封面展示了507.4 nm綠光通過蝶形諧振倍頻腔獲得253.7 nm深紫外激光的過程。深紫外激光通過雙色分光片輸出，用于汞原子的激光冷卻裝置（磁光阱）。汞原子激光冷卻須長時間連續(xù)運(yùn)行，對深紫外激光的頻率穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性和連續(xù)運(yùn)行能力提出了很高的要求。該系統(tǒng)結(jié)合了轉(zhuǎn)移腔穩(wěn)頻、光學(xué)鎖相、光纖激光放大、周期極化晶體單通倍頻和CLBO晶體的外腔諧振倍頻等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了253.7 nm深紫外激光的低噪聲、較高功率的長期穩(wěn)定輸出。

一、背景介紹

隨著量子操控手段的不斷豐富，在激光冷卻等原子操控實(shí)驗(yàn)中，深紫外激光得到越來越多的應(yīng)用。相較于以鐿原子和鍶原子為參考的光晶格鐘，汞原子具有更低的黑體輻射頻移和簡單的鐘頻躍遷超精細(xì)結(jié)構(gòu)等獨(dú)特優(yōu)勢，也是目前能夠被激光冷卻的最重的元素。在汞原子光晶格鐘研究中，用于激光冷卻的1S0-3P1躍遷波長為253.7 nm，線寬為1.27 MHz，需要用100 mW的深紫外連續(xù)激光功率來實(shí)現(xiàn)激光冷卻，這意味著要將紅外激光四倍頻才能獲得。另外，在鐘躍遷頻率探詢中，探測光的強(qiáng)度噪聲會被引入到鐘頻探測中，導(dǎo)致鐘頻探測熒光信號的信噪比降低。因此，穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的低噪聲大功率的深紫外冷卻光光源尤為重要。實(shí)現(xiàn)深紫外激光并使其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大難點(diǎn)在第二級倍頻，傳統(tǒng)方法是基于BBO晶體的諧振倍頻，但是BBO晶體的走離角大、紫外吸收系數(shù)高、損傷閾值較低，難以實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)運(yùn)行。

二、創(chuàng)新工作

該工作中，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所徐震團(tuán)隊采用了CLBO晶體進(jìn)行第二級倍頻。和傳統(tǒng)的BBO晶體相比：當(dāng)波長為253.7 nm時，CLBO晶體的線性吸收系數(shù)比BBO晶體低近5倍，盡管其有效非線性系數(shù)相對略小，但其走離角要減小約3倍，因此倍頻轉(zhuǎn)換效率略微高一些。在布儒斯特角出射下CLBO晶體的s偏振波反射率更低，對于深紫外激光的輸出損耗較小；并且CLBO晶體的激光損傷閾值要比BBO晶體高1-2個數(shù)量級，不容易損傷，對于長時間連續(xù)運(yùn)行有較大優(yōu)勢。由于CLBO晶體極其容易潮解，因此，該工作將整個倍頻腔密封在一個鋁盒內(nèi)，同時CLBO晶體被控溫在150 ℃左右，并在鋁盒內(nèi)持續(xù)通入高純度氣體以降低水分子和其他有機(jī)分子對晶體的影響，提高晶體的壽命。倍頻腔采用蝶形四腔鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，CLBO晶體采用布儒斯特角入射，一個45°雙色分光片將深紫外激光耦合輸出，如圖1所示。

圖1 蝶形腔光路和整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。（a）光路；（b）機(jī)械結(jié)構(gòu)

采用轉(zhuǎn)移腔穩(wěn)頻和光學(xué)鎖相等技術(shù)，獲得了低噪聲和頻率穩(wěn)定的窄線寬種子激光器，激光頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-12，線寬小于27 kHz，在10小時的連續(xù)測量中，種子光總頻率波動小于20 MHz。通過光纖激光放大和周期極化晶體單通倍頻得到1.1 W綠光，采用PDH（Pound-Drever-Hall）邊帶穩(wěn)頻技術(shù)使得腔和激光共振后，獲得了198 mW的深紫外激光輸出，倍頻轉(zhuǎn)換效率為18%。通過光束整形和空間濾波系統(tǒng)，遠(yuǎn)場的光斑呈現(xiàn)為平滑的高斯型圓斑，相應(yīng)的光束質(zhì)量因子分別為Mx2=1.59和My2 =1.15。深紫外激光輸出具有極低的功率噪聲，在10 Hz以上小于-100 dBc/Hz，而在1 Hz最大為-90 dBc/Hz，比BBO晶體倍頻的同類型激光器要低20 dB，這主要得益于種子激光器頻率和倍頻腔PDH穩(wěn)頻的高穩(wěn)定性。

圖2 深紫外激光系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行48 h的功率變化，插圖為深紫外激光的功率穩(wěn)定度

如圖2所示，經(jīng)測試，該激光系統(tǒng)累計運(yùn)行時間超過150小時，在最后48小時的連續(xù)測量中，功率漲落峰峰值為9.8%，RMS功率漲落為3.1%，表現(xiàn)出了較好的長期穩(wěn)定性。這種高功率、低噪聲和較高穩(wěn)定性的深紫外激光系統(tǒng)可以較好地滿足汞原子冷卻實(shí)驗(yàn)的需要，并且未來會顯著提高冷原子實(shí)驗(yàn)的連續(xù)運(yùn)行能力。

三、總結(jié)與展望

經(jīng)過長時間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)深紫外光功率輸出功率仍有緩慢下降的態(tài)勢。經(jīng)診斷發(fā)現(xiàn)，損傷來源為輸出耦合鏡的損傷。今后將改進(jìn)鍍膜技術(shù)，進(jìn)一步提高輸出耦合鏡的損傷閾值，并通過電控平移結(jié)構(gòu)換點(diǎn)來進(jìn)一步提升深紫外激光系統(tǒng)的運(yùn)行能力和長期穩(wěn)定性。另外，還將通過調(diào)控激光放大器的電流來實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定，進(jìn)一步提高深紫外激光輸出的穩(wěn)定性，為汞原子光晶格鐘的連續(xù)運(yùn)行提供良好的硬件支撐和技術(shù)儲備。該方案也可用于其他的深紫外波長，在冷原子物理、高精密光譜和半導(dǎo)體檢測等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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