Tunable Single-frequency operation of a diode-pumped Vertical-External Cavity Laser at the Caesium D2 line

International audienceWe report on a diode-pumped vertical external-cavity surface-emitting laser emitting around 852 nm for Cesium atomic clocks experiments. We have designed a 7-quantum-well semiconductor structure optimized for low laser threshold. An output power of 330 mW was achieved for 1.1 W of incident pump power. Furthermore a compact setup was built for low-power single-requency emission. We obtained an output power of 17 mW in a single longitudinal mode, exhibiting both broad (9 nm) and continuous (14 GHz) tunability around the Cesium D2 line. The laser frequency has been stabilized on an atomic transition with residual frequency fluctuations ~ 300 kHz. Through a beatnote experiment the -3 dB laser linewidth has been measured to < 500 kHz over 10 ms

COMPACT AND ROBUST SINGLE-FREQUENCY DIODE-PUMPED VECSEL AT THE CESIUM D2 LINE FOR ATOMIC CLOCKS

This work reports on an optically-pumped vertical external-cavity surface­emitting laser emitting around 852 nm dedicated to atomic physics experiments with cold Cs atoms. The design of the semiconductor active structure has been optimized to provide a low threshold. A low-power diode-pumped compact prototype has been developed with improved stability. With this setup, we obtained a 17-mW single frequency emission exhibiting large tunability around the Cesium D2 line. The laser linewidth has been measured to less than 500 kHz on a 10 ms time

Single-frequency diode-pumped semiconductor laser tuned on a Cs transition

Diode-pumped semiconductor lasers have already demonstrated high powers in circular diffraction-limited output beams and single-frequency laser emission. Our work is focused on the design of a laser structure suitable for Cesium (Cs) atomic clock experiments that could merge both properties

Lasers à semiconducteurs pompés optiquement : Conception et Caractérisation d'une source monomode pour la manipulation des atomes de Césium

Lasers currently used in atomic clocks or inertial sensors are suffering from a lack of power, narrow linewidth or compactness for future spatial missions. Optically pumped semiconductor lasers, which combine the approach of classical solid state lasers and the engineering of semiconductor laser, are considered here as a candidate to a metrological laser source dedicated to the manipulation of Cesium atoms in these instruments. These lasers have demonstrated high power laser emission in a circular single transverse mode, as well as single longitudinal mode emission, favoured by the semiconductor structure and the external cavity design. We study the definition and the characterization of a proper semiconductor structure for the cooling and the detection of Cesium atoms at 852 nm. A compact and robust prototype tunable on the Cesium D2 hyperfine structure is built. The laser frequency is locked to an atomic transition thanks to a saturated absorption setup. The emission spectral properties are investigated, with a particular attention to the laser frequency noise and the laser linewidth. Finally, we describe and model the thermal properties of the semiconductor structure, which enables the simulation of the laser power characteristic. The experimental parameters are optimised to obtain the maximum output power with our structure. Thanks to our analysis, we propose several ways to overcome these limitations, by reducing the structure heating.Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux

Lasers à semiconducteurs pompés optiquement (conception et caractérisation d'une source monomode pour la manipulation des atomes de Césium)

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.Lasers currently used in atomic clocks or inertial sensors are suffering from a lack of power, narrow linewidth or compactness for future spatial missions. Optically pumped semiconductor lasers, which combine the approach of classical solid state lasers and the engineering of semiconductor laser, are considered here as a candidate to a metrological laser source dedicated to the manipulation of Cesium atoms in these instruments. These lasers have demonstrated high power laser emission in a circular single transverse mode, as well as single longitudinal mode emission, favoured by the semiconductor structure and the external cavity design. We study the definition and characterization of a proper semiconductor structure for the cooling and the detection of Cesium atoms at 852nm. A compact and robust prototype tunable on the Cesium D2 hyperfine structure is built. The laser frequency is locked to an atomic transition thanks to a saturated absorption setup. The emission spectral properties are investigated, with a particular attention to the laser frequency noise and the laser linewidth. Finally, we describe and model the thermal properties of the semiconductor structure, which enables the simulation of the laser power characteristic. The experimental parameters are optimised to obtain the maximum output power with our structure. Thanks to our analysis, we propose several ways to overcome these limitations, by reducing the structure heating.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Single-frequency diode-pumped semiconductor laser tuned on a Cesium transition: frequency stability and linewidth study

International audienceSingle-frequency diode-pumped semiconductor laser tuned on a Cesium transition: frequency stability and linewidth stud

Narrow-linewidth UV laser source at 257 nm (orale)

International audienc