UNIVERSIDADE DE SAO PAULOINTITUTO DE FISICA E QUIMICA DE sAo CARLOS
"ESTABILIZACAO DE LASERS DE 01000
PARA UTILIZACAO EM
ESPECTROSCOPIAATOMICA"
.
f
DADE DE sAO PAULO, EM _1_3__ DE __ j_ulh_o DE 198 90.
., -~ ,- ~ .{ ~~-~-~ ,."."Q,C:,.; ,.'~: ::t. _~,. ",<.,.- - ', •••.•1.,,;,
J
Ao Vanderlei pela amizade, orientaf;ao e incentivo ao lonco de
todo 0 trabalho.
Ao Zillo pelos conselhos dados durante 0 trabalho.
Ao Silvio pela grande dedicac;:ao no auxilio das mont.agens e t.est.es
dos circui t.os elet.ronicos.
A t.odos os t.ecnicos do laborat.6rio e oficina mecanica com urn
agradeciment.o especial ao "seu" Gilbert.o.
Ao Newt.inhopela ajuda e incent.ivo inicial.
Ao Marcassa pela mont.agem das cel~.
Ao CPQDda Telebras pelo emprest.imo do visor de infra vermelho.
A FAPESP,CAPESe Fundac;:aoBanco do Brasil pelo apoio financeiro.
A Reginaldo, Valdir e Carlos pela grande amizade.
A secret.aria, Isabel pela dedicac;:ao.
A t.odas as pessoas do depart.ament.o que auxiliaram nest.e t.rabalho.
List.a de figuras
Resumo
Abstract
Introduc;:ao
Capit.ulo 2
o laser de diodo
2.1 Junc;:c5esp-n em lasers semicondut,ores
2.2 Inversao de populac;:ao
2.3 Oscilac;:ao, amplif'icac;:ao e "t,hreshold" em
lasers semicondut,ores
2.4 Het.erojunc;:ao
2.5 Modos da cavidade laser
2.6 Polarizac;:ao da luz
Capit.ulo 3
Est,abilizac;:ao primaria do laser
3.1 5ist.ema mec8nico
3.2 5ist.ema elet,ronico
3.3.1
3.3.2
Espect,ro dos lasers
Dependencia do compriment.o de onda
com a t.emperat,ura e corrent.e
26
26
27
27
29
39
39
3.2.1
3.2.2
Aliment,ac;:aodo laser de diodo
Cont.role de t,emperat.ura
Capitulo 4
Reallza~ao de espect~osc~pia em vapo~es atonUcos
4.1 Int~odu~ao
4.2 Espect~oscopia de vapo~ de ~ubfdio (Rb):
observa~ao da fluorescencia
4.3 Espectroscopia de satura~ao de vapor de cesio (Cs)
Descrl~ao te6~ica da tecnica
50
50
Arranjo experiment.al e result.ados
Capit.ulo 5
Conclusoes
59
64
64
72
Referencias
Apendice
FIG.3.16 GrMico da int.ensidade vs. compriment..o de onda, mant.endo a
corrent.e .fixa em 55 mA e variando a t.emperat.ura para o laser HL 780.
FIG.3.17 Esquema do medidor de onda dinamico.
FIG.3.1S GrMico do compriment.o de onda do laser HLP 1400 vs. a
corrent.e.
FIG.3.19 GrMico do compriment.o de onda do laser HLP 1400 vs. a
t.emperat.ura.
FIG.3.20 GrMico do compriment.o de onda do laser HL 780 vs. a
corrent.e.
FIG.3.21 Graf"ico ilust.rat.i vo da corrent.e, t.emperat.ura e compriment.o
de onda do laser HLP 1400.
F---=:a~.--.,_~ .Q"'_~~_I Sf:RVir-o DF D ---- j
y "iBlIOTEC \ E l!'lFORMAc;:AO _ IFQSCFfSIC.A
FIG.4.4 Diacrama de enercia dos is6~opos do rubidio 87 e 85.
FIG.4.5 Esquema da sa~ura,.ao da dis~ribui.;:ao populacional de Elc
devido ao Ceixe de bombeamen~o n!.unacalula.
FIG.4.6 Dis~ribui.;:ao de popula.;:ao apresen~ando 0 buraco de Benne~ e
o coeCicien~e de absor.;:ao para 0 Ceixe de bombeamen~o.
FIG.4.7 Dis~ribui.;:ao de popula,.ao e coencien~e de absorc;:ao para os
dois Ceixes (bombeamen~o e prova).
FIG.4.8 Esquema experimen~ para espec~roscopia de sa~ura.;:ao em
vapor de Cs.
FIG.4.9 Espec~ro de Cluorescencia do vapor de Cs para a ~ransi,.ao
6Sj,/z (F-4) ~6P3/Z (F-3> 4 e 5):(a) sem Ceixe de pro va; (b) com
Ceixe de prova.
FIG.4.10 Espec~ro de Cluorescencia do vapor de Cs para a ~ransi.;:ao
6Sj,/z(F-3) ~6P3/Z(F-2> 3 e 4): (a) sem Ceixe de prova: (b) com Ceixe
de prova.
FIG.4.11
FIG.4.12
Diacrama de enercias para 0 a~omo de casio.
Espec~ro de Cluorescencia do Cs para
dips
e 3
Lj,> Lz e L3 indicam a ~ransi.;:ao hiperCina
(6P3/Z) respec~ivamen~e e Cj,> Cz e Ca
6Sj,/z~6P3/Z> onde
F-4 (6Sj,/z) ~F-5 >
correspondem a ressorUincias crossover ent.re est.ados F-5 e F-4; F-5 e
F-3; F-4 e F-3.
FIG.4.13 Espec~ro de Cluorescencia com demost.ra.;:ao de realiment.a.;:ao
6t.ica: (a) sem realimen~a.;:ao; (b) com realiment.a.;:ao.
desenvolvemos urn sist.ema de cont.role de t.emperat.ura para laser de
modo que permit.e est.abilizac;:ao melhor que 0.01°0. 0 cont.role e feit.o
at.raves de urn sist.ema sensor e urn element.o Pelt.ier como at.uador.
Lasers soment.e est.abilizados em t.emperat.ura (est.abilizac;:ao primaria)
:foram ut.ilizados para realizac;:ao de espect.roscopia de vapores at.omicos
de Rb e Os.
spect.roscopy is it.s t.hermal st.abilizat.ion. In t.his work~ we develop a
diode laser t.emperat.ure cont.rollin,; syst.em which yields st.abilizat.ion
bet.t.er t.han 0.01°0. The cont.rollin,; is obt.ained by means of a sensor
syst.em and a Pelt.ier element. as act.uat.or. Lasers st.abilized in
t.emperat.ure only (primary st.abilizat.ion) were ut.ilized in t.he
spect.roscopy of at.omic vapours of Rb and Os.
(6)het.eroest.rut.ura por Herbert. Kroemer adicionados pelos t.rabalhos de
Em 1970, Panish e Hayashi(7) desenvolveram 0 primeiro laser
ode aaOOAe uma densidade de corrent.e de 1600 A/cmz, que e uma corrent.e
-4de aproximadament.e 160 mA para uma area t.ransversal do laser de 10
1.06 /-1m numa composic;:aode GaAs Sb.i-x xD i 1971 • .&". d d K lnik Shankc
$»epo s em , ou~ro avanc;:o ~OJ. a 0 por oge e
(10) •heteroestrutura com: falxa de contato, faixa de junc;ao pn, faixa de
dis~ribuida e mul~ipla faixa acopladau,2.}
modo longi ~udinal simples f'oram desenvolvidos com wna es~ru~ura
chamada DBR(2.2.2.3.2.4}(dis~ribu~edBragg ref'le~or).
Al"umas das ~"Ii - (18)e U"l Zat;OeS
cont.inuament.e(.is)) e num out.ro arranjo que a de faixa acoplada t.emos
at.a 2\11(20)" Assim t.eremos a subst.i t.uic;:ao gradual do sist.ema de lasers
principalment.e com a ut.ilizac;:ao dest.es lasers de diodo operando em
d .•.• ..." (23,24)mo 0 con",lnuo na espec",roscopl.a e
!SERVI<;O DE BIBLIOTEC\ E 'It'-JFOR1~AO - IFOSe. FI S Ie AI
medieina onde temos a aplieac;:ao em eirurgias de tumores, retinas e
Ii - t t' (21)ap eac;:oes erapeu leas ,
2 1 J - !as . d t (2<',27).. unc;:oesp-n em ers senucon u ores .
elet.ron •buraco 0
(a)
semicondut.orint.rinsico para
T-OK
(b)
semicondut.ordegenerado
t.ipo-n
(c)
semicondut.ordegenerado
t.ipo-p
FIGURA2.1: Posic;:ao dos niveis de energia proXlmos a energia degap £9 num semicondut.or diret.o em func;:aodo vet-or deonda k.
FIGURA 2.2: Dia~rama de energ-ia ern fun<;:aodo vet.or de onda k paraurn sernicondut.or duplament.e deg-enerado.
ener~ias de Fermi: E e E .Fv Fe
E < hv < E - E9 Fe Fv
v (figura 2.2) t.emos a absorc;:ao,2
hv > E - EFe Fv
atraves de uma radia~o cuja energia do roton e maior doque E. Este9
metodo e limitado pela potencia emitida ja que a luz e absorvida
emitindo fotons de energia aproximadamente E9
Na figura 2.3 (a) e (b) abaixo temos 0 diagrama de bandas da
termico. 0 gap possui um valor E e vemos que MO pode ocorrer9
recombina<;:aosem a aplica<;:aode voltagem.
!..9~Q. ~ ':.,fa........'.. " ...... ' .. .' " .• ••••••• • •.. ' .. ,• • ••••••• • ••••••••••••. ... .. '... '------ .•~ distancia
P -' •••.•• ."00000°00 00 0 o~ 01 0 0 0 0 0 0__ ~1\ .?.•o E. ~o ~ ~
,'i~ • 11 ••••• •I I t IeVopJ. I ~I
I I I II I I I
JI I I,o ,.,- 0 0 ~ ::.D ••.•--- ...- ..•.-.•• •••• • •••.. ····~·..·:·lt·.·.·.·.
FIGURA 2.3: Diagrama de ener(;ia de bandas da Junc;:ao p-n: (a) semvolt.a(;em aplieada; (b) com volt.a(;em aplieada.
(E /e). 09
eVapt
assim forma-se uma pequena re(;iao t., chamada de re(;iao at.iva, que
Est.a dist.aneia e dada por ~DT , onde D e eoefieient.e de difusao e T eo t.empo de reeombinac;:ao, para 0 GaAs, por exemplo, D = 10 em2/s e T:::
-9 -410 s, ent.ao t.::: 10 em = 1 /-lm.
dist.ribuic;:ao/ :n~ens1dade
d~r_-= = - - - - -
FIGURA2.4: Figura most.rando a camada at.iva. a dist.ribuic;:ao daint.ensidade t.ransversal.
"
est.imwaaa que e garant.ida pela equac;:ao (2.1.1> e t.ambem que exist.a um
, ~~dois nlveis discret.os e pode ser dado por :
CZ (n - n )d 1 wZ 12 2en n. v T1. r
por unidade de volume; n.o indice de refrac;:ao; T e 0 t.empo de vida1. r
onde TJ e a eflciencia quant.ica int.erna, e indica a frac;:ao de~
Subst.it.uindo <2.3.2) em <2.3.1) e colocando n = 0, obt.emos a1
2C ~<v) TJ
i
Z 2an n. v e d~( ~ )
Port.ant.o uma condic;:aopara iniciar a oscilac;:ao dent.ro da cavidade
<26>e dada por :
{y - cx)l R 1e t. =
Onde y e 0 ganho de limiar; Rea reflet.ividadet.
- 1 InT
Ga Ai As e uma camada de semicondutor tipo-n de Ga Al As, estesi-X X i-y Y
sac crist.ais de GaAs na qual foram subst.i t.uidos uma frac;:ao x ou y de
barreira de pot.encial para eIet.rons na int.erface Ga Al As e GaAs-p e1-x x
out.ra para buracos na int.erface GaAs-n e Ga Al As, ist.o nao permit.e1-y y
que os eIet.rons se difundam para a regiao p e os buracos para a regiao
do indice de ref"rac;:ao do Ga Al As com a quant.idade de dopagem x de1-x x
n-Ga Al As p-Ga Al Asl-y y GaAs l-x x
I,II
I ,
(-):1" I ~~ .•••••••••••••••
100000000000100000000oooo~oo 0 (+l
I •..••••..I :r
, It.. d •.II •••0.5.'"- -
I
II
:r I t_I I\-l••.·.gltt••,....~...~'""'''K,;I·_--Of.. I I
l 000 "'0 0e. 0 0e.0,000 I) OOOOOOOrrCPOOOOOO(+)I I-I I ~
I d I1-... J,uIO') ~
---~I I, I, I, II
,• I
dl I J
H I "J /\ i~ ~t\----c:.•.• No.~
Represent.a<;:ao esquemat.ica de bandascom volt.agem aplicada, varia<;:ao dorelra<;:ao e per1-U de dist.ribui<;:ao ot.icade diodo de dupla- het.eroest ...rut.urahomoest,l"ut.Ul'3~26; (b).
de energiasindice denum laser
(a> e
elet.rodo PSiO
2
p-GaAIAS
n-GaAIAs
faixa difundidaelet.rodo Pn-GaAsp-GaAlAsregHio at.iva
Est.ruturas de crescimentos delasers de diodo.
planar), onde t.oda luz que penet.rar na regiao at.iva fora da faixa que
suprimindo a ac;ao laser nest.a regiao, limit.ando a luz nest.a pequena
onde 0 cresciment.o das camadas e fei t.a de maneira que exist.a dupla
o modo t.ransverso perpendicular em lasers de diodo ocorrem por
n-Gai-X Al As
x
p-Ga Al Asi-x x
GaA regiaos t'a Iva,.;,;•..•••'to:,"·- ,- .., ..•.','.',,' , •••.~t, ~ '.--:1 ...•: t#;, .."·"i ..• ,-;' ..-,:,/ ... :'.• • .t. to ' •• '. 0' ' ••.•
espectroscopia e necessario uma boa estabilizac;:ao do comprimento de
onda. Esta estabilizac;:ao primaria e obtida atraves do controle da
temperatura e corrent.e de injec;:ao do laser de diodo. E chamada
primaria porque se t.rat.a da primeira et.apa para est.abilizac;:ao mais
efet.iva onde pode-se conse~uir est.abilizac;:oes pr6ximas a 1 KHz.
As part.es mecanicas
esquemat.izadas na fi~ura 3.1.
As pec;:as ext.ernas da caixa cujas
foram feit.as de alurninio. Int.ernament.e t.emos 0 suport.e
est.a colocado 0
lo~o abaixo t.emos 0 pelt.ier (8) e urn reservat.6rio (3) de cobre cujo
objet.i vo e dissipar 0 calor de> laser t.ransfarido pelo pelt.ier. Nest.e
reservat.6rio que possui urna alt.ura de 15mme ocupa t.odo espac;:o int.erno
da caixa, t.emos t.res parafusos que possibilit.am 0 ajust.e de alt.ura do
laser.
~rande diver~encia,
junc;:ao e 20°
aproximadament.e
de diver~encia
G) Lasero Objetiva de microscopio
® Suporte do laser® Sistema de
® Reservatorio® Suporte do tranlador
(2) Base
t=T·c .-rj II· IU.d'------------------------'u
,
~-I
® Peltier
(9) Termistor
"11,,. L.IIbate"alL -Led
12
..rr
r~·~':-·,,--.-,·--, ...·.....,,·,··"".'c··_ •.·_·.-'~ SEPVlc;O D~ E 2L .j
(33)3.2.2. Controle de temperatura .
FONTE DEALlMENTACAO
l----r----1---r---l-----
CIRCUITO ~IADMOPRLIFICA- ~I CIRCUITO ~ CIRCUITO DESENSOR PID POTENCIA-------
0-0
n•...'"1
CA) n0 S.
c+'00-ill
n0::Jc+''"10•...ill
0-ill
tfJ:I
I IIiI
II
~"5V
,,2.2R
~lt 27 28 26
;rsc'1
12 AD 2831'1-.
1k
10 I<
J-JV\/'101< .~V
- 710
valor (R) e no outro lado temos urn resistor variavel (R ) que consisteF
ponte nao esti ver em equilibrio, ou se ja R ~ R sera produzido umaF Ttensao erro V ent.re os pont.os 3 e 4. Est.a t.ensao erro V sera nulaE E
quando R = R , ou seja quando a t.emperat.ura da base nao variar.F T
numa varia~ao de t.ensao (V ) at.raves da pont.e.E
No circui t.o amplificador(Z8) a t.ensao
OUT'+10"
+ 15uF'/....,
I-:::"
let< 15uF'121< <4tlN
FIGURA3.9: Esquema da font.e de aliment.ac;:ao dos m6dulos.
ourn controle da temperatura melhor doque 0.01 C.
Grci:fico de calibrac;:ao do t.ermist.or (FENWALL):resist.encia em (kn) por t.emperat.ura em (oC).
E na figura 3.11 aproximamos os pont.os pela melbor ret.a e
escrevemos a expressao da varia~ao da resist.encia em (KO) e a
t.emperat.uraem <oC)
1.8
1.7
1.6
1.51.41.31.2
E 1.1uI:Cl.•.(II 0.91;f 0.8E 0.7
0.60.5
0.40.3
0.2
0.1a
a 10 20
temperature (9reus)
GriUico em escala logarit.mica da resist.encia (k,O)cont.ra t.emperat.ura (oC) com aproximac;:ao da melhorret.a que une os pont.os.
MOTOR DEPASSO
CONTROLE DETEMPERATURA
FIGURA 3.12:Esquema da aquisic;ao do espect.ro de emissao do laser semi·condut.or.
4-
110mA3.5
100mA
3
"d 2.5:J'-'II 85mA'tl 20'tl1;I:Cl+J 1.5.E
o840
Graf'ico da l"nt. "d densl a e vs. compriment.omant.endo a t.emperat.ura em 16°C para t.resdif"erent.es <HLP1400),
de onda.corrent.es
4
100e3.5 - 16°C
3-V
V 26°C,...0 2.5 -.;,....,II'tl 2-0'tlj;l:1/••• 1.5 -£
1 -
0.5 -
a \ \ \I I I I I I I I I I I I I \
840 842 844 846 848 850 852 854 856 858CXlmprimento de ondci (rm)
Grafieo damant.endo at.emperat.uras
int.ensidade vs. eompriment.oeorrent.e fixa em 100 mAdiferent.es (HLP 1400).
depara
onda,t.res
S~RVI<;:ODE BIBLIOEC.\F, S, C A
.- ,/./\(~;AO - IFQSC I
T-16 C2.6
2.4 - 5imA
2.2 -
2-1.8 - 48mA
~ 1.6 -;)
'-'u 1.4 -"tl0'tl 1.2 -'0I: 45mAu.•.. 1 -.E
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2 -
a I I I I I I I I
775 777 779 781 78.3 785 787 789 791 79.3 795
GrMico da int.ensidade vs.mant.endo a t.emperat.ura fixacorrent.e para 0 laser HL 780.
compriment.oem 16°C e
de onda,variando a
3.4.3.2 -
3-2.8 -
2.6 -
2.4 -
,..., 2.2 -q2 -:J
vCl 1.8 -'tl0
1.6 -'tl
••c 1.4 -1\••.: 1.2 -, -0.8-0.6 -
0.4 -
0.2-0 I , I I I ,
775 777 779 781
1-55 mA
-l--T"""....,--,-- .•......,.-"'T'"-I...,.-+"-~I...~'1.-1'1-'--'.--'1"1-.1:---'785 787 789 791 793 795
FIGURA 3.16: Grafico da int.ensidade vs. compriment.o de onda,mant.endo a corrent.e fixa em 55 mA e variando at.emperat.ura para 0 laser HI 780.
3.3.2. Dependencia do comprimento de onda com a temperatura e
Para obtenc;ao de uma medida mais precisa da variac;ao do
comprimento de onda do lase:r com a variac;ao da temperatura e co:r:rente
(figura 3.17). Este medidor determina 0 comprimento de onda atraves da
L
852.6
852.4
852.2
852
'" 851.8El:....•.0 851.6'tls: 851.40II'tl 851.20••l: 851IIE"t 850.8Q.
t0 850.60
950.4
850.2 0<>-~<> <}~~--- -850 <>
95 105
corrente (mA)
FIGURA 3.18: GrMico do compriment.o de onda do laser HLP 1400 VS.a corrent.e.
852.8
852.6
852.4
852.2.•..•..
852El:'-/0 851.8"0l:
851.60Cl"0 851.40•..l: 851.2ClE1: 851Q.
t0 850.8u
850.6
850.4
850.2
850 +15 17 19
tern~oturc ( C)
FIGURA 3.19: Grafico do compriment.o de onda do laser HLP 1400 VS.a t.emperat.ura.
780.051---------~~=:;:;:~:;;;:~~~,..,..·1+ I + I I I •••I I ~-"T"T"-
--+ I+ I I I
'"E 779.95-l:'-/0
"l: 779.9-0tl
"0+'l: 779.85-0Eor:c.E0 779.8 -0
n9.7 +------,Ir-----.."r-----..,Ir-----..,Ir-----j-------j46 48
FIGURA3.20: Gr8f'ico do compriment.o de onda do laser HL 780 VS. acorrent.e.
a variar;:ao da temperatura e urn ajuste fino com a variar;:ao da corrente
do laser.
Para melhor identificar a regiao onde a variar;:ao do comprimento
de onda e continuo colocamos os tras parametros: comprimento de onda,
corrente e temperatura nurn Unico ,rafico (fi,ura 3.21), Os dados
colocados nest.e grafico sao referentes as varias medidas feitas com 0
medidor de onda para cada parametro separadamente.
As re~ioes quasi-planas serao as ut.ilizadas em experiencias de
espectroscopia, que neste caso est.a em torno de 852.7 nm com variac;ao
de corrent.e de 80 mAat.e 120 mAe t.emperat.ura de 19°0 at.e 25°0 e nurna
out.ra re~Uio em t.orno de 850.4 nm, com variac;:ao de corrent.e de 80 mA
at.e 100mA e t.emperat.ura de 10°0 at.e 19°0. Est.as regioes onde a
ut.ilizac;ao do laser e viavel se modificam de laser para laser de urn
mesmo modelo, de modo que podemos t.er t.odo int.ervalo de frequencias
disponivel <infravermelho desde 750 nm at.e 1300 nm) se t.ivermos a
possibilidade de escolha ent.re os varios lasers de um mesmo modele e
de out.ros modelos t.ambem.
"
~ ~~
~'-..t
~ "c:: '0~
~Ql'tJ
~~ •.••..
~~c::
~ ~....•l m~t;)
~(,l
~~ • &"C"o...••.• • S>...••.•.", <!'. ,-
"'=";:t"""'.."J
FIGURA 3.21: GrMico ilust.rat.ivo da corrent.e.. t.emperat.ura ecompriment.o de onda do laser HLP1400.
historica sobre as tecnicas de espectroscopia, na sec;:ao se,uinte
mostramos 0 esquema experimental que utilizamos na espectroscopia
simples em vapor de Rb e os resultados obtido com laser HL 780
est.abilizado pelo sist.ema descrit.o no capit.ulo ant.erior. A Uit.ima
abordamos a part.e t.e6rica e depois 0 esquema experiment.a! ut.ilizado e
os result.ados obt.idos com 0 laser HLP1400.
A espect.roscopia de gases t.em sido ut.ilizada no est.udo de at.omos
desde 0 seculo XIX. Os at.omos cont.idos em celulas eram excit.ados por
uma descarga elet.rica e quando decaiam" apresent.avam urn espect.ro de
ernissao cujas linhas possuiam frequencias bem definidas que eram
primeh:·ament.e separadas por espect.romet.ros de prismas e mais t.arde
ut.ilizando espect.romet.ros de rede de difrac;:ao.
det.errninadas foi 0 primeiro passo para invalidar 0 modelo at.ornico
propost.o por Rut.herford de urn nucleo massivo carregado posi t.ivament.e
circundado por elet.rons carregados negat.ivament.e, cuja emissao dest.es
at.omos se daria cont.inuament.e. Em 1913, Bohr da inicio a Mecanica
Quant.ica propondo os post.ulados que permit.iam calcular de urn modo
A 1 d li h nat.uraluu'>argura ~ n a _
1Tk = 'Y
emissao espont.anea, mas t.ambem por relaxac;:ao nao radiat.ivas, 0 perfil
de linha normalizado dado e det.erminado como sendo{3i>:
(ri. + rle)
<Wi.k - W)2 + [(ri + rk)/2]2
Substituindo r :I (ri+rk)/2 sirnplificarnos a expressao e obternos urn
f"1 Lt· da t . - (31)per 1 oren Zlano ranslc;:ao:
11Tr
_ (31)por pressao
onde N e a densidade de at.omos que pel'tUI"bam, V e a velocidade
relativa media(S!) dado por Va £SKT(M1+M2)/nM1M2]1/2 e ¢ e a set;:ao de
h . Ii . nal(31) dad ,#.-. 2 dC oque co S10 0 por .,.,-Tlp on e
(3~)Doppler
, (31)temper~tura T e dado por :
Ni Zni(VlZ)dVlZ• Vpin exp [-(VlZ/Vp) ] dVlZ
onde Ni=fni(VlZ)dVze a densidade de todos os atomos que estao em Ei. e
Vp=(2kT/m)1/Z e a velocidade mais provavel, mea MaSSa do atomo e k a
N\.C/wan\.(oo)doo - ---
V 1/%p1l
exp [ - ((C/Vp)(00
wa
(8kTmln- 2) 1/%600D = w~ _
61.1D - 7.16 •• 10-71.10 I ~
mas ist.o provocaria urn out.ro limit.ant.e que e 0 alargament.o por t.empo
de t.ransi t.o(3~).
menor que t.empos de vida de niveis at.arnicos que sao da ordem de 10-6s.
_ (3j,)
por pot.encia
menor que a largura Doppler.
A t.ecnica de absort;ao de dois fot.ons(S1eS2) t.ambem permit.e a
eliminac;:ao do efei t.o Doppler de primeira ordem sem os problemas do
t.empo de t.ransi t.o. Um at.omo que se move com velocidade v e expost.a a
luz de dois lasers com mesma frequencia CA)cont.rapropagant.es .Sendo CA>o.
a frequencia de ressonancia e assunnndo que a t.ransic;:ao so pode
CA>1• c.>o+ kVz
CA>2• c.>o kVz
Somando as duas equac;:oes t.emos: CA>1+CA>2-2c.>o-CA>o.,assim uma t.ransic;:ao
velocidade do at.omo.
Uma out.ra t.ecnica que vem sendo grandement.e ut.ilizada e 0 met.odo
das fran jas de Ramsey 6t.ico (Sd>que surCiu apart.ir dos experiment.os de
Ramsey ut.ilizando feixes at.omicos que at.ravessavam campos de radio
frequencia.
o feixe at.omico int.erace com 0 campo em duas recioes separadas
espacialment.e. Quando at.ravessavam a primeira regiao os at.omos sac
coerent.ement.e exci t.ados e se est.a coerencia for mant.ida at.e a segunda
regiao, os at.omos absorverao ou emit.irao de acordo com a coe::-encia de
f"ase mant.ida pelo campo.
Assim 0 espect.ro de absorc;:ao da amost.ra na secunda regiao como
f"unc;:ao da variac;:ao da frequencia apresent.a franjas de int.erferencia.
Est.as franjas sac chamadas de franjas de Ramsey e 0 padrao depende do
t.empo de coerencia dos est.ados.
No caso ot.ico e ut.ilizado dois pulsos de laser separados no t.empo
que iraQ int.eragir com urn mesmo grupo de at.omos numa celula.
Cont-role deTemperat-ura
Mot-or depasso
FIGURA 4.1:Esquema experiment-a I para observa~ao da fluorescencia doRb.
para 0 int,ervalo de corrent,e ut,ilizado e de aproximadament,e 1 mW (dado
ret,irado do manual de lasers(2.8»).
780.05
780.048
780.046
780.044
.•... 780.042Ec:
780.04""0'tl 780.038c0tl 780.036'tl
0 780.034+J
c:Cl
780.032Ei:Cl. 780.03E0u 780.028
780.026
780.024
780.022
780.02
45.5 46.5 47.5 48.5 49.5
corrente (rryA)
FIGURA4.2: Curva de calibrac;:ao <variac;:ao do compriment.o de ondacom relac;:ao a corrent.e) do laser HL 780.
2.8
2.6
2.4
2.22
"- 1.8~::J 1.6"-'"
tl'tI 1.4a'C11 1.2c:tJ.•..!:
0.8
0.6
0.4
0.2
a45.4
FIGURA4.3: Espect.ro de fluorescencia do vapor de Rb. cont.endo osisot.opos Rb8!5 Rb87•
para Rb87 uma area de 29% e para Rb8!5 uma area de 71% que corresponde
aproximadament.e, em porcent.agem, a abundancia nat.ural(32) de cada urn.
ENERGIA ~~Hz) T· F=3 (194.0)
-rF=4 (100.2)
120.1 261.2
~F=3(-20.5) 5P3i263.4
• F=2(-83.8)~F=I(-113.1)
180.1 nm
1151.1
+F=II-230.2J12.3
t F=O(-302.5)
ENERGIA (GHz)
5S,;;f.6.8341
_____ ~ F::...I.!:4.352J
87Rb, 1=3/2,280/0
y-F=3(1.265)
3.0357
-.l.- F = 21-1.7711
~uJ_, k I:::: :' ~j
.. " .. , .
FIGURA 4.5: Esquema de sat.ura<;:ao da dist.ribui<;:ao populacional deEk devido ao feixe de bombeio numa cEHula.
Assim t.emos a produ<;:a~ de urn buraco na dist.ribui<;:ao populacional
n,,(V:z).que e conhecido como buraco de Bennet.(3~).
Bik p(w)= R g{w - wo)
(31)A diferem;:a populacional entao, pode ser escrit.o como :
A set;:ao de choque de absort;:ao ¢\.lc{v,W) e proporcional ao
- .•. d .•. - .•..•. (3j.)parame~ro e sa~urat;:ao por~an~o :
<y/2)2¢i.Jc{v,w) = ¢o ------------
<wo - w - kV)2 + <y/2)2
+00
et{w) • f .6.n<V%) ¢(V%) dV%-00
fracos onde nao esta ocorrendo saturaC;:302
lmo=llNo exp[-(Vz/Vp)] e a distribuic;:ao deV 1/2p1T
(31)Maxwell , obtemos:
+00
L 2exp [-(V~/VJ» JdVz2 2
(w - Wo - kVz) + (r/2)
Zcts(w)= y ¢o ~o
4nJ./Z Vp
+00
J exp [-(Vz/Vp)Z ldVz2 2
(w - wo - kVz) + (ys/2)-00
1
-I 1 + So
--------_ ......•I..- --..:=..lUo '" ow ""'0 .• t!.7 w
Dist.ribuic;:aobennet. e 0
bombeio.
de populac;:aocoef"icient.e de
apresent.ando 0absorc;:ao para
buracoo f'eixe
dede
-I':':~:-:":~'.:1." ...:~ :. :: ,.:.. ,
~III I
IAJ
FIGURA4.7: Dist.ribuic;:ao de populac;:aoe coeficient.e de absorc;:aopara os dois feixes <bombeioe prova).
(31)estacionaria e dada analogamente a (4.3.3) e pode ser escrita par :
~ns(Vz)=&lo(Vz) [1- (;-/2)2 So2 2(wo-w-kV:z) + (ys/2)
(1'/2)2 So ](wo-w+kV:z)2 + (ys/2)2
(y/2)22 2(w-wo) + (ys/2) )]
onde Qo("') • CNo exp [- (<In.2 )(w-wo) 2
2AWD )]
contra Ie det.emperat.ura
-..,\ \
I \ CUOPP€R'. \ 2
\ \_ ..•
,/
\ /
Ilf'ot.om~
r-tJ IcUOfl'f(I I AI I •'--'
/l/:rampa
ampl if i cadorlock- in
FIGURA4.8:Esquema experiment.al para espect.roscopia de sat.urac;:ao emvapor de Cs ut.ilizando laser de diodo.
, .~.._".~ ..-.- •....- ...----- ..-,.-~~-~ .. '--~- - I. SERVI(O DE BIBLICTEC,'. l INfO:<f',',AC;",O - IFQSC l.
FI 5 Ie A
linhas, ist.o porque est.amos observando 0 efeit.o de sat.ura~ao do feixe
de bombeament.o,demodo que 0 feixe de prova nao pode ser absorvido.
INIENSIDADE (u.a,),985 1~~~~~,,~~,'~j'~\~~~~~~~~1f~35~~~"~~~~
.764
0?1-,\I •• I
iII
",",r, t,tl"" 99.40
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""""'to"" ...... ....," .. ,
II
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Hl'l'rw:'IMIH: (ll a )~.\ .•.-.uV .IIoJl.. "1. 633 1'--------....+-1,,,-.. ,,-,,------------------
1. 453 •
II
1. 272 ~
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iIII! ..•.! ....i· ..·"
,311 i
93.42
...",
".""" ..
FIGURA4.9: Espect.ro de fluorescencia do vapor de Cs. para at.ransir;:ao 6S1/2{F-4) -.6P3/2{F= 3. 4 e 5): (a) semfeixe de prova; (b) com feixe de prova.
INTENSIDADE (u,a,).?39j--------'".-,·.·,"-" ..···-'''''-'"..------t3-5-M-Ui--
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INIENSIDADE (u.a,)1.128 ~I -------- ...-.....'-.. -------~
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FIGURA 4.10: Espect.ro de fluorescencia do vapor de Cs para at.ransi.;:ao 6SS-/2{F-3) -.6P3/2{F.. 2, 3 e 4): (a) semf"eixe de prova; <b) com f"eixe de prova.
INIENSIDADI (u,a,)1 .,\1\1, .:....:.:.;~;.;..------~-------------------.,
d.'vJ j •..••. ,. 5',rtHI
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1 Ii.••••iLfI U!.lO L
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I07~ Ir ••1 U t
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:'f. lz. '. f'-'I,'" .
iI
,932'j:93,97
FIGURA 4.12: Espect.ro de f'luorescencia do Cs para a t.ransic;:ao6520/2-..6PS/2, onde os dips L2o, Lz e Ls indicam at.ransic;:ao hiperf'ina F-4 (6520/2)-..F- 5, 4 e 3 (6PS/2)respect.ivament.e e Ct, C2 e Cs correspondem aressonancias crossover ent.re est-ados F=5 e F-4: F-5e F-3: F-4 e F-3.
Para melbor visualizac;:ao foi aquisicionado urn espect.ro soment.e
neste intervalo que e de aproximadamente 500 MHz, com urn nilinero de
medias grande (figura 4.12).
F'5
6P3/2 251 MHz4
201 MHz3
151 MHz2
8521A
F4
9193 MHz
3
L3 que est.ao most.rados no diagrama de energias (f"igura 4.11), do
est.ado f"undament.al 651/2 (F-4) para os est.ados 6P3/2 (F=5). 6P3/2
(F=4) e 6P3/2 (F-3) respect.ivament.e. 0 espac;:ament.oent.re as linhas:
L1-L2 e de ~ 248 MHz e Lz-L3 e de ~ 190 MHz, que est.ao proximos dos
valores esperados que sao 251 MHze 201 MHz.
(31)"cross-over" e estao situadas no ponto medio
Estas ressonancias "cross-over" sao observadas quando a
frequencia do laser esta exatamente na metade entre as duas
transic:;::5es.
Considerando 0 est.-ado fundament.-al e dois niveis para 0 est-ado
e"cit.ado t-emos:
Wj,+W2
2
Wj,+W2-2-
2: ~26
0.4 .N'"'"
O.1-Y
I)181716-~~~!\~~J11- (! ,Jo ~ ~ "''I'/VtJ,~ vIto~·07·
0.6 --OS·04 -
03 -0.7 -01
-' om demonst.ra«;:aoEspect.ro de fluorescenc1a crealiment.a«;:ao 6t.ica: (a) sem realiment.ac;:ao;com realiment.ac;:ao.
de(b)
eficient.es que levarn a urna estabilizaCj:ao rnelbor.Urn dest.es rnet.odos sera est.abilizaCj:ao pOl' absorCj:ao sat.urada,
prova que produzira um sinal erro que realiment.ara 0 laser mant.endo-o
na ressonancia. Est.e sinal sera re-injet.ado no laser de modo a
corri~ir est.a variac;:ao, mant.endo a frequencia do laser est.abilizado
num valor menor do que a largura de linha nat.ural da t.ransic;:ao
at.omica.
Em out.ra est.abilizac;:ao sera ut.ilizada a sensibilidade dos lasers
ao "feedback" 6t.ico (realiment.ac;:ao 6t.ica), escolherido uma frequencia
det.erminada, at.raves de uma rede de difrac;:ao, injet.amos est.e na
cavidade do laser de modo que ele sera forc;:ado a emit.ir na mesma
frequencia ou ut.ilizamos uma cavidade ext.erna com uma modulac;:ao
int.roduzida no laser, cuja correc;:ao de fase sera feit.a at.raves de urn
espelho colocado sobre um PZT, para obt.er varredura na frequencia do
laser variamos a cavidade ext.erna, ja que 0 laser est.ara fixe na
frequencia de ressonancia da cavidade.
Urn rnet.odo ut.il para est.abilizar lasers mais pot.ent.es sera a
injec;:ao do feixe de um laser de baixa pot.encia, bem est.abilizado, por
alguns dos met.odos acima cit.ados, de modo que 0 laser pot.ent.e sera
forc;:adoa acompanha-lo.
R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kin~sley, T.J. Soltys and R.
O. Carlson, Phys. Rev. Lett., 2., 1, (1962).
N. Holonyak, Jr. and S. F. Bevacqua, Appl. Phys. Let.t.., 1,
4, (1962).
M. 1. Nat.han, W. P. Dumke, G. Burns, F. H. Dill, Jr., and G.
Lasher, Appl. Phys. Let.t.., 1, 3, (1962).
T. M. Quist., R. H. Rediker, R. J. Keyes, W. E. Krag, B. Lax,
A. L. McWhort.er and H. J. Zeiger, Appl. Phys. Let.t.., 1, 4,
(1962).
M. B. Panish and 1. Hayashi, Scient.ific American, 225, 1,
(1971).
1. Hayashi, M. B. Panish, P. W. Foy and S. Sumski, Appl.
Phys. Let.t.., 17, 3, (1970).
R. E. Nahory and M. A. Pollack, Appl. Phys. Let.t.., 27,
10, (1975).
H. Kogelnik and C. V. Shank, Appl. Phys. Let.t.., 19, 4,
(1971).
[11]. D. R. Scifres, 'vi. St.reifer and R. D. Burnham, IEEE J. Quant..
Elect.ran., 15, 9, (1979).
[13]. E. Kapon and A. Kat.zir, IEEE J. Quant.. Elect.ron., QE-Z1, 12,
(1985).
[14]. F. Koyama, Y. Suemat.su, S. Arai and T. Tawee, IEEE J. Quant..
Elect.ron., 19, 6, (1983).
[15]. B. Dahmani, L. Hollberg and R. Drullinger, Opt.. Let.t.., 12,
11, (1987).
[16]. M. Oht.su and S. Kot.ajima, IEEE J. Quant.. Elect.ron., QE-21,
12, (1985).
[17]. H. Hori, Y. Kit.ayama, M. Kit.ano, T. YabuzaJd and T. Ogawa,
IEEE J. Quant.. Elect.ron., QE-19, 2, (1983).
[18]. Manual de lasers de diodo, fornecido pela Hit.achi: "Hit.acID
opt.oelect.ronic semiconduct.or product.s dat.abook".
[19]. P. S. Cross, e.· L. Harna,el, W. Streifer, D. R. Scifres and
D. F. Welch, Science, 237, 4820, (1987).
[20J. A. K. Chan, C. P. Lai and H. F. Taylor, IEEE J. Quant..
Electron., 24, 3, (1988).
[211 R. Pl"at.esi, IEEE J. Quant.. Elect.ron., QE-20, 12, (1984).
[22]. T. Fan and R. L. Byer, IEEE J. Quant.. Elect.ron., 24, 6,
(1988).
[24]. M. Hashimot.o and M. Oht.su, J. Opt.. Soc. Am. B, Q, 10,
(1989).
[25]. D. Sesko, C. G. Fan and E. Wieman, J. Opt.. Soc. Am. B, §., 6,
(1988).
[26]. A. Yariv, "Int.roduct.ion t.o opt.ical elect.ronics", 22 edit;:ao,
(1976) pag. 176-186.
[27]. L. Sharupich and N. Tugov, "Opt.oelect.ronics", (Mir, Moscow,
1987) pag. 138-143.
[28]. Manual de component.es da Analog Devices, "Dat.a Acquisi t.ion
component.s and subsyst.ems", (1980).
[30l. N. La Scala Jr., dissertac;:ao de mestrado apresentada no
Instituto de Flsica e Qufmica de Sao Carlos, USP, (1989).
[31l. W. Demtroder, "Laser Spectroscopy", (Springer-Verlag Berlin
Heidelbercr;, New York, 1981) pacr;.78-110 e 488-495.
A. Corney, ••A'tomic and Laser Spec'troscopy",
Press, Oxford, 1977) pacr;.439-471.
[33]. A. M. Tuboy, S. A. Tonissi Jr., S. C. Zillo, V. S. Bacr;na'to,
acei'to para publlcac;:ao na Rev. Fis. Apllc. e Ins'trum.
(Apendice).
[36]. Apos'tila do curso: "Espec'troscopia a'tomica e manipulac;:ao
op'tica de a'tomos" Vanderlei S. Bacr;na'to II Escola de
Verao Jorge Andre Swieca de 6'tica Quan'tica e Nao Linear -
ao t.rabalho desenvolvido de est.abilizac;:ao em lasers de diodo para
ut.ilizac;:ao em espect.roscopia de at.omos alcalinos.
UTILIZACAO DE LASERS DE DIODO
EM ESPECTROSCOPIA ATOMICA
PARTE I: ESTABILIZACAO PRIMARIA
Instituto de Fisica e Qufmica de Sio Carlos
Universidade de Sio Paulo
Cx. Postal 369, 13560 Si.o Carlos - SP
A utiliz~a.o de laser de diodo em vaxios aplicativos tem aumentado consideravelmente
nos ultimos tempos, principalmente devido a versatilidade destes dispositivos. Neste
trabalho apresentamos um breve hist6rico sobre a uti1iz~io de lasers de diodo em
espectroscopia e descrevemos as etapas iniciais para estabi1iz~io da temperatura e corrente
de tais dispositivos mesmo com estabiliz~i.o prim8.ria (temperatura e corrente) ja. epossfvel utiliza-Ios em espectroscopia atomica. Mostramos resultados de espectroscopia
por fluorescencia e ab$or~io saturada em vapores de rubidio e cesio.
The use of diode laser for several applications has increased considerably in the past
few years mainly due to the versatility of these devices. This work presents a historical
background of the use of diode lasers in spectroscopy and describes the initial steps for
teD;lperature and current stabilization of these devices. Even with such simple stabilization .
it is possible to use them in atomic spectroscopy. We present results of fluorescence and
saturated absorption spectroscopy in rubidium and cesium vapours.
I. INTRODUCAO
Desde 0 initio da espectroscopia 6tica varios tipos de limpadas tem lido utilizadas
como fonte de radi~io. Sendo de baixo custo e nie requerendo grandes cuidados para
instal~io, as limpadas acopladas com elementos dispersiv06 como prismas e redes de
difr~i.o permitem a realiz~i.o de espectroscopia de abso~io ou emissao, estudos de
bombeamento 6ptico, transferencia de energia, etc. Estas fontes convencionais de luz
sofrem de um mal que limitam sua aplicabilidade: elas em geral apresentam baixa
potencia nos interva)os espectrais, sua emissao e incoerente e principalmente sao de diffcil
sintoniz~io, principalmente quando queremos manter a potencia e resolu~io espectral.
Assim, muitos experimentos import antes nio puderam ser realizados devido 'Os
limitantes impostos pelas lampadas usadas como fontes de radiac;i.o.
o laser, introduzido na decada de 60, proporcionou uma evolu~aobastante significativa
na Fisica atraves, principalmente, de suas propriedades de potencia e coerencia, mas ainda
nao resolvia 0 problema da sintonizac;a.o,isto e, a capacidade de variar amplamente sua
frequencia nas medidas espectrosc6picas. Este requisito de sintonizac;io foi resolvido com
o advento dos lasers de corantel1) I que propiciaram, ap6s seu aparecimento, urn enorme
ava.n~oe foram de infiuencia marcante na determinac;aode novosrumos da Fisica moderna.
Os lasers de corante propiciaram 0 estudo de esptkies cujos iempos de vida sio bastante
curtos alem de terelucidado vaxios detalhes da estrutura atomica. Este a"-a.n~o,no entanto,
tem urn pr~o. Os lasers de corante sao, em geral, compostos de vaxios elementos 6ticos e
seu pre~o va.ihoje de 50 a 100 mil d6lares, sem falar que estes dispositivos sao bombeados
por lasers ionicos tipo Argonio ou Kriptonio que adicionam a.o custo mais 50 - 60 mil
d6lares e requerem, em geral, instalac;Oesespeciais de ligua e eletricidade. Na regiio do
infra-vermelho proximo (700a 1100nm) foi recentemente desenvolvido 0 laser de Ti:Ab 03,
capaz de gerar ate 3W continuos nesta regiao, porem a versao monomodo com estabilizac;io
ativa tem custo comparavel a.odo laser de cora.nte.
Os fatores economicos e de infra-estrutura limitam fortemente 0 numero de lasers
de cora.nte opera.ndo no continuol::) que urn experimento pode conter. E neste ponto
que 08 luers de diodo aparecem como uma fonte alternativa &08luers de corante em
determinadaa litu~Oes (embora dia a dia a aplicabilidade d08 lasers de diodo tom a-Ie
mais e mais ampla). Ao contd.rio doe lasers de corante, 08 wers de diodo 18.0 em ceral
baratos, nio requerem elementos 6tic08 intracavidade que devem ser alinhad08 para a ~io
laser e nio requerem facilidades especiais para lua opera~i.o. Assim, nas lituac;Oesonde
nio Berequer comprimentos de onda muito curtos Ua e viavel utilizac;i.ode laser de diodo
em tome de 650 nm) ou altissimas potencias (apesar de que -diode arrays" tem permitido
obten~i.o de varios watts de potencial 0 laser de diodo deve Bervisto como uma viavel
altemativa para uso em espectroscopia como tem acontecido atualmente em varias partes
do mundo.
Nosso objetivo neste artigo e mostrar as principais propriedades do laser de diodo
voltando nossa aten~io em particular para 0 caso de utilizac;io em espectroscopia atomica
e molecular, que e 0 nosso principal interesse. Nesta aplicac;ioespedfica, a estabilizac;aoda
frequencia do dispositivo e de fundamental importincia. Assim, ateremos nossa aten~ao
ao trabalho desenvolvido em nossos laborat6rios para estabilizar estes dispositivos, onde
reportaremos com detalhes os circuitos construidos. Esta e no entanto apenas uma primeira
etapa, onde a estabilizac;io em temperatura foi realizada. Metodos mais 8ofisticados de
estabilizac;i.o serio apresentados futuramente.
o artigo estci dividido da seguinte forma: inicialmente descrevemos em linhas
gerais as- caracteristicas do laser de diodo. Em seguida, discutimos 0 procedimento de
estabilizac;i.o do dispositivo e finalmente demonstramos sua utilizac;io em Fisica Atomica,
onde reportamos resultados obtidos em nosso laborat6rio e tambem faremos uma descril;ao
geral apresentando importantes aplicac;o.esque tern sido feitas em yarios laboratorios de
fisica atOnllca do mundo.
Vamos aqui fazer uma breve descri~io das propriedades do laser de diodo e vamos nos
voltar principalmente para aquelas propriedades que sio importantes em fisica atomica.
AIm diaao, vamOl nl,)l ater ace lasers do tipo AIGaAa operando em "ingle-mode", que
represent-. 0 maior interesse para fIsicOlatOmicOl.·Single-mode" aignifica que 0 dispositivo
opera em apenas um modo longitudinal da cavidade. Os lasers da famnia do GaAs operam
principalmente no vis£vele infra-vermelho proximo.
Considerem08 um laser de diodo de heteroestrutura dupla mostrado na Fig. 1. Este
tipo de laser recebe este nome devido ao fato de apresentar como meio ativo uma camada de
Alw Gal _• As entre duas camadas de AI. Gal_. As que vestem a camada que serve do meio
ativo. A concentr~i.o de alumfnio e menor na regiio do meio ativo do que nas camadas
laterais, de modo que 0 "gap" de energia e maior nestas regiOesdo que na regiio ativa(3).
Isto representa uma barreira de potencial para os portadores injetados no meio ativo,
diminuindo consideravelmente a fuga destes portadores da regiao ativa do laser. Alguns
destes portadores, no caso eletrons, recombinam-se com buracos gerando f6tons de energia
proxima ao "gap" de energia do meio ativo dio origem a ~io laser. A heteroestrutura
ainda apresenta a finalidade de confinar estes fotons, pois sendo 0 £ndicede refr~io menor
quanto maior e a concentr~io de aluminio, as camadas de AlaGa1_. As funcionam como
um guia de ondas para f6tons na camada AIJIGal_. As.
A geometria das camadas no laser de heteroestrutura tem ainda uma import ante
func;io que e a de assegurar operac;io em modo unico ("single mode operation"), que e
importante numa serie de aplic~Oes. :t\a direc;io transversal, a largura e da ordem de
micra, iriIpedindo assim a existencia de modos alem do fundamental naquela dir~io. Na
direc;io lateral I4 ) a mesma finalida.depode ser atingida se um perfil de £ndicede refr~io
for introduzidol&) •
Dest.a forma, tendo um unico modo longitudinalmente. a geometria do meio ativo
assegura realmente emissao num Unico modo. Varios fabricantes de laser de diodo ja
produzem elementos com "single mode operation" garantidof£'.
lmpondo estas restric;Oesespaciais a cavidade onde tere:::nosa ~io laser (a cavidade
e formada pela.s pr6prias faces do meio ativo), 0 feixe laser que emerge e rapidamente
divergente, sendo evidentemente, mais divergente na direc;a.o transversal de menor
dimensio. E costume denominar de e~ a divergencia angular do feixe emergente na
direc;io perpendicular ao plano do meio ativo e 8, a divergencia paralela a.oplano do meio
ativo que, como dissem08, e em geral menor do que 9.L'
A Fig. 2 mostra esquematicamente a disposi~i.o do feixe emitido com os parimetros
mencionad08 acima. Normalmente 0 fabric ante do laser fomece uma curva mostrando
o perfil de intensidade como fun~io da posi~io angular nas duas dir~Oes principais do
plano do meio ativo. Uma destas curvas tfpicas esta mostrada na Fig. 3. Normalmente
9.L - 33° e 911 - 18°, podendo apresentar leves alter~Oes de elemento para elemento.
De uma forma simplificada, esta vari~ao angular pode ser vista como originada na
difr~io produzida pel a fenda que constitui 0 meio ativo. t claro que devido ao fato do
campo de radi~ao nio estar confinado Bomente a regiio do meio ativo, para obtermos a
correta dispersio angular temos que considerar um tamanho de fenda que nio e a largura
real da camada de meio ativo, mas sim uma dimensao maior. Assim, se utilizarmos a
formula de difr~io (~ x ~ 1.4;sin 62e) para preyer 0 tamanho da fenda dos dados da
Fig. 3, obteriamos ~x~ ,..,1.3 #lm, enquanto a espessura real da camada ativa e da ordem
de 0.1 #o£m(7).
Um outro aspecto importante na operat;;a.o dos lasers de diodo e a depend encia da
potencia da luz emitida com a corrente injetada na junt;;ao. Estas curvas sao normalmente
fornecidas pelo fabricante do laser, sendo mostrada na Fig. 4.
Estas curvas em geral sao lineares com a corrente injetada e podem ser escritas na
forma pou• = '7 ("2·' ) (I -It")' onde hv e a energia de cada foton emitido, I a corrente, It"
a corrente de "threshold" e '7 representa um fator de eficiencia na conversio da corrente'
injetada em fotons emergentes da cavidade. Este fator normalmente depende da eficiencia
quantica (que leva em conta a recombin~i.o eletron-buraco) e tambem das caracteristicas
da cayidade, como refiexa.o nas superficies! etc.
Os elementos simples! comerciais, que podemos adquirir hoje no mercado apresentam
potencia de 1 a 150 mW operando em "single mode" com comprimento de onda que '\";11
des de 0 vermelho p - 650 mm) ate infra-vermelho.
Um outro aspecto que vale a pena ser obseryado nos lasers de diodoe com respeito a
polariz~io da luz emergente. Dada a geometria da regiao ativa do laser, surge uma grande
distinC;io entre a refietividade dos modos TE e TM, sempre predominando os primeiros, de
modo que a polariza.c;io da radia.c;a.oemergente e paralela ao plano da jun<;io. Assim, a luz
emitida 16 exibe alto grau de polariza~io para conentes acima do valor de ~hreshold", j'
que este efeito resulta da competi~io entre 01 modOl TE e TM. Apesar da caraderfstica
predominantemente linear da polariz~i.o, outrOl estados de polariz~io mais complexos
tem lido observadosll) e sua existencia atribufda as anisotropias presentes no cristat.
Um laser de diodo operando em "single mode" tem como caracterfstica espectral uma
Unica linha lorentziana com uma largura tfpica de 20 a 100 MHz(D). Na Fig. 5 mostramos
um espectro tfpico. Lateralmente &OS picos mais intensos, que representam os modos
do laser, encontram-se "sidebands"llO) de pequena intensidade. 0 indice de refr~i.o do
material depende da inversao de popul~ao e quando um roton e emitido por fiuorescencia,
a inversao de popul~ao sofre oscil~oes amortecidas, fatos estes que proporcionam uma
leve modul~i.o de fase na frequencia de relaxa~ao originando os "sidebands" mostrados.
Para aplic~ao em Fisica AtOmica, uma das propriedades mais import antes do laser
de diodo e sua capacidade de sintoniza~ao. Altera~Oes da frequencia do laser podem ser
obtidas atraves da vari~a.o da temperatura ou da corrente. Normalmente 0 ajuste mais
grosseiro e feito atraYes do ajuste da temperatura enquanto que 0 mais fino e feito atraves
.da vari~io na corrente de inje~io.
Na Fig. 6 mostramos 0 corrimento da linha do laser quando efetuamos mudan~as
de corrente ou de temperatura (na Fig. 6 a largura da linha nao corresponde a linha do
laser pois depende do monocromador usado na medida). E importante lembrar que tanto
os modos da cavidade quanta a curva de ganho sao dependentes da temperatura devido
essencialmente a dependencia do £ndicede refr~io e do "gap" com a temperatura. Deste
modo, com a vari~ao da temperatura (e indiretamente da corrente de inj~ao) temos pulos
de modo. Quando um determinado modo longitudinal nao tem ganho suficiente para a~ao
laser,o sistema pula para um outro modo onde 0 ganho e maior. 1\os lasers de AIGaAs,
a curva de ganho desloca-se para maiores comprimentos de onda mais rapidamente do
que 0 deslocamento dos modos da cavidade com 0 aumento de temperatura, de modo que
com 0 aumento de temperatura e corrente os modos sempre saham para \-alores de maior
comprimento de onda. Este comportamento faz com que a curva de sintonia tenha urn
comportamento tipico do tipo "degraus de escada" como mostram as Figs. 7 e 8. Podemos
ainda veTas duas vari~Oes conjugadas em um unico grafico na Fig. 9.
A caraderfstica mais importante daa curvaa apresentadaa , que a regiio de va.ri~io
contmua entre doUspulos de modo determinam 0 alcance de aintoniz~io do laser para uso
em espectr06copia. t importante aalientar t no entanto, que a atu~io e controle mutuo
de temperatura e corrente permite, normalmente, centralizar uma das regiOesde vari~i.o
contmua ao redor do comprimento de onda desejado.
- ,m. PRIMEmO PASSO NA ESTABILIZACAOPRIMARIA PARA usa EM
ESPECTROSCOPIA
o primeiro passo na direc;i.ode construir um laser de diodo para utiliz~i.o em
espectroscopia consiste em construir um controlador de temperatura que tenha minima
fiutu~i.o, garantindo boa performance do dispositivo. A seguir descreyemos 0 controlador
construido por nosso grupo (0 qual e uma vari~a.o do utilizado por outros grupos(11)).
A montagem mecanica que envolve 0 laser de diodo esta mostrada na Fig. 10.
Basicamente 0 laser esta fixado num sistema metalico que serve como um banho termico
ao laser, corrigindo vari~Oes de temperatura que si.o detectadas por um termistor, atraYes
de um elemento Peltier.
o sistema para estabiliz~i.o de temperatura trabalha segundo 0 esquema mostrado
na Fig.'n.
o controlador de temperatura tem a fun~i.o de controlar a temperatura do suporte
do laser de diodo numa faixa de 5° C a 40° C, com estabilidade da ordem de 0,001 c C.
Este dispositiyo apresenta caracteristica de controle PID utilizando termistor (N'TC) como
eleme:c.tosensor de temperatura e um Peltier comoelemento atuador que aquece ou resfria 0
suporte ao qual esta conectado 0 laser. 0 controlador pode ser representado pelo diagrama
em blocos mostrado na Fig. 12.
Vamos breyemente analisar cada bloco com mais detalhe.
o circuito sensor I escolha da temperatura utiliza um arranjo em ponte de resistores
como mostra a Fig. 13. 1'0s ramos 1 e 2 da ponte utilizamos 2 resistores de mesmo valor R,
enquanto que no ramo 3 colocamos um resistor variayel RF cujo valor pode ser selecionado
atraves da combin~io eerie de varioe reaiatores de diferentes valores por meio de chaves
rotativas. No ramo 4 esta um termistor (NTC) cuja resiatencia , fun~io da temperatura
da parte que querem08controlar. A ponte , alimentada com uma tensio DC + V e isto
produz uma tensio V. entre 08 pontos a e b caso a ponte nie esteja em equillbrio, ou
seja, R, ::f R,.. Quando R, = R,. a ponte esta em equih'brioe V. = o. Resumindo, VB
e fun~io de +V, R, e It,. e portanto e tambem fun~i.oda temperatura, indicando qual eo desvio existente entre a temperatura no termistor (RT e a temperatura escolhida (R, )).
Quanto maior a diferen~a,maior 0 valor de VB' Com isso, este circuito traduz vari~Oes
de temperatura para va.ri~ao de tensio. Esta tensao e utilizada pelo resto do circuito para
compensar a vari~io, mantend~se constante.
No circuito amplificador 0 sinal de erro VB' obtido do circuito sensor e da ordem de
alguns milivolts e portanto muito baixo para excitar os circuitos de controle posteriores.
E necessarioportanto que ele seja amplificadopara valores da ordem de alguns volts. Estecircuito de ampIific~ao deve ter alta precisio, com alta estabilidade em temperatura e
tempo, e ainda um ganho da ordem de 1000. Para obtermos estes quesitos foi utilizado 0
circuito integrado 2B 30J da "Analog Devices" projetado especificamente para interfaces
de aha precisio com transdutores tipo "strain Gage" e RTD's (resistores detetores de
temperatura). Entre outras caracterfsticas ele apresenta baixo drift de offset (0.5 jJV r C),
excelente linearidade, baixo rUldo (ljJV p.p max), elevadfssima rejei~io em modo comum
(140 dB), alta estabilidade termica, facilidade de uso e grande desempenho. Este circuito
pode ser representado pelo diagrama de blocos da Fig. 14.
Como vemos nesta figura, ele apresenta varios estagios sendo 0 primeiro um
amplificador de instrument~ao diferenciaJ com aha impedincia de entrada (10' 0), baixo
"offset" , baixo "drift" e baixo ruido, que amplifica sinais em uma larga faixa (de 1 ate 2000
vezes) de ganho programavel atraves de um simples resistor Rc para valores de saida entre
± 10V. 0 estagio seguinte ("Buffer") e um amplificador inversor que possibilita um ajuste
de ganho fino e tambem um ajuste de offset ate::: lOV. 0 ultimo estagio e um filtrIJ tipo
Bessel passa baixa, cuja frequencia de corte e ajustada em 2 Hz, podendo ser ampliada ate
5 KHz atraves da coloca~ao de resistores adequad05.
Com os m6dulos 1 e 2 temos um sinal de tensao anal6gica que traduz a intensidade de
vari~io da temperatura no laser com rel~io 1 referencia imposta e com valor de alguIl8
Volts, 0 que e suficiente para excitar 01 m6dulOl posteriors.
o circuito P.I.D. - Os m6dulos 1 e 2 geraram 0 sinal de erro que corresponde ao
desvio encontrado entre a temperatura TL no suporte do laser e a temperatura Tit que
e a referenda ou 0 ·set-point". A partir deste sinal e necessuio uma atu~io no sistema
de modo a corrigir este desvio. Neste m6dulo encontra-se 0 circuito que gera estas ac;<5es
corretivas ou ac;Oesde controle, no caso P.LD., ou seja, ac;io proporcional + integral +derivativa. 0 diagrama em blocos do circuito P.I.D. esta representado na Fig. 15. Ele
apresenta quatro m6dulos bcisicosdesenvolvidos utilizando-se amplificadores operacionais
(Texas lnst. TL 083), que apresentam entrada com JFET, alto ·slew rate", baixo "offset"
de corrente e baixo coeficiente de offset de voltagem com a temperatura. Estes modulos
sio: circuito integrador - que proporciona uma ac;io integral na qual sua salda aumenta
numa ta.xa proporcional ao erro da variavel controlada. Assim, 0 sinal de safda e a integral
do erro ao longo do tempo multiplicada por uma constante de proporcionalidade (ganho
de integra.t;io).
o circuito diferenciador proporciona a.c;ioderivativa na qual a saida e proporcional a taxa
de va.ri~io do sinal erro. Nunca e utilizado isoladamente, pois caso haja um erro nulo ou
constante 0 sinal de saida sera igual a zero. A equ~io de saida e:
IT s(t) = K dYe (t)D dt
onde KD e 0 ganho derivativo.
Circuito proporcional, como 0 proprio nome ja diz, proporciona uma ~io proporcional na
qual existe uma relac;a.olinear entre 0 sinal erro e a saida do circuito.
Finalmente 0 circuito somador faz a soma das tres a.c;&esdiscutidas acima gerando 0
sinal para 0 circuito atuador.
Todaa as contantes K1, KD e Kp podem IIercontroladaa atrav~ de potenciometros,
resistores e capacitores (Re) existentes no circuito de forma a Be encontrar um ponto
6timo de atu~io que leve 0 sistema rapidamente ao ponto de equiUbrio "set-point", sem
08cil~Oes e com grande estabilidade.
o quarto m6dulo do esquema geral e 0 circuito de potencia que tem a fun~i.ode excitar
o dispositivo de atu~io que em nosso caso e 0 Peltier que ira resfriar ou aquecer 0 suporte
do laser. 0 Peltier e um dispositivo que possui duas faces e que e capaz de regular 0 fluxo
de calor que flui entre elas atraves de uma tensio aplicada &OS seus terminais. Quanto
maior esta tensao maior sera.0 fluxo, retirando calor de uma das faces e transmitindo para
a outra. 0 sentido deste fluxo depende da polaridade da tensio aplicada, ou seja, e posslvel
aquecer ou resfriar uma face com rel~a.o a outra.
Neste sistema, 0 suporte do laser esta. colocado numa das faces do Peltier enquanto
que a outra face fica em contato com uma grande base de cobre que funciona como um
reservat6rio de calor. 0 comando para este fluxo de calor e feito pela tensio obtida nos
m6dulos 1,2 e 3 anteriores, enquanto que este m6dulo de potencia tem a func;a.ode fornecer
a corrente necessaria para excitac;a.odo Peltier, que no nosso caso pode atingir valores da
ordem de alguns amperes. 0 m6dulo de potencia apresenta 0 diagrama simplificado da
Fig. 16.
o funcionamento do m6dulo de potencia pode ser resumido da seguinte forma: a
tensa.o de--controle obtida nos m6dulos anteriores e aplicada a entrada nao inversora de
um amplificador operacional, cuja entrada inversora esta conectada ao Peltier. A salda
do Amp. Op. esta ligada a um conjunto de transistores de potencia que ira.o fornecer a
corrente necessaria para 0 Peltier. Desta forma, 0 Amp. Op. tenta estabilizar a tensa.ono
Peltier em um valor igual ao do sinal de controle, atraves des transistores de potencia. Se a
tensa.o no Peltier for inferior ao sinal de controle, a entrada (+) do amp!. op. ficara maior
que a entrada (-), 0 que gera na saida do mesmo um sinal que atiyara. os transistores de
maneira a aumentar a corrente no Peltier, aumentando assim a tensa.oate que ela se iguale
a tensa.o de controle. Caso a tensao no Peltier fique maior do que a tensa.o de controle
a entrada (-) ficara maior que a entrada (+), gerando um sinal para os transistores de
maneira a diminuir a corrente, diminuindo a tensa.o no Peltier.
Dois diod08 Zener lio colocadOlem oposi~io de forma a limitar a tenaio que led.
aplicada eo Peltier, limitando a tensio de controle na entrada (+) do ampl. Ope Isto efeito porque para valores altos da tensio a corrente no Peltier pode ficar muito grande
danificando 0 dispositivo. No nossocaso a tensao e limitada em +3V e ·3V.
AIem dOl m6dulos discutidos, temos as varias fontes de tensOes. Os circuitos
integrados sio alimentados com ± 15V dc, e a ponte recebe +10V. Ambas fontes neste
caso foram desenvolvidasutiliza.ndo-se0 regulador LM 723C por ser de baixo ruido e alta
estabilidade termica. Alem de bom controle de temperatura a a.liment~io de corrente
para 0 laser deve tambem ser esU.vele controlada.
IV. UTILIZACAO EM ESPECTROSCOPIA ATOMICA
Ao nosso conhecimento, 0 credito para utiIizac;io de lasers de diodo em experimentos
de fisica atomic a ocorreu em 1968 com a utiliza~ao de um laser de GaAs resfriado a
temperatura de Nitrogenio para observar ecos de f6tons em vapores de Cesio1121. Nos
anos ap6s este trabalho, muitos outros surgiram na literatura e a primeira espectroscopia
atomica propriamente dita surgiria em 1969 medindo com precisio a transi~io 81/2 -+
P3f~ p. = 852,1 nm) do vapor de Cesio'13'..
Esses e vaxios outros experimentos demonstraram de uma forma clara 0 grande
potencial apresentado pelos lasers de diodo em espectroseopia. Este potencial foi
confirmado com 0 advento dos lasers de diodo operando na temperatura ambiente que
ocorreu mais recentemente.
Existe ainda hoje uma pequena difieuldade, ja que ainda nao temos laser de diodo
a disposi~io para todas as linhas atomicas. Nos dias atuais cerea de quatorze especies
at6mieas ja apresentam vcirias transi~Oes importantes acesslveis com linhas emitidas por
estes lasers e 0 ritmo de desenvoh-imento destes dispositivos pareee ter recebido grande
acelerac;a.orecentemente.
Como um primeiro experimento realizado em nosso laborat6rio apresentamos a seguir
uma espectroseopia simples utilizando lasers de diodo tipo HL 780 (Hitachi) e vapor de
Rubidio. Utilizando luer de diodo IOmente estabilizado em temperatura (t.T - 0,002° C)efetU&m08uma espectr08copia de vapor de Rubidio 1temperatura ambiente segundo 0
esquema experimental m08trado na Fig. 17. Inicialmente, a temperatura de operac;io foi
escolhida de modo a term08 um patamar de lintonia ao redor de ~ = 7800 A. 0 feixe
emergente do diodo foi eonvenientemente colimado passando atraves de uma celula de
vapor de Rubidio e 0 espectro de fluorescencia como fun~io da corrente no diodo registrado.
o espectro obtido esta mostrado na Fig. 18. Observamos a existencia de quatro picos de
larguras medias apraximadamente de 600 MHz, largura esta que provem essencialmente
do efeito Doppler oriundo do vapor estar a temperatura ambiente aliado a um alargamento
causado por estarmos medindo um grupo de linhas. Vma amostra deRb como a preparada
por n6s apresenta uma mistura dOBdois is6topos naturais I6Rb (72%) e aTRb (18%), que
devido a diferen~a de spin nuc1eares apresentam diferentes estruturas hiperfinas para os
estados eletronicos como mostrado no diagrama da Fig. 19. Como podemos observa.r I para
a especie 8sRb os estados hiperfinos do estado fundamental 81/2 estio separados por 3,035
GHz, enquanto para I7Rb a separ~a.o e 6,834 GHz. Assim, os quatro picas de fiuorescencia
observados no espectro da Fig. 17 represent am as transic;Oes envolvendo os estados
fundamentais dos dois isotopes. Os dois picos mais afastados correspond em as transic;oes
do isotopo 17Rb e sa.o menos intensos devido a menor abundincia desta espkie. Os dois
picos mais pr6ximos, localizados entre os dois primeiros ja mencionados, correspondem
a fiuorescencia do 16 Rb, que estando presente em maior quantidade apresenta picas de
fiuorescencia mais intensos. Enumerando os picos da Fig. 18 de I a IV vamos analisa-los
individualmente. 0 pico IV e 0 resultado da composic;a.ode tres transic;f>es no 17Rb: 81/2
(F = 2) -+ P3/2 (F = 3), 81/2 (F = 2) -+ P3/2 (F = 2) e 81/2 (F = 2) -+ P3/2 (F =1), todas permitidas pelas regras de selec;ao, 56 nao sendo bem resolvidas individualmente
devido essencialmente ao alargamento Doppler ser superior ao esp~amento entre as linhas.
o pico ITI advem das transic;f>es 81/2 (F = 3) -+ P3/2 (F = 4, 3, 2) enquanto 0 pico ncorresponde as transic;f>es81/2 (F = 2) -+ P3/2 (F = 3,2,1), ambas em aSRb. Finalmente
o pico I corresponde a 81/2 (F = 1) -+ P3/2 (F = 2, 1, 0) em 17Rb. Assim, vemos que
todos os picos advem de contribuic;f>esde tres transic;f>esindependentes, fato que adiciona
certo alargamento a.oefeito Doppler, como ja mencionado. Considerando que as transi<;Oes
apresentam todaa a mesma for~ade oscilador, podemOlcomparar uareas totais dOlpiC06
com a area parcial de cada um. Conaiderando 08 grupoe de linhaa devido a cada ia6topo,
encontramos que a area das transi~Oesdo 16Rb corresponde a 70% da area total, enquanto
a area da fluorescencia para nRb corresponde a 30%, numerOl estes baatante pr6ximos da
abundantia natural de cada um destes is6topos. A diferen~arelativa entre as amplitudes
das transi~Oesadvem da composi~io diferente de cada nfveJcom respeito a quantidade de
componentes magneticos contidos nos n£veis.
Num segundo experimento que realizamos foi utilizado um laser do tipo HLP-1400
da Hitachi com comprimento de onda. centrado ao redor de 852 nm e utilizamos uma.
celula de cesio a temperatura ambiente. Neste experimento, a configur~io experimental
esta. mostrada na Fig. 20. 0 feixe pro,oeniente do laser de diodo passa peJa.celula.duas
vezes quase que contra-propagantes. Um dos feixes e modulado enquanto que 0 outro
na.o. A fluorescencia e coletada da intersec~io dos feixes e amplificada por um "lock-in"na frequencia de modul~a..o. Quando 0 feixe modulado e bloqueado, obtemos somente um
espectro de fluorescencia simples como 0 ja mostrado para 0 caso do Rubidio.
o resultado do espectro de fluorescencia esta mostrado na Fig. 21(a) onde estamos
mostrando somente uma das linhas observadas (a de menor frequencia) pois a de maior
frequencia. esta aproximadamente 9 GHz distante e sera analisada mais adiante. 0 espectro,
apesar de assimetrico nao mostra com clareza. nenhuma estrutura espectral, apesa..rde
mostra..ralgumas ondul~Oes no lado de baixas frequencias.
Ao rea.lizarmos medidas utilizando 0 feixe modulado observamos uma dramatica
altera~ao do espectro que a.dvem do fato que quando os dois lasers interagem com 0
mesmo gropo de atomos 0 efeito de satur~ao vem a. tona, e como os lasers esta.o quase que
'contra-propagantes, eles interagem com ~ mesmas moJeculas tornando 0 espectro line
do efeito Doppler. Isto produz um decrescimo da. fluorescencia ja que 0 primeiro feixe
laser (muitas vezes denominado de bombeio) saturou as transil;Oese 0 segundo feixe na.oe
absorvido. Esta. tecnica e normalmente denominada de espectroscopia por satur~io'14) .
Dentro da. regiao do decrescimo de fluorescencia observamos uma estrutura espectraJ
mais rica, correspondendo as vuias transil;Oes e "cross-ever" normalmente presentes na
espectroscopia por satur~a.o. Para melbor entendermos 0 espectro apresentado na. Fig.
21(b) conaideremo8 inicialmente 0 diagrama dOl nfveia e1etronic08 do 'tomo de Cesio
m08trado na Fig. 22. A fluorescencia mostrada Ila Fig. 21 advem du tran.si~Oes
pertencentes to grupo de linhas indicadas por Ina Fig. 22. Sio tre.nsi~Oesdo tipo 651/2
(F = 4) -+ 6PS/2 (F = 5, 4 e 3). Quando 08 dois feixes interagem com a amostra, 0
primeiro feixe satura a transic;i.o e 0 segundo ni.o e ab80rvido, deixando de contribuir para
a f[uorescencia. Como 06 dois feixes tem a mesma frequencia, isto 80mente ocone quando
eles interagem com atomos que apresentam velocidades nulas na dir~io do laser. Estas tres
linhas estio mostradas pelas letras a, bee no espectro da Fig. 21(b). 0 esp~amento entre
elas e ~fa-. =::: 190 MHz e ~fb-t: =::: 248 MHz, relativamente pr6ximos dos valores 201 MHz
e 251 MHz que seriam esperados. Os demais decrescimos na fiuorescencia correspondem &Os
chamados "cross-over" que aparecem quando ambos feixes interagem com mesmo grupo
de atomos sem que eles tenham velocidade nula na dir~ao do laser. As demais fotos
no espectro sio meras pontu~Oes de medida e nao sio reproduzlveis. Como ambos os
feixes apresentam a mesma frequencia isto ocorrera quando 0 valor da frequencia estiver
exatamente entre duas das linhas, pois neste caso 0 efeito Doppler, para um determinado
grupo de atomos, tem valores opostos, ca.nceland~se. Assim, L1 seria 0 "cross-over" entre
a e b, L2 entre a e c e L3 entre b e c, embora as posi~Oesrelativas nao par~am estar muito
de &cordocomo sendo 0 ponto central entre as linhas.
Este mesmo estudo pode ser feito para 0 grupo de tra.nsi~Oesindicada.s por n no
diagrama da Fig. 22, so que neste caso as modula~Oesno espectro devido a satur~a.o nao
se mostraram muito intensas como mostramos nas Figs. 23(a) e 23(b).
De uma forma geral, os espectros aqui apresentados concordam bem com os relatados
na literaturaf16) utilizando 0 mesmo tipo de tecnica e empregando lasers de diodo.
Melhores resultados seriam obtidos se utilidssemos os dois feixes exatamente contra-
propagantes mas, devido a alta sensibilidade dos lasers de diodo, 0 "feedback" 6ptico
nao foi possivel este tipo de configur~ao que se tornara viavel assim que terminarmos a
constru~ao de nossos isoladores 6pticos presentemente em const.uc;ao.
v. CONSIDERACOES FINAlS E CONCLUSOES
Nosso objetivo ate este ponto roi 0 de demonstrar que mesmo com uma estabilizac;io
primaria e possfvel obtermos resultados de razoavel qualidade, utilizando lasers de diodo em
espectroscopia de vapores atomicos. Este trabalho que aqui estamos apresentando e apenas
o ponto inicial de um trabalho mais amplo que estamos realizando, onde lasers de diodo e
"diode arrays" de alta potencia estio sendo estabilizados utilizando-se de varias tecnicas
distintas. Num artigo a ser submetido a esta revista nos pr6ximos meses mostraremos
o resultado destes trabalhos e 0 inlcio da utilizac;io destes lasers em experimentos de
manipul~io 6ptica de 'tomos e espectroscopia de alta resolu~io onde estabiliz~io com
variac;Oesinferiores a 1 MHz sio necessa.rias.
Gostariamos de agradecer ao Dr. Antonio Carlos Bordeaux Rego e colegas, do CPqD
da Telebras por suges,tOes,fornecimento de lasers e emprestimo do visor de infra-vermelho.
Gostarfamos tambem de agradecer a Reginaldo de Jesus ?\apolitano pela leitura critica
ao texto, e a Gilberto Victorino pelo apoio tecnico. Trabalho apoiado pela FAPESP,
Fund~io Banco do Brasil e FINEP.
1. Schifer, F .P. (Ed.), "Dye-lasers", Spring-Verlag, Berlin (1973).
2. Normalmente lasers de corante operando em regime pulsado sio de opera~ao mats fa.cil
e menos custosos.
3. Case:r, H.C. and Panish, M.B., "Heterostructure lasers, Part B: Materials and Operating
Characteristics (NY, Academic Press).
4. Ikegami, T., IEEE J. Quantum Electron. OE-8, 470 (1972).
16
5. Botts, D., J. Opt. Comma 1, 42 (1980).
6. Veja liata de fabricantea na Revista Photonics Spectra n, 89 (1984).
7. Aiki, K., Nakamura, M., Kuroda, J., lto, R.t Chinone, N. and Maeda, M., IEEE Quant.
Electron. QE..14, 89 (1978).
8. Paoli, T.L., IEEE J. Quant. Electron. QE-11, 489 (1975).
9. Fleming, M.V. and Mooradian, A., Appl. Phys. Lett. 38, 511 (1981).
10. Vahala, K., Harder, Ch. and Yariv, A., Appl. Phys. Lett. 42,211 (1983).
11. Esquemas semelhantes si.o usados por C. Salomon"(ENS - Paris), C. Wieman (Univ.
of Colorado) e L. Hollberg (NIST - Boulder - CO).
12. Bolger, B. and Diels, J., Phys. Lett. A 28, 401 (1968).
13. Siahatgas, S. and Hochuli, U.E., IEEE J. Quant. Electron. QE..5, 295 (1969).
14. Veja sobre esta tecnica por exemplo:
- Corney, A., "Atomic and laser spectroscopy" (Oxford), 1977, Clarendon Press.
- Bagnato, V.S., "Espectroscopia atomica e manipu]~io 6tica de atomos", In: II
Escola Jorge Andre Swieca em 6tica Quantica e Nao Linear, Sio Carlos, 15 - 26 de janeiro
de 1990.
15. Bori, B., Kitayama, Y., Kitano" M., Yabuzaki, T. and Ogawa, T., IEEE J. Quant.
Electron. QE..19, 169 (1983).
FIG. 1 - Esquema de um laser de diodo de heteroestrutura dupla, com a regiio ativa
composta de AI.Gal_.As, entre duas camadas de AIsGal_.As.
FIG. 2 - Geometria do feixe laser emitido, mostrando sua divergencia diferenciada
nas duas dir~Oes do meio ativo.
FIG. 3 - Perfil de intensidade a.o longo das direc;Oesparalela e perpendicular ao plano
do meio ativo.
FIG. 5 - Espectro de um laser de diodo obtido numa cavidade analisadora, mostrando
os modos principais.
FIG. 6 - Curvas caracteristicas para 0 laser de diodo HL 780 mostrando varia<;ao do
comprimento de onda para vari~ao de corrente e temperatura.
FIG. '1 - Dependencia dos modoE como fun<;a.oda corrente injetada no laser. 0
grafico ainda !I"lostra as regiOes de constante sintonia sem haver pulos do modo.
FIG. 8, - Dependencia do comprimento de onda com a temperatura mostrando
e5trutura sernelhante a Fig. i.
do comprimento de onda com os parametros temperatura e corrente. Os pa.amares
representam regi6es estaveis.
1SERVIC;:O DE .B.iBLiOTECA E I~FO;U\i\A~AO - IFose I
_ FJ SIC A- - - - - - - . --
FIG. 17 - Esquema do arranjo experimental para espectroscopia simples de vapor de
Rubidio'.
FIG. 18 - Fluorescencia dos atomos de Rb como func;ao da corrente de injec;i.o (ou
frequencia) .
FIG. 19 - Diagrama de niveis para os dois isotopos do atomo de Rb. Mostra-se a
estrutura hiperfina com as posiC;Oesrelativas das linhas.
FIG. 20 - Montagem experimental para obsen~i.o de absoM;aosaturada em vapores
de Cs.
FIG. 21 - (a) Espectro mostrando a fiuorescencia do vapor de Cs. (b) Espectro
mostrando efeito da absorc;io saturada do vapor de Cs na configu~ao mostrada na Fig.
20.
FIG. 23 - (a) Obsen~a.o da fiuorescencia de vapor de Cesio das transic;Oesque
iniciam no estado 81/2 (F = 3). (b) Efeito de satura.c;aona fiuorescencia mostrada no
espectro da Fig. 23(aL
I1.0
I \10 0.8 I \ \ ___ OJ.I
I0.6 I \I \
0.4 I \\
I0.2 /
./;'
"";'
-40 -20 0 20 40 60(G ro us)
.•....J. '''). ~ I; • I :- -I.'
CARACTERISTICA DO LASER DE 01000 (780nm)
T = 16°CI = 51 mA""-
2 - I=48 mA--.0.:::J-
UJa« I=45mA-a- I -(J)
zUJI-Z
o775
I I I
779 783
COMPRIMENTO
\..\ I
787DE ONDA
I I
791(nm)
I =55 mA-T= 17.9°C
T=13.6°C-
-.0.:::J-
UJ 2 -a«a-(J)
zUJl-
Iz -
o775
~.\ \ I
COMPRIMENTO DE ONDA(nm)~."-'--'- QSC]--~-~---~-CAf. lNfORMA':;~O - If
IStRVI<;:O DE BIBLlOH -flSICA ---
- _ .. - - _. - - --- -- - - -- - --
CARACTERISTICA DO LASER HLP 1400 (3)
T : 17°C
,... -I
I/
/.',....'I
/IIIIII
//I
//
//--j•• ,. al -
95 105 115CORRENTE (mA)
1 . i: \)
~ ~)'-. -. /
CARACTERISTICA DO LASER HLP 1400 (3)I= 101mA
I/
/II
• ..J
e:to 8522owoo••••ZlJJ~-a:::a.:Eo(,)
r •II
/I
/I
//I
//
//
.,J850 -
15 19 21TEMPERATURA (OC)
I ;... ;; I i I'
,i
CD Loser ® Supo rte do tronslodor
® Suporte do loser <V 8050
® Reservato'rio ® Peltier
@ Objetivo do microsco'pio ® Termistor
® Sistema de tronslo~ao
®
," I I',,'I \J \' 1 Ii",' l
.
FONTE DE
BATERIA ALIMENTACAO LASERECONTROLADOR
CONTROLADORTEMPERATURA
,l \.;-'/' I I ~ , i
f r : i• I •...~
FONTE DEALIMENTACAO
-C IRCUITO SENSOR CIRCUITO CIRCUITO DE
AMPLIF.POTENCIA(ESCOLHA TEMP,) PIO
PELTIER
DIFEREN_CIAL
+ISV- .
'ALIMENTACAO
AMPLIFICADOR II BUFFER II
INSTRUMENTACAOFILTROPASSA BAIXO
GANHO(1-2000)
GANHO FINO~ 20%
SINALCONTROLE
01000 ZENERPARA L1MITAR ASTE NSOES MAX IMAS (:t)
- APLICAoAS AO PELTIER
TRANSISTORES
DEPOTENCIA
-v p
f-/ .,- /.-.' c..)
FUS(VEL DEPROTECAO
-.0 2:J Ir-UJ0<t0-(J)
ZlJJ I..-z
85Rb
o45.4 45.6 46.2 46.6 47.0 47.4 47.6 48.2
FREQUENCIA ,0.249 mAGHz
CORRENTE APLICADA NO LASER {mAl
----..- ~
ENERGIA (MHz) ---F=3(194.0)
IF:4 (l00.2J
120.7
+F:3(-20.5163.4
• F=2(-83.8)fF:IHI3.ll
780.1 nm
1 ENERGIA (GHz)
-,-- F=3(1.265)
3.0357
~F=2H.7711
85Rb, 1=5/2, 720/0
-1~F=2 (-73.0)
157.1
+F=II-230:2l72.3
t F=0(-302.5}
5SI;;f6.8347
_____ ~ F=...I.1:-4.3521
81Rb, 1=3/2,28 0/0
r--- /I"f•.- ,r- 'j
- 120 MHz. 0.764 I I0. em::J-W0<X: 0.5420-(J)
ZlJJ•••z 0.321
1.633 ' . , ~.I \oj-
120 MHzI I
- em0 1:453::J
. L3-w L1 L2I
0 Iex: 1.272 I I0 I' I
I-(J) I Izw Ito- Iz 1.092
0.09999.40
CORRENTE (mA) -- FREQUENCIA
0.91199.40
CORRE:'~TE (mfd c.
• FREQUENCIAr SERVICO DE BIBLIOTECA EI;7fO'R't~iA(),o.:. iFQscl1
.oj; IF:4
1 ~
F:~ .1 1
\. F:2 J,-=I
I II
I
I I I F=4/
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/
,,F=3
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