用于原子冷却和俘获的衍射受限1瓦紧凑型可调谐二极管激光器

智能文字提取功能测试中

用于原子冷却和俘获的衍射受限1瓦紧凑型可调谐二极管激光器摘要自从引入中性原子激光冷却技术以来，增强具有优异光谱和空间质量的高功率激光一直是一个重要的研究课题。我们报道了一种在外腔中直接使用高功率激光二极管的新原理。非常紧凑的设计提供高达1W的输出功率和光束质量（M2＜1.2）。单模光纤的耦合效率超过60%。中心波长可以在775nm和785nm之间调谐。该激光器工作于单模，无模式跳变调谐范围高达15GHz，无电流调制，侧模抑制优于55dB。为了证明中性原子冷却的适用性，我们使用该激光器作为光源生产了超过一百万个87Rb原子的BEC。关键词：外腔激光器，可调谐激光器，二极管激光器，激光二极管，玻色-爱因斯坦凝聚态，BEC，大功率二极管激光器，ECDL，衍射限制，铷吸收。1. 简介强大的窄线宽激光源的出现使冷原子实验发生了革命性的变化。在此，我们展示了一种采用高功率锥形激光二极管的新型外腔二极管激光器（ECDL）。该系统大大地简化了实验设置，同时将可用的激光功率提高到1W。在外腔配置中直接使用高功率激光二极管结合了这些二极管的高功率与外腔的优点：在MHz范围内的窄线宽和大于20nm的良好波长可调谐性，以及易于使用和小尺寸。这使得该系统很好地替代了常见的主从式激光系统。图1显示了我们的高功率外腔示意图。图1.Littrow构型中的外腔原理。光栅的一阶被反射回二极管中以构建谐振器。光从二极管的背面耦合出来。波长调谐是通过移动光栅来实现的。在这种设计中，从LD的抗反射涂层前端面发射的辐射被准直，并在利特罗角下照射到全息光栅上。以一阶衍射的光被反射回LD以建立腔。从后端面耦合出的光用于实验。波长变化是通过倾斜和平移光栅来实现的。在“常规”Littrow配置下，可用光从光栅耦合出去，而不是从激光二极管的后端面耦合出去，因为该端面通常覆盖在激光二极管支架上。这样的外腔二极管激光器（ECDL）设计有几个缺点：为了实现高输出功率，需要以低效率模式操作光栅。光栅对P偏振光具有90%的高反射率，对S偏振光具有10%的低反射率。当将光栅用于高功率ECDL时，这导致TE和TM发射之间的差的偏振比。此外，这种未优化的谐振器质量导致大约40dB的差的侧模抑制。这种设计的另一个缺点是出耦合激光束的光束走行。在30 GHz波长扫描期间，即使在光栅上连接了光束校正镜，也会出现高达10µm的平行位移。这导致稳定性方面的严重问题，例如当耦合到单模光纤或放大级时。我们的新设计使用二极管激光芯片的背面将激光耦合出系统。这有很多优点：我们能够设计出高质量的外腔，因此不再需要妥协。现在通过空腔改善了偏振比，并且典型值远高于1:200。激光系统的侧模抑制已经显著改善，典型值为55dB或更好。总调谐范围以及无模式跳变调谐范围也得到了显著改善，并且当通过调节光栅角度来改变波长时不再存在光束走步。除了780nm和785nm，我们还测试了735nm、795nm、810nm、970nm、1010nm和1060nm的其他波长范围，其他波长区域正在研究中。这些结果在其他地方显示。所提出的大多数结果是用可在775nm和785nm之间调谐的激光器测量的。2. 结果和讨论我们的设计非常紧凑，在780nm左右可提供高达1W的输出功率。在本节中，我们报道了对这种高功率激光系统最重要特性的研究。我们讨论了高功率激光器的空间光束质量、侧模抑制、线宽和调谐行为。此外，我们还进行了aBEC实验，这表明这种高功率ECDL非常适合这类实验。1.1光谱行为外部谐振器中激光二极管的总可用调谐范围由其增益分布决定。在具有抗反射涂层的前端面的情况下，可以通过从775nm到785nm的光栅调谐来调谐高功率锥形二极管，来自后端面的输出功率高于1W，侧模抑制优于55dB。图2显示了57 dB的侧模抑制，我们可以在780nm处实现，用光栅光谱仪（ANDO AQ6315A）进行分析。我们测量到，超过95%的发射功率在激光线内，只有大约5%是由于自发发射背景，通过使用滤光器可以进一步降低自发发射背景。如图3所示，在激光腔前面使用定制的干涉滤波器，我们将侧模抑制提高到70 dB以上。由于该滤波器被设计用于785nm而不是780nm，因此ECDL被调谐到该波长。图2.我们的ECDL的光谱，侧模抑制为57 dB，输出功率为1 W，波长为780 nm。         图3.ECDL的频谱与滤波器一起，在780nm处产生70dB的侧模抑制和0.8W的输出功率。由于所用分析仪系统的光谱分辨率有限，所以峰值较宽。通常，例如，对于光谱应用，特定波长下的无模式跳变调谐范围比总调谐范围更重要。为了表征无模跳调谐范围，将总光功率的几mW引导到自由光谱范围为8GHz的扫描Fabry-Perot干涉仪（Burleigh，FPI-SA-91）中。激光器的波长调谐可以通过用压电器件倾斜光栅或改变LD电流来实现。通过同时改变光栅角度和LD电流，可以极大地扩大总模式无跳调谐范围。在这里，我们展示了仅调整光栅的更一般情况下的调谐范围。在这种情况下，在没有额外电流调制的情况下，通过用压电致动器调谐外腔光栅来实现约15GHz的无模式跳变调谐。使用简单的电流补偿，该值可以加倍。图4.扫描FP腔的传输，用于在激光器的15GHz扫描期间监测mode-hope free模式操作。可见FPI的三种纵向模式。我们使用扫描法布里-珀罗干涉仪（FPI）检查了我们的激光器在15GHz扫描期间的无模式希望调谐行为，见图4。在通过压电致动器调谐激光器的同时，我们观察到了这种FPI的单模频率的变化。压电致动器的调谐速率为0.2nm/100V。图5.电流偏置三通调制的频率响应函数。此外，可以通过以67MHz/mA的速率和高达100MHz的调制频率改变电流来调谐激光器。图5显示了偏置三通的频率响应函数，即激光电流的调制除以所施加的调制电流作为调制频率的函数。偏置T形允许对频率在300kHz和100MHz之间的激光电流进行直接调制。1.2. 梁轮廓为了获得良好的光束轮廓，在准直和优化激光配置的同时，通过CCD相机（相干，LaserCam II–1/2）分析来自后端面的光。图6展示了我们的高功率激光器的光束轮廓。图6.具有M2＜1.2的ECDL的光束轮廓。快轴在水平面上，而慢轴在垂直面上。光束几乎是圆形的，在50厘米的距离处，慢轴直径约1.5毫米，快轴直径约1.8毫米。用光束分析仪（Coherent，ModeMaster）测量，M2因子在两个方向上都优于1.2。利用这种线性高斯光束，可以在780nm的单模光纤中实现高达60%的耦合效率。1.3线宽ECDL的线宽主要由声振动和电流源的注入电流噪声决定。声学振动扰动以10s的时间尺度存在，而注入电流噪声可在10ms的时间范围内确定。对于高分辨率光谱或激光冷却，小线宽是必不可少的。为了保持线宽尽可能小，我们使用ECDL进行了超低噪声激光二极管电流源，并将孔设置在光学台上。我们通过使用Littman激光系统的外差实验确定了该激光系统的线宽，该激光系统在1ms内具有低于500kHz的已知线宽。图7.1毫秒扫描时间内的线宽：1 MHz。这里显示了三个独立的扫描。分辨率带宽：100kH。图8.20毫秒扫描时间内的线宽：<5 MHz。这里显示了三个独立的扫描。在图7和图8的下部，显示了三个独立测量的差拍信号，它们对应于最佳、正常和最坏情况（从左到右）。将这些测量值线性化（上部），以确定FWHM线宽。考虑到Littman ECDL的测量线宽（500kHz），高功率ECDL的线宽在1ms扫描时间（100MHz/ms）内低于1MHz（图7），在20ms扫描时间内低于5MHz（图8）。为了达到这种无源稳定性，我们开发了一种超低噪声3A电流源。这些测量结果证明了我们的超低噪声A电流源的性能。我们的高功率激光器的确定线宽与低功率ECDL的线宽相当。1.4. 可调谐性为了检查高分辨率光谱所需的调谐行为，通过简单的吸收实验测量了铷的吸收光谱。使用扫描速率高达1kHz的压电致动器将激光波长调谐到780nm左右，可以很容易地获得铷的吸收线，如图9所示。这种简单的测量表明，即使在快速调谐波长时，外差实验测量的线宽也很小。图9.铷的吸收曲线。此外，这显示了在以1kHz的速率调谐时良好的单模调谐行为。在紧凑的设置中，高功率和可调谐性相结合，提供了这种激光系统可用于各种应用的潜力。例如，这样的激光器应该非常适合差频产生——高分辨率光谱的光源。此外，铷的测量显示了该激光系统在原子冷却或冷原子实验中的高潜力。1.5长期稳定性激光二极管的支架已针对热稳定性进行了优化。因此，大功率二极管被焊接到镀金的铜准直器中，该准直器是专门为高导热性而设计的。激光器安装在表面温度低于28°C的质子泵散热器上。图10显示了自由运行的高功率ECDL的波长漂移的测量结果。使用具有300MHz分辨率的波长计（Burleigh，WA 1000）进行测量。在测量时没有对该激光器施加波长稳定。这些数据表明，由于良好的热管理，具有良好的长期稳定性。图10.自由运行激光的波长。高功率ECDLen的热管理确保了在30小时的测量时间内漂移低于2 GHz。1.6冷原子实验中的高功率二极管激光器磁阱中的玻色-爱因斯坦凝聚实验需要在非常低的温度下进行大的原子样品。这些可以通过磁光阱（MOT）提供，随后通过光学糖蜜进行冷却。MOT和糖蜜需要百毫瓦范围内的激光强度，线宽小于几兆赫。此外，对于糖蜜阶段，激光器必须快速调谐约30MHz。MOT设计中的一个关键因素是可用的激光功率。更高的可用激光功率允许更大的光束直径，从而允许更大捕获体积；即更多被捕获的原子。此外，空间分布必须很好地定义，因为光束之间的任何不平衡都会导致原子被光加速。我们使用单模光纤对光进行空间滤波，并使激光系统与最终的振动解耦。我们的实验最初被设计为使用我们实验室开发的宽面积二极管激光系统进行操作，该系统能够通过相当大的实验努力将约120 mW的亚兆赫线宽传输到单模光纤中。这使我们能够构建半径为8 mm的1/e2六束MOT。在AMOLF，我们专注于接近流体动力学极限的量子气体的物理，因此需要大的原子数。像大多数冷原子实验一样，我们在磁光阱（MOT）中预冷原子。MOT由2D+-MOT加载，每秒提供5x109个原子的通量。我们可以在几秒钟内装载大约1.2x1010个原子。糖蜜冷却后，温度约为40µK，具体取决于实验条件。在转移到磁阱后，我们在50µK下有几次109个原子，在蒸发冷却后，在500 nK下的Rb冷凝物中发现约有100万个原子。冷却激光器在阿姆斯特丹BEC实验中的应用光学设置如下。我们将来自高功率激光器的约120mW耦合到单模光纤中，从而导致MOT光学器件。耦合效率提供了对最大MOT功率的控制。安装在继电器上刀片充当电磁控制的光学快门。我们将大约1毫瓦耦合到偏振保持50/50光纤分路器的一个臂中，另一个臂接收来自主激光器的光。然后，可以使用简单的频率偏移锁定来控制激光器的频率。图11显示了两个激光器之间的非典型节拍。高功率激光器的频率可以在一毫秒内切换超过30MHz，这是至关重要的，例如当从MOT切换到糖蜜冷却时。图11.功率激光器与其参考激光器之间的跳动音符。频谱分析仪的分辨率带宽设置为30kHz，视频带宽设置为100Hz。参考激光器的线宽低于300kHz（FWHM）。因此，我们可以得出结论，如果用光栅的反馈回路进行稳定，功率激光器的FWHM线宽约为1.6MHz。为了增强系统在有时嘈杂的实验室环境中的稳定性，我们将高功率激光器放置在铝制盒子中的面包板上。橡胶脚将盒子与桌子的振动隔离开来，面包板与盒子隔离开来。晚上，当我们关闭所有激光器时，我们电阻式加热面包板，以减少高功率激光二极管的热负载导致的面包温度波动。现在，激光器在打开后半小时内即可工作，并一次锁定数小时（即使一把大扳手掉在光学台上），只需要很少对激光器电流进行微小调整。总之，这种紧凑、光栅稳定的高功率激光器大大地简化了我们的激光器的设计，并提高了其可靠性：高功率激光器可以使用对参考激光器的简单偏移锁定进行频率控制，而无需声光调制器和注入锁定二极管激光器。3.结论我们报道了一种在外腔中使用高功率激光二极管的新原理。非常紧凑的设计提供高达1W的输出功率和在两个方向上M2＜1.2的出色光束传播因子。该激光系统在MHz范围内具有较小的线宽，并且在不需要额外电流补偿的情况下可调谐约15GHz而没有模式跳变。我们还在BEC实验中证明了激光系统的高性能。这项研究是关于ECDL作为放大激光系统的一种成本效益高的替代品的高潜力。激光系统的照片如图12所示。图12.激光系统照片