[論文レビュー] A stable 2 W continuous-wave 261.5 nm laser for cooling and trapping aluminum monochloride

Jamie Shaw, Stephan Hannig+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Solid State Laser Technologies参考文献 46被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、1046 nmの外部キャビティ半導体レーザーを周波数4倍し、LBOおよびCLBO結晶を用いた2段階のキャビティ強化倍振動を組み合わせることで、261.5 nmの安定した2 W連続波（CW）深紫外線（DUV）レーザーを実現した。このシステムは2.75 Wの出力と19%の変換効率を達成し、アルミニウムモノクロライド（AlCl）におけるA1Π |v′=0, J′=1⟩のハイパーファイン構造の初回分光測定を可能にした。その結果、約50 MHzの線幅を持つ部分的に分解能のとれたハイパーファイン特徴が観測された。

ABSTRACT

We present a high-power tunable deep-ultraviolet (DUV) laser that uses two consecutive cavity enhanced doubling stages with LBO and CLBO crystals to produce the fourth harmonic of an amplified homebuilt external cavity diode laser. The system generates up to 2.75 W of 261.5 nm laser light with a ~2 W stable steady-state output power and performs second harmonic generation in a largely unexplored high intensity regime in CLBO for continuous wave DUV light. We use this laser to perform fluorescence spectroscopy on the $X^1\Sigma\leftarrow A^1\Pi$ transition in a cold, slow beam of AlCl molecules and probe the $A^{1} \Pi|v'=0,~J'=1>$ state hyperfine structure for future laser cooling and trapping experiments. This work demonstrates that the production of tunable, watt-level DUV lasers is becoming routine for a variety of wavelength-specific applications in atomic, molecular and optical physics.

研究の動機と目的

• アルミニウムモノクロライド（AlCl）のレーザー冷却・捕集を目的として、261.5 nmの高出力・可変周波数・連続波深紫外線レーザーの開発。
• CLBOを用いた2次高調波発生において、主に未開拓の高強度領域をカバーする安定したワット級のDUV出力を実現。
• 冷たい遅い分子ビームを用いたAlClのA1Π状態ハイパーファイン構造の高精度分光測定の実現。

提案手法

• 1046 nmの自作外部キャビティ半導体レーザー（ECDL）を2段階の共鳴強化キャビティを介して周波数4倍する。
• 1段階目では、25 mmのLBO結晶を用い、タイプI非臨界位相整合で523 nmへの倍振動を実現し、循環パワーは約220 Wに達する。
• 2段階目では、15 mmのCLBO結晶を用い、さらに261.5 nmへの倍振動を実現し、最適化されたモードマッチングと温度制御を実施。
• アナログ自動ロック回路により、100 GHz以上の周波数チューニング範囲で両キャビティを安定化。
• 商用波長計とヘリウムネオンレーザー基準のファブリ・ペロー共振器を用いて、レーザー出力をサブ-MHzの周波数分解能で安定化。
• パワー拡張を防ぐために、0.1 mW/cm²のDUVビームを用い、冷たい遅いAlCl分子ビーム上で蛍光分光測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LBOおよびCLBO結晶を用いたキャビティ強化倍振動を組み合わせることで、261.5 nmの安定的で高出力の連続波DUVレーザーを生成可能か？
• RQ2 特にCLBOの高強度領域において、261.5 nm出力の性能と安定性は、長時間運転においても維持されるか？
• RQ3 このレーザーシステムを用いて、AlClのA1Π状態ハイパーファイン構造を分解能で観測可能か？
• RQ4 AlClのA1Π状態で観測されたハイパーファイン特徴の線幅と分解能はどの程度か？
• RQ5 高結晶強度下でのUV誘発劣化は、長期間にわたる性能にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• 261.5 nmでの最大出力は2.75 Wに達し、13時間にわたる安定した定常出力として約2 Wを達成した。
• 1046 nmから261.5 nmへの全変換効率は約19%であり、2段階倍振動における高い効率を示した。
• 可視光域およびDUV域における線幅推定値はそれぞれ約2 MHzであり、高いコherenceと安定性を示した。
• AlClのA1Π |v′=0, J′=1⟩ハイパーファイン構造の初回分光測定が実施され、最も狭い特徴が約180 MHz、線幅が約50 MHzの部分的に分解能のとれたスペクトルが観測された。
• 高強度下でUV誘発劣化として回復可能な出力低下が観測され、パulses系でCLBOを用いた先行研究と整合的であった。
• 基底状態のハイパーファイン構造は分解されず、励起状態の構造も部分的にしか分解されない結果となり、自然線幅よりも未分解のハイパーファイン構造が分解能を制限していることが示された。