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 Marcel

com todo carinho

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

~"' (ZC5>homoest.rut.ura (b).

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.

(2,3)Company CGE),

(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

• (18)2.5. Modos da cavldade laser .

AA' =-n

Aiil" q = L

l~ql.IL2n tJ...')...2

Al Asy

ZModot.ransverso

paralelo

Modot.ransverso paralelo do laser de diodo.

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

1 ±15VAl iment.ac;:ao

{>--_·C?:oBuf'f"er passa baixo

GANHO FINO± 20%

PID(29)

INTEGRADOR

: LSinal SinalDERIVADOR • SOMADOR

erro r PID

PROPORCIONAL I

Vs(t.) =- KD dVE(t.)dt.

Sinal decontrole Transist.er

depot.encia

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

teoricos necessi tavam de uma confirmac;:aoexperimental, assim inicio-seI

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

_ (31)sat.urac;:ao

Esp'ect.roscopia por bat.iment.o guint.ico (32) e out.ra t.ecnica onde

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

Ni - !ni.(Vz)dVz

~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 )]

Deste modo e possivel observar 0 "dip" no perfil de absorCj:ao.

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

'""'"

""""'to"" ...... ....," .. ,

II

, I

9~' o~WIW\}

Hl'l'rw:'IMIH: (ll a )~.\ .•.-.uV .IIoJl.. "1. 633 1'--------....+-1,,,-.. ,,-,,------------------

1. 453 •

II

1. 272 ~

I.• e-n.f', 11.1\JJ~r

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--

,," ~.'' 't

.S02l ,,,'..' ',,"

.,1'

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....... ,.."..""

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. 191 96.70

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INIENSIDADE (u.a,)1.128 ~I -------- ...-.....'-.. -------~

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.734 I I''''.,,".....

,,'.,,,.,,

.'.,.....,,"",.-

",

"". ..."'''''" .... ".... , "'" ,

Ii

"".,..••",..,.,. ,.J

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

~I·...:...

1 Ii.••••iLfI U!.lO L

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II

1 Il~," ;I !Jy~ r

!

I07~ Ir ••1 U t

;

.....•............. ,.•..•..m'IM'.IIIIIII ••" ••••," ••"".

....,"",

:'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-

6t.ica (1~) ("feedback" 6t.ico) produzido por cavidades ext.ernas.

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.

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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

/P-GOAS

p-Alx Go l-xAs

p-Aly Go l_yAs

n-Alx Go l-xAs

n-Go As

AREAATIVA

,r 1'-'. -.•..•..

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.'

<:o""-~2.0Wo<:-uZIW

610a.

0.0oI

20 3~ 40 50 60Ith CORRENTE

"or \ "'I" ..i , •.'J- ./ I'

~~J t C).·---

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: \)

~ ~)'-. -. /

2 853.09e:tozoUJoo 651.86I-2lLJ:E-ct:Q.

~

8 850.63

7" .,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%

SINALERRO

SINALSOMADOR P.I.D DE

ATUACAO

SINALCONTROLE

01000 ZENERPARA L1MITAR ASTE NSOES MAX IMAS (:t)

- APLICAoAS AO PELTIER

TRANSISTORES

DEPOTENCIA

-v p

f-/ .,- /.-.' c..)

FUS(VEL DEPROTECAO

SISTEMALASER DE01000

VARREDURACORRENTE

CELULA Rb

I \

I \I \

/ \I ~

~I I~ ~\ I\ I\ I\ I\ IV

-.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

o:to\)\)rn::0

oororn»o U)o rn

;0

(')

og-0C-\"Poo::0

- 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/

//

/

,,F=3

,'.

/I

// ".".

, '.I ~1-,--, ". ../ ,~...•' \.-....-

-. 0.6020.::J-W0<t 0.4650-(J)zWI-z 0.328

0.19196.70

-c 0.931.::J-W0ex

0.7340-<f)ZLLJ••••z 0.537

CORRENTE (m A) •.

.• FREQU~NCIA

0.34096.70 96.87 97.03

CORRENTE (mA) •.

-= FREQUENCIA