[논문 리뷰] A Cold-Strontium Laser in the Superradiant Crossover Regime

Matthew A. Norcia, James K. Thompson|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 88Sr에서 7.5 kHz 대역폭의 전이금지 이중극자 전이인 3P1–1S0 전이에 대해 냉각 스트론티움 레이저를 구현하며, 원자 재펌프링을 통해 준정 steady-state 레이저 작동을 달성한다. 약간의 고체(초과기계) 및 양호한 고체(고체) 공진기 모드 사이에서 조절함으로써, 레이저는 0.09(2)의 끌림 계수를 나타내며, 원자 간의 위상 일관성이 지배적임을 확인하고, 공진기 길이 변동에 의한 주파수 민감도를 최대 한 수준까지 감소시킨다.

ABSTRACT

Recent proposals suggest that lasers based on narrow dipole-forbidden transitions in cold alkaline earth atoms could achieve linewidths that are orders of magnitude smaller than linewidths of any existing lasers. Here, we demonstrate a laser based on the 7.5 kHz linewidth dipole forbidden $^3 $P$_1$ to $^1 $S$_0$ transition in laser-cooled and tightly confined $^{88}$Sr. We can operate this laser in the bad-cavity regime, where coherence is primarily stored in the atoms, or continuously tune to the more conventional good-cavity regime, where coherence is primarily stored in the light field. We show that the cold-atom gain medium can be repumped to achieve quasi steady-state lasing, and demonstrate up to an order of magnitude suppression in the sensitivity of laser frequency to changes in cavity length, the primary limitation for the most frequency stable lasers today.

연구 동기 및 목표

• 냉각 알칼리 earth 원자에서 초미세 전이를 이용한 레이저를 개발하여 초미세 대역폭을 달성한다.
• 원자 증폭 매체의 재펌프링을 통해 준정 steady-state 레이저 작동을 실현한다.
• 초과기계(약한 공진기) 모드에서의 작동을 실험적으로 입증하며, 이 경우 레이저 주파수는 공진기 공명 주파수가 아니라 원자 전이 주파수에 의해 결정된다.
• 레이저 주파수의 공진기 길이 변동에 대한 민감도를 감소시켜, 최신 주파수 안정 레이저에서의 주요 제약 요소를 해결한다.
• 재펌프링을 통해 원자 대역폭을 조절함으로써 약한 공진기와 양호한 공진기 모드 사이의 전이 영역을 탐색한다.

제안 방법

• 고정밀도 공진기(finesse = 24,000, κ = 2π × 160 kHz) 내부에 1D 광학 격자에 고밀도로 갇힌 레이저 냉각 88Sr 원자를 이용한다.
• 레이저 작동 전이인 689 nm에서 7.5 kHz 대역폭의 3P1 (mJ=0) → 1S0 전이를, 688/689 nm에서의 광학 펌프링 및 재펌프링을 통해 유도한다.
• 3P1, mJ=–1 및 3S1 상태를 통해 비공명성 자극을 통해 재펌프링을 수행하며, 3P0 및 3P2 상태에서의 인구 복구를 위한 추가 레이저를 사용한다.
• 공진기 주파수를 스캔하면서 레이저 출력을 주파수 안정화된 689 nm 소스와 하이퍼디노미크(혼합)하여, 끌림 계수 P = Δfl/Δfc를 측정한다.
• 레이저 대역폭은 하이퍼디노믹 검출로부터의 전력 스펙트럼 분석을 통해 특성화되며, 시험 간 주파수 정렬을 통해 저주파 노이즈를 억제한다.
• 461 nm MOT 레이저의 레일리 산란을 통해 재펌프 빔 강도와 레이저의 효과적 원자 대역폭을 조절함으로써, 시스템을 양호한 고체 및 약한 고체 공진기 모드 사이로 이동시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 88Sr 원자에서 재펌프링을 통해 전이금지 이중극자 전이에 대해 준정 steady-state 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 약한 공진기 모드에서 레이저 주파수는 공진기 공명 주파수보다 원자 전이 주파수에 의해 얼마나 더 강하게 결정되는가?
• RQ3 약한 공진기와 양호한 공진기 모드 사이의 전이 영역에서 끌림 계수 P = Δfl/Δfc는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 방출되는 빛의 대역폭은 얼마이며, 자연 대역폭과 재펌프링에 의한 넓어짐과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 레이저는 공진기 길이 변동에 대한 민감도를 감소시켜 주파수 안정성 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저는 최대 60,000개의 원자가 각각 약 35개의 광자를 방출한 후 재펌프링에 의한 가열로 인해 레이저 작동이 종료되기 전까지 준정 steady-state 작동을 달성한다.
• 낮은 재펌프링 강도(2π × 14 kHz)에서 측정된 끌림 계수 P = 0.09(2)는 원자 간 위상 일관성이 주로 저장되는 초과기계 모드에서의 작동을 확인하며, 원자 간 간섭이 지배적임을 입증한다.
• 효과적 원자 대역폭이 증가한 경우(461 nm 레일리 산란으로 2γ′⊥ ≈ 2π × 3 MHz), 끌림 계수는 P = 0.97(3)으로 증가하여, 공명기에서의 위상 일관성이 빛장에 저장되는 양호한 공진기 모드로의 전이가 일어남을 나타낸다.
• 측정된 대역폭은 6.0(3) kHz(Lorentzian) 및 4.7(3) kHz(Gaussian)로, 자연 대역폭인 7.5 kHz보다 좁으며, 이는 레이저 동기화에 의한 주파수 감소가 발생했음을 시사한다.
• 약한 공진기 모드에서 공진기 길이 변동에 대한 민감도가 10배 감소하여 주파수 안정성 향상에 있어 핵심적인 이점이 된다.
• 이 시스템은 87Sr에서 더욱 좁은 1S0–3P0 전이를 이용한 1 Hz 이하 대역폭 레이저로의 길을 열며, 실내 외부에서도 안정적으로 사용 가능한 주파수 기준 장치 개발에 잠재적이다.