UNIVERSIDADE DE SO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
Sistema de laser de diodo de cavidade estendida para
padres de frequncia
JAIR DE MARTIN JUNIOR
Orientador: Prof. Dr. Daniel Varela Magalhes
So Carlos
2013
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JAIR DE MARTIN JUNIOR
Sistema de laser de diodo de cavidade estendida para
padres de frequncia
Dissertao apresentada Escola de
Engenharia de So Carlos da Universidade de
So Paulo, com parte dos requisitos para a
obteno do ttulo de Mestre em Engenharia
Mecnica . rea de concentrao: Dinmica
de Mquinas e Sistemas.
Orientador: Prof. Dr. Daniel Varela Magalhes
So Carlos
2013
ESTE EXEMPLAR TRATA-SE
DA VERSO CORRIGIDA.
A VERSO ORIGINAL
ENCONTRA-SE DISPONVEL
JUNTO AO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECNICA DA
EESC-SP
AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
De Martin Junior, Jair D11s Sistema de laser de diodo de cavidade estendida
para padres de frequncia / Jair De Martin Junior;orientador Daniel Varela Magalhes. So Carlos, 2013.
Dissertao (Mestrado) - Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica e rea de Concentrao emDinmica de Mquinas e Sistemas -- Escola de Engenhariade So Carlos da Universidade de So Paulo, 2013.
1. Laser . 2. Laser de diodo de cavidade estendida. 3. Padres de frequncia. 4. Metrologia. I. Ttulo.
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Dedico este trabalho minha
familia e Deus
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Agradecimentos
Deus, por iluminar meu caminho todos os dias, ajudando-me a conquistar essa grande
vitria.
Ao meu orientador Prof. Dr. Daniel Varela Magalhes pela confiana em mim depositada
durante os 2 anos de mestrado, alm da orientao tornou-se um grande amigo.
Aos meus colegas de laboratrio, pelo companherismo e bom ambiente de trabalho.
A pesquisadora Stella Mller pelo apoio no desenvolvimento do meu projeto.
Aos meus amigos do LIEPO e LAT pelo grande apoio no desenvolvimento do meu projeto e
pela grande amizade.
Aos meus amigos do Grupo de ptica pela ajuda e companherismo.
Aos meus amigos da oficina mecnica do Institudo de Fsica pelo bom trabalho realizado na
caixa do laser.
Ao Cloves, pelo grande apoio na formatao da minha dissertao.
Ao Andrez, pelas aulas de fsica quntica.
Aos meus pais Jair De Martin e Susette de Cassia Beil De Martin e irmos: Joo Paulo De
Martin e Michelle De Martin, pela confiana, amor e apoio nos momentos mais difceis.
A meus avs Evilsio De Martin(in memoriam) e Antnia Galiardi De Martin (in memoriam)
pelo carinho e valor que em mim depositava.
A minha futura esposa Silmara da Silva Dias e meu filho Miguel Dias De Martin pela
confiana, amor, inspirao e motivao, nos quais foram essnciais para meu mestrado.
Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo (FAPESP) pelo apoio financeiro
pessoal.
Ao apoio financeiro das agncias, CAPES, CNPq e CePOF-FAPESP ao projeto.
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Talvez no tenha conseguido fazer o melhor, mas
lutei para que o melhor fosse feito. No sou o que
deveria ser, mas Graas a Deus, no sou o que era
antes.
Marthin Luther King
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Resumo
MARTIN JR, J. (2013). Sistema laser de diodo de cavidade estendida para padres de
frequncia. Dissertao de Mestrado, Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de
So Paulo, So Carlos.
Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver uma nova fonte de laser de diodo
compacta e robusta, alm de um novo drive de controle para serem utilizados em padres
primrio de tempo e frequncia tipo chafariz de tomo de Csio e padres compacto baseados
em tomos frios. Um dos requisitos para utilizao de laser de diodo em padres primrios de
tempo e frequncia sua estabilidade em frequncia e baixssimo rudo espectral. Alm disto,
dada aplicao embarcada, o laser deve ser extremamente robusto com relao s condies
adversas: mecnicas, trmicas e eltricas. Tanto a parte optomecnica, quanto os controles
eletrnicos do novo laser foram desenvolvidos neste trabalho. Vale salientar que tal sistema,
em sua concepo, de grande interesse para diversos outros tipos de aplicao, como
espectroscopia de gases (LIDAR), referncias em outras frequncias e experimentos de fsica
atmica e molecular, que possuem elevados nveis de exigncia com relao a rudos
espectrais.
Palavras chaves: Laser, Laser de diodo de cavidade estendida, Padres de frequncia,
Metrologia.
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Abstract
MARTIN JR, J. (2013). Extended cavity diode laser system for primary frequency standards.
Masters Dissertation, Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So
Carlos.
This work has as main objective to develop a new source of diode laser compact and robust,
beyond a new drive control for use in primary of time and frequency standards type cesium
atom fountain and compact standards-based cold atoms. One of the requirements for the use
of diode laser in primary of time and frequency standards are their stability in frequency and
are very low spectral noise. Furthermore, given the embedded application, the laser must be
extremely robust with respect to adverse conditions: mechanical, thermal and electrical. Both
opto-mechanical part, as the electronic controls of the new laser were developed in this work.
It is noteworthy that such a system, in its conception, is of great interest to many other types
of applications such as spectroscopy of gases (LIDAR), references in other frequencies and
experiments of atomic and molecular physics, which have high levels of demand with respect
to spectral noise.
Key word: Lasers, External Cavity Diode Laser, Frequency Standards, Metrology.
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Lista de Figuras
Figura 1: Diagrama genrico para um Padro de frequncia atmico. ................................... 35
Figura 2: Sistema de vcuo de um padro de frequncia tipo chafariz. .................................. 36
Figura 3: Viso geral do laboratrio. ...................................................................................... 36
Figura 4: Mesa ptica do padro de frequncia tipo chafariz. ................................................ 37
Figura 5: Diagrama da mesa ptica do chafariz atmico (Alves, 2012). ................................ 38
Figura 6: Diferena entre um esquema espacial e temporal de um padro de tempo e
frequncia (Mller, 2010). ........................................................................................................ 39
Figura 7: Esquema de funcionamento de um padro de frequncia compacto (Mller, 2010).
.................................................................................................................................................. 40
Figura 8: Mesa ptica do padro compacto. ........................................................................... 41
Figura 9: Diagrama da mesa ptica do padro compacto. ...................................................... 41
Figura 10: Comparao do tamanho de um laser com uma moeda (WIKIPDIA). ............... 43
Figura 11: Cavidade de um laser de diodo .............................................................................. 44
Figura 12: Princpio de funcionamento de um laser de diodo (Cepof - IFSC). ...................... 44
Figura 13: Potncia de sada versus corrente eltrica. ............................................................ 45
Figura 14: Modos Longitudinais de laser de diodo. 1 Curva do ganho do laser; 2 Modos
longitudinais de um laser de diodo livre; 3 Modos longitudinais de um laser de diodo
montado em uma cavidade estendida; 4 Resposta espectral de um elemento seletor de
comprimento de onda. .............................................................................................................. 48
Figura 15: Laser com cavidade estendida em configurao de Littrow (Rp-Photonics) ........ 49
Figura 16: Laser com cavidade estendida em configurao de Littman (Rp-Photonics)........ 50
Figura 19: Cavidade estendida com filtro de interferncia (Baillard et al., 2006). ................. 50
Figura 17: Configurao Littrow. 1- Laser de diodo; 2
