[論文レビュー] High-Power, Fiber-Laser-Based Source for Magic-Wavelength Trapping in Neutral-Atom Optical Clocks

William J. Eckner, Aaron W. Young+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 51被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、周期的ポーラライズドリチウムニオブ酸ガラス（PPLN）結晶を用いて532 nmおよび1550 nmのファイバーレーザー間の周波数差発生（DFG）を用いて、高出力連続波810 nmレーザー源を提示する。このシステムは、増幅自発放射（ASE）を>40 dBc/Hzで抑制し、相対的強度ノイズ（RIN）を<−120 dBc/Hzに抑えることで、1.3 Wの出力パワーを達成し、周波数不安定度が10−18未塔のストロンチウムベースの光格子時計におけるマジック波長トラップに適している。

ABSTRACT

We present a continuous-wave, 810 nm laser with watt-level powers. Our system is based on difference-frequency generation of 532 nm and 1550 nm fiber lasers in a single pass through periodically poled lithium niobate (PPLN). We measure the broadband spectral noise and residual intensity noise to be compatible with off-resonant dipole trapping of ultracold atoms. Given the large bandwidth of the fiber amplifiers, the output can be optimized for a range of wavelengths, including the strontium clock-magic wavelength of 813 nm. Furthermore, with the exploration of more appropriate nonlinear crystals, we believe there is a path toward scaling this proof-of-principle design to many watts of power, and that this approach could provide a robust, rack-mountable trapping-laser for future use in strontium-based optical clocks.

研究の動機と目的

• 中性ストロンチウム原子のマジック波長トラップに適した、耐障害性があり高出力で連続波の810 nmレーザー源を開発すること。
• 強度ノイズとスペクトル不純物を最小限に抑えることで、光格子時計の厳しい要件を満たすこと。
• ポータブルおよびラボベースの光格子時計に使用可能な、スケーラブルでファイバーレーザー駆動のTi: Sapphireレーザーの代替手段を提示すること。
• 分光純度と低ノイズを維持したまま、今後のマルチワット出力へのスケーリングを可能にすること。

提案手法

• 532 nmポンプと1550 nmシグナルレーザーを用いて、周期的ポーラライズドリチウムニオブ酸ガラス（PPLN）結晶で単パス周波数差発生（DFG）を実行し、810 nmの光を生成する。
• 532 nmポンプレーザーは最大10 Wの出力を発揮し、線幅は<200 kHz以下である。1550 nmシグナルは、単一周波数レーザーでシードされたエルビウムドープファイバーエンハンスドアンプ（EDFA）によって供給される。
• DFGプロセスはBoyd-Kleinman理論を用いてモデル化され、変換効率は式 P1 = (4lω²₁k²k³d²_eff πε₀(k₂+k₃)n₁n₂n₃c³ h(µ,ξ)P₂P₃ を用いて推定される。
• アイドル出力を分離・特徴付けるために偏光ビームスプリッター（PBS）と単モードファイバーが使用され、出力パワーと強度ノイズは熱電力計とフォトダイオードを用いて測定された。
• 信号レーザーの波長をEDFAの利用可能帯域内で調整することで、813 nm周辺の波長可変性が実現された。
• 熱的効果はビームウェーストの変更と出力パワーの飽和測定を通じてモニタリングされ、理論的予測と照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバーレーザー駆動のDFGシステムは、ストロンチウム光格子時計におけるマジック波長トラップに適した高出力・低ノイズ810 nmレーザーを生成できるか？
• RQ2 DFGベースの光源において、10−18レベルの周波数安定性要件を満たすために、増幅自発放射（ASE）と相対的強度ノイズ（RIN）はどの程度抑制できるか？
• RQ3 高入力パワー下での単パスPPLNベースのDFGにおいて、熱的効果とビームフォーカスがパワー変換効率と安定性に与える影響はいかほどか？
• RQ4 このDFGアーキテクチャは、分光純度と低ノイズを維持したまま、マルチワット出力レベルへのスケーリングが可能か？
• RQ5 このシステムの性能は、ストロンチウム時計遷移における光シフトを10−18未塔に抑えるのに十分か？

主な発見

• 532 nmポンプ（最大10 W）と1550 nmシグナル（15 W）を用いて、PPLNにおける効率的な単パスDFGを実現し、810 nmで連続波1.3 Wの出力を達成した。
• 単モードファイバーを通過した後、中心波長近傍でASEバックグラウンドが>40 dBc/Hzで抑制された。これは高い分光純度を示している。
• 相対的強度ノイズ（RIN）は30 Hz〜100 kHz帯域で<−120 dBc/Hzであり、アクティブなRIN低減技術と併用可能である。
• 通常のトラップ深さを想定した場合、レーザーを813 nmに安定化した際のストロンチウム時計遷移への光シフトは10−18未塔であった。
• 高強度下で熱的効果がパワー拡大を制限し、変換効率におけるパワー飽和とビームウェースト依存性が観察された。
• 測定された性能はDFG方式自体の制限ではなく、非線形結晶とファイバーレーザーの現在の選定によるものであり、より耐障害性の高い結晶と低ノイズのファイバーソースを用いることでさらなる改善が可能であると示唆された。