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Sistema de laser de diodo de cavidade estendida para ... · PDF fileautorizo a reproduÇÃo total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou eletrÔnico, para fins

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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

i

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

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