nedocházelo k přeslechům, musí být vlnové délky laserových vysílačů stabilní v příslušném rozmezí podle odstupňování kanálů. Požadavek Telekomu zněl primárně na etalon ke kalibraci vlnoměrů a optických spektrálních analyzátorů s výhledem na potřebu rozvodu referenční optické frekvence ve vláknové telekomunikační síti. Jako absorpční médium optické reference se naskýtalo několik variant, nicméně již v době příprav k řešení projektu byla komisí CCDM doporučena vlnová délka pro telekomunikační oblast odvozená od přechodů v acetylenu s izotopicky čistým uhlíkem. Kombinace acetylenů s uhlíkem 12 C a 13C a jejich spekter pokrývá prakticky celé telekomunikační pásmo sítí spektrálních komponent vhodných ke stabilizaci. Na vlnové délce v okolí 1550 nm, v oblasti telekomunikačního „okna“ je na trhu podobně, jako v předcházejícím případě k dispozici celá řada polovodičových laserů s dobrými spektrálními vlastnostmi. Volili jsme opět DFB laser, tentokrát dokonce s výstupním výkonem 40 mW a „katalogovou“ šířkou čáry 1 – 2 MHz. Laser má široké přeladění bez modových přeskoků prostřednictvím změny teploty, naopak závislost změny vlnové délky na proudu je řádově menší, než u Fabry-Perot polovodičových laserů. Laser s provozním proudem 250 mA vyžadoval úpravy elektroniky, především napájecího zdroje, většina ostatní elektroniky zůstala totožná se systémem pro zdrojový laser PALS. Připravili jsme tři typy kyvet, kyvetu o délce 10 cm plněnou tlakem okolo 1 kPa pro stabilizaci s lineární absorpcí, kyvetu o délce 12 cm s brewsterovými okénky určenou pro umístění do rezonátoru plněnou nízkým tlakem 5 Pa a ještě dlouhou 50 cm kyvetu s kolmými, mírně klínovými okénky pro tradiční uspořádání subdopplerovské spektroskopie, taktéž plněnou nízkým tlakem. Sestava s lineární absorpcí s krátkou kyvetou o vyšším tlaku se ukázala jako snadno realizovatelná, systém využíval modulace optické frekvence laseru prostřednictvím proudu a řízení vlnové délky změnou teploty. Regulační smyčka mohla být pomalá, neboť frekvenční šum laseru byl hluboko pod úrovní šířky Dopplerovsky rozšířené čáry acetylenu. generace modulačního signálu, synchronní demodulaci i regulaci zajišťoval DSP procesor. intenzita [A. U.]

1 P(16)

P(14)

P(15)

0.5

0

-0.5

-1 -50

0

50

100

150 f [GHz]

Obr. 12 Záznam spektra acetylenu s izotopem uhlíku 13C v okolí čáry P(16). V uspořádání se subdopplerovskou detekcí jsme se ve snaze o kompaktní systém s robustní stabilizací pokusili o uspořádání s kyvetou v rezonátoru. Závěs frekvence laseru na rezonanční maximum byl tentokrát navržen technikou frekvenčně-modulační (FM) spektroskopie. Tato technika je obdobou derivační spektroskopie na vyšších modulačních kmitočtech. Při nárůstu modulačního kmitočtu na úroveň srovnatelnou s modulačním zdvihem (modulační index blízký 1) se spektrum FM signálu rozpadá na několik málo komponent a nevystačíme již s pohledem na FM signál jako na plynule se měnící jednu frekvenci. Interakce absorpční čáry s modulovaným zářením laseru je vnímáno prostřednictvím diskrétního spektra nosné frekvence a dvou, nanejvýš

20

čtyř postranních pásem. Je-li modulační kmitočet a tím i spektrální vzdálenost postranních pásem od nosné srovnatelná, interaguje při přeladění laseru s absorpcí nejdříve postranní pásmo, pak nosná a nakonec druhé postranní pásmo. Výsledkem je signál o modulační frekvenci, jenž nese amplitudovou i fázovou složku. Kvadraturní homodynní synchronní detekce obvykle na diodovém můstkovém směšovači (DBM – double balanced mixer) je extrahován signál odpovídající absorpci, odlišný pro fázovou a amplitudovou složku. V našem případě jsme realizovali FM detekci i regulaci na pasivní rezonátor, pro modulaci frekvence laseru jsme volili fázový elektrooptický modulátor ve vláknovém provedení. Na rozdíl od přímé modulace frekvence laseru proudem nepřináší reziduální amplitudovou modulaci a je možné ještě před zařazením modulátoru oddělit nemodulovaný výstupní svazek. Detekce subdopplerovských absorpčních čar v acetylenu s kyvetou v rezonátoru ovšem narazilo na podobné potíže, jako při našich předcházejících pokusech se stabilizací ve viditelné spektrální oblasti s jodovými kyvetami. Očekávání, že vliv pozadí odvozeného od demodulovaného šumu na křivce propustnosti rezonátoru bude potlačeno rychlou regulační smyčkou FM závěsu se bohužel nepotvrdilo a slabé subdopplerovské absorpce v acetylenu nebyly na pozadí šumu nalezeny. Výsledná konfigurace využívala tedy dvou stupňů stabilizace, kdy pasivní Fabry-Perotův rezonátor sloužil jako předstabilizace v závěsu rychlé regulační smyčky, která významně omezovala spektrum frekvenčního šumu laseru a tradiční subdopplerovské detekce slabých absorpcí v acetylenu ve dlouhé (500 mm) kyvetě v nezávislé větvi. Pomalejší regulační smyčka stabilizace na absorpční čáry acetylenu působila nikoli přímo na laser, ale na rezonátor laditelný PZT členem. Toto ladění způsobovalo i ladění laseru v závěsu a mělo charakter kompenzace driftů rezonátoru (obr. 13). Velmi dobrý poměr signál/šum detekce rezonanční křivky rezonátoru přitom zajišťoval robustní stabilizaci [10]. C PBS

AC

l/4

M

D 3f

L-I

DFB

S

EOM

C

PBS

l/4

G

L D F.-P.

FCC

CC

HF DBM

PI

G

Obr. 13 Blokové schéma stabilizace DFB polovodičového laseru na spektrální komponenty acetylenu s předstabilizací na pasivní Fabry-Perotův rezonátor. CC – proudový kontrolér, FCC – jednotka rychlého řízení proudu LD, PI – regulátor, HF – vf zesilovač, G – generátor, DBM – směšovač, S – optovláknový dělič, EOM – modulátor, C – optovláknový kolimátor, PBS – polarizující dělič, l/4 – čtvrtvlnná deska, L – čočka, F.-P. – pasivní rezonátor, D – fotodetektor, L-I – synchronní demodulátor, 3f – detekce třetí harmonické, AC – acetylenová kyveta, M – zrcadlo.

8 VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ ECSL LASERY V nedávné době se objevila další zajímavá možnost využít zkušenosti a znalosti získané při experimentech s ECSL lasery malých výkonů v metrologických aplikacích i v oboru výkonnějších

21

laserů. V rámci společného projektu s kolegy z Oddělení magnetické rezonance a biosignálů ÚPT jsme se angažovali ve vývoji výkonového laserového zdroje pro optické čerpání atomů rubidia, jakožto prostředku pro přípravu tzv. hyperpolarizovaných vzácných plynů, především xenonu. Jedná se o techniku, kdy excitace Rb na přechodu D1 vytváří podmínky pro přenos spinu během vzniku krátkodobých Van der Waalsových molekul mezi atomy Rb a Xe. K přenosu spinu dochází mezi elektronovým obalem atomů Rb a magnetickým spinem jader Xe. Takto dosažená polarizace jaderného spinu v Xe má relativně dlouhou relaxační dobu na úrovni minut, která může být ještě prodloužena zchlazením na kryogenní teploty (např. kapalným dusíkem) a umístěním do homogenního magnetického pole. Technika přípravy a využití hyperpolarizovaného Xe je velmi zajímavým rozšířením možností magnetické jaderné rezonance (NMR, MR) ve spektroskopii a především v zobrazování – tomografii. Hyperpolarizovaný vzácný plyn vykazuje dramaticky větší (až o tři řády, i více) poměr signál/šum v detekci a tedy i kontrast v zobrazování. Hodí se tedy jako kontrastní médium v MR tomografii podobně, jako kontrastní látky v röntgenovém zobrazování a tomografii v lékařství. Produkce hyperpolarizovaného Xe vyžaduje na začátku celého procesu optické čerpání Rb, nejlépe co nejvýkonnějším laserem. Čerpané rubidium je během procesu v plynném stavu a ve směsi s xenonem. Je zřejmé, že šířka absorpčního spektra Rb je dána především dopplerovským rozšířením. Změny teploty a tlaku směsi šířku čáry dále ovlivňují. Volba vhodného laseru pro čerpání je limitována především vlnovou délkou (797 nm), což je oblast, v níž je na trhu bohatá nabídka výkonových polovodičových laserů pro nejrůznější aplikace včetně optického čerpání pevnolátkových laserů. Použití širokospektrálního laseru k čerpání absorpce v Rb, která je nejméně o jeden, spíše dva řády užší znamená velké ztráty, navíc problémy s tím, jak přebytečný optický výkon bezpečně umořit. Cesta zvyšování výkonu čerpacího laseru bez ohledu na ztrátový výkon je samozřejmě jednoduchým řešením, které zvolila mnohá pracoviště pracující na podobných problémech. V našem případě předchozí zkušenosti nabízely volit sofistikovanější přístup. Návrh experimentální sestavy polovodičového laseru vycházel z laserové diody s nejvyšším výkonem na příslušné vlnové délce, jakou se podařilo sehnat. Dioda výrobce Coherent byla typu „broad stripe“ s širokým laserovacím kanálem, její výstupní výkon byl až 3,5 W. Požadavky na šířku přeladění za provozu byly malé (pouze dolaďování driftu mimo absorpci), takže volba uspořádání sestavy s externím rezonátorem pro zúžení šířky čáry byla ve prospěch nejjednodušší, Littrovovy varianty. Výkonový laser s externím rezonátorem je fakticky jiného typu, než ECSL lasery zmiňované výše. Nejedná se nahrazení rezonátoru vlastní LD externím (s vyšší jakostí a selektivitou), ale o selektivní optickou zpětnou vazbu do rezonátoru LD. Tato technika se obvykle nazývá „self-injection locking“. Jejím důsledkem je snížení ztrát laseru v pásmu daném selektivitou zpětné vazby externím rezonátorem a zúžení šířky emisní čáry. Nese s sebou ovšem také pokles výstupního výkonu související s podílem mezi prvním difrakčním řádem mřížky reprezentujícím zpětnou vazbu a nultým řádem, sloužícím jako užitečný výstup. Nezanedbatelné jsou mimo jiné i ztráty dané vyvázáním zpětnovazebního svazku do aktivní plochy čipu diody, zvláště pak u silně nesymetrického svazku z „broad stripe diody“. Výsledkem experimentů byla následně konstrukce kompaktní podoby laseru ve skříni zahrnující mřížku i kolimační optiku (obr. 14). Nastavování polohy mřížky které je zde neporovnatelně snazší, než u Littmannovy konfigurace široce laditelného ECSL jsme pojali jako dvoustupňovou s mikrometrickými šrouby a PZT elementy. Rozsah byl volen tak, aby ladění vlnové délky prostřednictvím elektricky řízeného PZT pokrývalo možný drift laseru v rozmezí přibližně 5°C v okolí pracovní teploty. Naklápění mřížky v příčném směru ovlivňuje úroveň optické zpětné vazby do rezonátoru LD. Optimální provozní podmínky zajišťovaly dvě regulační smyčky – tradiční stabilizaci frekvence laseru bylo možné odvodit od absorpce v rubidiu a dolaďování maxima výkonu od pomocného fotodetektoru. Šířky absorpce v Rb a emisního spektra laseru se pohybují na úrovních, kdy modulace a synchronní detekce postrádá významu.

22

Regulace využívá jednoduchého algoritmu postupného pomalého dolaďování jedním zvoleným směrem a reverzace směru v případě poklesu/vzrůstu sledované veličiny od lokálního extrému.

Obr. 14 Sestava výkonového ECSL laseru a optického čerpání Rb. CS – proudový kontrolér, TC – teplotní kontrolér, HVA – vysokonapěťový zesilovač, D1, D2 – fotodetektory, OF1, OF2 – optické filtry, A1, A2 – apertury, M1, M2 – zrcadla, L1, L2 – čočky teleskopu, LC – kolimační čočka, BG – mřížka, MS – planžeta, EFA – hrubé ladění, λ/2, λ/4 – zpožďovací desky. Cílem snažení při návrhu úzkospektrálního polovodičového laseru bylo dosažení co největší hodnoty výkonové spektrální hustoty optického výkonu na vlnové délce odpovídající středu absorpční čáry Rb. Zúžení spektrální šířky aplikací „self-injection locking“ techniky pro výkonový ECSL laser v zásadě nebylo možné dosáhnout zúžení pod úroveň dopplerovsky rozšířené čáry Rb. Maximum výkonové spektrální hustoty na požadované vlnové délce tedy neznamenalo bezvýhradně jen nejvyšší zúžení spektra laseru. V našem snažení tedy začala hrát roli optimalizace laseru, jmenovitě velikosti optické zpětné vazby. Opět jsme využili různé účinnosti optické mřížky pro různé úhly polarizace dopadajícího záření, tentokrát ovšem natáčení výkonové LD bylo natolik nepraktické, že si vyžádalo změnu polarizace vložením pomocné λ/2 desky. V [11] jsou výsledné závislosti, z nichž vyplývá, že maximum výkonové spektrální hustoty na středu absorpce v Rb existuje a je v rozsahu nastavení prostřednictvím úhlu polarizace na mřížce. Relativní nárůst výkonové spektrální hustoty ve středu čáry ve srovnání s prostým ECSL laserem není sice řádový, ale hodnota okolo 4 naznačuje, že princip metody je funkční. Na obr. 15 jsou záznamy spekter výkonového ECSL laseru pro různé hodnoty úhlu polarizace světla na mřížce. Za zdroj skrytých rezerv považuji především kolimaci, případně úpravu svazku LD a vyvázání optické zpětné vazby zpět do kanálu LD. Cesta k ještě vyššímu výkonu polovodičového čerpacího laseru vede zřetelně jen použitím polí laserových diod. Jejich řazením lze zvyšovat výstupní optický výkon téměř neomezeně. V rámci našeho snažení jsme se samozřejmě pokusili o zúžení spektrální čáry polovodičového laserového pole. Umístění pole do externího rezonátoru bylo již publikováno, nicméně výsledky nebyly příliš přesvědčivé a optická složitost sestavy byla značná s ohledem na řadu jednotlivých emitorů s nesymetrickými svazky a nutnosti zajistit zpětnou vazbu každého jednotlivého z nich. V naší experimentální sestavě jsme tyto problémy ověřili a zvolili přístup stavějící na zavedení záření externího laserového úzkospektrálního zdroje do jednotlivých LD pole. Technika je známa jako „external injection locking“ a pokud je mi známo, v souvislosti s polem LD nebyla doposud aplikována. Hodnota selektované vlnové délky je dána vlnovou délkou externího laseru a je tudíž nezávislá na úhlech a poloze prvků pole LD.

23

I [−]

1.5

2

0° 330 mW 122 GHz

1.5

I [−]

2

1 0.5

1

0.5

0 −1000

−500

0

500

0 −1000

1000

f [GHz]

2

2

40° 1.35 W 132 GHz

1

1.5

I [−]

I [−]

20° 800 mW 120 GHz

1

−500

0

500

1000

500

1000

500

1000

f [GHz] 60° 1.61 W 186 GHz

0.5 0 −1000

I [−]

1.5

0

500

1000

0 −1000

f [GHz]

2

80° 2.06 W 200 GHz

1.5

I [−]

2

−500

1

0.5 0 −1000

1

−500

0

f [GHz] 90° 2.22 W 336 GHz

0.5 −500

0

f [GHz]

500

1000

0 −1000

−500

0

f [GHz]

Obr. 15 Spektra výkonového ECSL laseru pro různé úhly polarizace záření dopadajícího na mřížku. pro srovnání je přerušovanou čarou naznačeno původní spektrum LD. Spektrální profily jsou normované podle celkového výkonu. V této sestavě bylo dosaženo výrazného reaktivního zvýšení výkonové spektrální hustoty pole polovodičových laserů, na úrovni až 10-ti násobku. Závěrem lze říci, že technika selektivní zpětné vazby, jakožto obdoba laserů s externím rezonátorem má své místo i na poli výkonových polovodičových laserů a může přinést zajímavá řešení a zlepšení spektrálních vlastností laserů, když na nich záleží.

9 ZÁVĚR A VÝHLED Vysoce koherentní polovodičové lasery v konfiguraci s externím rezonátorem si bezpochyby vydobyly své místo na slunci a přes svá omezení se jedná o životaschopnou technologii. S potěšením mohu říci, že výsledky prezentované v tomto souhrnu k tomu určitou měrou přispěly. Metrologické využití ECSL laserů prokázalo, že i nejvyšší nároky na spektrální šířku čáry, nízký frekvenční šum, malý drift vlnové délky a spolehlivě jednofrekvenční provoz nejsou nesplnitelné. K tomuto poznání dospělo i snažení výzkumných týmů participujících na srovnávání ICLAD ’99. Laserové diody vhodné jako základ koherentního ECSL laseru jsou k mání na široké škále vlnových délek. Domnívám se, že toto je snad největší předností této technologie, neboť aplikace vyžadující vysokou koherenci záření na určité konkrétní vlnové délce mohou být uspokojeny ECSL laserem s vhodně zvolenou diodou. „Strefit“ se přesně např. do jednoho určitého přechodu lze volbou typu diody, přesněji výběrem ze série kusů, jenž mají určitý rozptyl hodnot a u jednotlivé diody pak volbou pracovní teploty, proudu a nakonec nastavením selektivní zpětné vazby v rámci poměrně širokého spektra zesílení aktivního média diody. Jednoduchým zařízením lze pokrýt jinak nedostupné vlnové délky, které jinak byly doménou speciálních spektroskopických laserových systémů, barvivových a nyní i Ti:Sa laserů. S potěšením lze sledovat, že současné úsilí na poli fundamentální metrologie optických frekvencí, kterým dominuje úsilí o vytvoření tzv. optických hodin stojí na ECSL polovodičových laserech. Experimenty na tomto poli probíhají s detekcí velmi úzkých spektrálních čar atomů,

24

často jednotlivých a zachycených v optických, či magnetických pastech. Prvky o nichž je referováno jsou rtuť, yterbium, stroncium a další více, či méně exotické, což ovšem znamená, že i optické frekvence jejich přechodů jsou různorodé. Zde je místo pro ECSL lasery. Sestavy v nichž ECSL polovodičové lasery slouží pro excitaci zvolených přechodů těchto prvků obvykle zahrnují i předstabilizaci závěsem na pasivní rezonátor prostřednictvím detekce FM spektroskopie. Rychlou regulační smyčkou, která zajistí potlačení významné části 1/f šumu lze odstranit jedinou významnou nevýhodu ECSL laseru – horší šumové vlastnosti ve srovnání s metrologickými HeNe a Nd:YAG lasery. V našich experimentech byly jako zdroje záření použity i polovodičové lasery s DFB strukturou a ukázalo se, že jejich spektrální vlastnosti se blíží ECSL laseru přičemž se jedná o komerčně dostupnou součástku nevyžadující žádných dalších úprav. V telekomunikačním pásmu v okolí 1550 nm a 1310 nm je nabízí několik výrobců a jsou k mání i ve slušných výkonových kategoriích (60 mW). Škoda jen, že zatím není na trhu žádný takový laser ve viditelné spektrální oblasti, jednalo by se jistě o velmi vhodný laserový zdroj pro interferometrii a spoustu dalších aplikací vyžadujících vysokou koherenci a dobrou frekvenční stabilitu. Potenciálně zajímavým řešením se mi jeví možnost vytvořit vysoce koherentní laserový zdroj ve viditelné spektrální oblasti násobením optického kmitočtu nelineárními krystaly, zvláště v dnešní době, kdy jsou k dispozici krystaly s periodickou strukturou slibující účinnost konverze větší, než zanedbatelnou. V kombinaci s infračerveným DFB laserem v hlavním telekomunikačním pásmu 1550 nm by se jednalo o zdroj na hranici viditelnosti, zatímco DFB laser v pásmu 1310 nm se zdvojnásobením kmitočtu by již pracoval na červené vlnové délce v blízkosti 633 nm He-Ne laseru. Vláknová podoba optického spojení znamená, že telekomunikační lasery jsou nabízeny vyvázané do jednomodového vlákna, někdy i s integrovaným optickým izolátorem. Tím je odstraněna další nevýhoda polovodičových laserových diod – nevalné optické vlastnosti výstupního svazku, jeho nesymetrie a astigmatismus. Zkušenosti ukázaly, že řídící a obslužná elektronika pro polovodičové lasery hraje velmi významnou roli a v mnohém zásadně ovlivňuje vlastnosti celého laserového systému. Napájení polovodičového laseru proudem je komplexní problém, konstrukce proudového kontroléru se musí vypořádat s extrémní citlivostí laserové diody k indukovanému rušení a přechodovým dějům. Šum a drift proudu se prostřednictvím velké závislosti optické frekvence na proudu projeví negativně na spektrálních vlastnostech laseru. V neposlední řadě vývoj techniky na poli digitálního zpracování signálu nedává spát myšlence na plně digitalizovanou saturačně absorpční spektroskopii se systémem detekce na třetí harmonické modulačního signálu. Dokonce i frekvenčně-modulační spektroskopie by mohla být převedena do digitální podoby. Pro samotnou detekci absorpčních čar by to jistě nebyl až tak zásadní problém, nicméně zapojení detekčního systému do regulační smyčky stabilizace laseru je velkou výzvou. Ač se jedná o problém výlučně technický a nikoli fyzikální, v konzervativním světě metrologie a spektroskopie by se jednalo o velmi neortodoxní řešení, snad lze bez přehánění říci, že průlomové.

10 REFERENCE Seznam referencí zde je seznamem prací jež spolu s komentářem tvoří vlastní habilitační práci. Reference na všechny původní práce jiných autorů jsou uvedeny ve vlastních jednotlivých publikacích a jejich celkový seznam je nad rámec tohoto stručného pojednání. [1] LAZAR, Josef; ČÍP, Ondřej. Electronics for He-Ne-I2 stabilized laser with digital control. Review of Scientific Instruments, 1997, vol. 68, no.10, pp. 3660-3665.

25

[2] LAZAR, Josef; ČÍP, Ondřej; JEDLIČKA, Petr. Tunable extended-cavity diode laser stabilized on iodine at λ = 633 nm, 2000, Applied Optics, vol. 39, no. 18, pp. 3085-3088. [3] ZARKA, A; ABOU-ZEID, A; CHAGNIOT, D; CHARTIER, J.-M.; CLICHE, J.-F.; ČÍP, O.; EDWARDS, C., S.; IMKENBERG, F.; JEDLIČKA, P.; KABEL, B.; LASSILA, A.; LAZAR, J.; MILLERIOUX, Y.; MERIMAA, M.; SIMONSEN, H.; TETU, M.; WALLERAND, J.-P. International comparison of eight semiconductor lasers stabilized on 127I2 at λ ≈ 633 nm, 2000, Metrologia, vol. 37, no. 4, pp. 329-339. [4] LAZAR, Josef; POKORNÝ, Pavel. Deposition and Measurements of Antireflection Coatings for Semiconductor Lasers. Proceedings of SPIE, 2001, vol. 4356, pp. 297-302. [5] LAZAR, Josef; ČÍP, Ondřej; RŮŽIČKA, Bohdan. The design of a compact and tunable extended-cavity semiconductor laser. Measurement, Science and Technology, 2004, vol. 15, pp. N6-N9. [6] LAZAR, Josef; ČÍP, Ondřej; JEDLIČKA, Petr; RŮŽIČKA, Bohdan. Extended cavity semiconductor lasers in fundamental metrology. Proceedings of SPIE, 2002, vol. 4900, pp. 132138. [7] MIKEL, Břetislav; ČÍP, Ondřej; LAZAR, Josef. Absolute distance measurements with tunable semiconductor laser, Physica Scripta, 2005, vol. T118, pp. 41-44. [8] LAZAR, Josef; JEDLIČKA, Petr; ČÍP, Ondřej; RŮŽIČKA, Bohdan. Laser diode current controller with a high level of protection against electromagnetic interference, Review of Scientific Instruments, 2003, vol. 74, no. 8, pp. 3816-3819. [9] JEDLIČKA, Petr; LAZAR, Josef; ČÍP, Ondřej. Fully digital frequency stabilization of IR fiber-coupled laser, Review of Scientific Instruments, 2006, vol. 77, pp. 063111-1-5. [10] LAZAR, Josef; RŮŽIČKA, Bohdan; ČÍP, Ondřej. Etalon of optical frequency for the telecommunication spectral region, Proceedings of SPIE, 2004, vol. 5457, pp. 240-244. [11] BUCHTA, Zdeněk; ČÍP, Ondřej; LAZAR, Josef. High-power extended cavity laser optimized for optical pumping ot Rb, Measurement Science and Technology, 2007, vol. 18, no. 9, pp. N77-N80.

26

ABSTRACT This thesis deals primarily with semiconductor lasers with improved coherence and their applications not only in fundamental metrology. Problems concerning their design, supporting electonics, spectroscopy of iodine and frequency stabilization techniques are addressed. Applications such as primary etalons of length, stabilized laser sources, lasers for interferometry and power lasers for optical pumping are presented and discussed. Development in photonics, laser technology and following applications raises the demand for standardization and design of primary etalons of optical frequencies operating on various wavelengths. Beside the traditional He-He laser and Nd:YAG related lasers laser diodes seem to be of growing metrological significance in these days due to growing range of available wavelengths and low cost. An effort to reduce the linewidth and to suppress the mode instability became a great issue. The broad gain spectral characteristic of the active medium of laser diodes promises also large wavelength tuneability. The technique of a wavelength selective tuneable cavity was adopted from the technology of dye lasers and semiconductor lasers consisting of a laser diode active media and so called extended-cavity semiconductor lasers became a useful laboratory tool. The work presented here is concentrated on a design of a narrow linewidth stabilized semiconductor laser with the emission wavelength close enough to the traditional iodine-stabilized He-Ne laser at 633 nm with subdoppler stabilization scheme based on spectroscopy of iodine. Several designs of extended-cavity lasers based on the Littman configuration following the requirements of metrological applications are presented. Exploiting the experience from the semiconductor extended-cavity technology semiconductor laser based systems where the coherence is a crucial factor were designed for various applications, such as etalon of optical frequency in the telecommunication near-infrared spectral range, interferometric system with tunable laser, master oscillator for high-power pulsed laser and frequency narrowed power laser for optical pumping. Description of their design, measurement and properties is summarized in this thesis.

27