[논문 리뷰] A stable 2 W continuous-wave 261.5 nm laser for cooling and trapping aluminum monochloride

Jamie Shaw, Stephan Hannig외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Solid State Laser Technologies참고 문헌 46인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 1046 nm 외부 캐비티 다이오드 레이저를 주파수 4배압축하여 261.5 nm에서 연속파(DUV) 레이저를 2 W로 안정적으로 생성한 바, LBO 및 CLBO 결정을 사용한 두 단계의 연속 캐비티 증폭 이중화 단계를 적용하였다. 시스템은 총 2.75 W의 출력을 달성하였고, 전환 효율은 19%이며, 알루미늄 일염화물(AlCl)의 A1Π |v′=0, J′=1⟩ 초미세구조에 대한 첫 번째 스펙트로스코피를 가능하게 하였으며, 약 50 MHz의 라인폭을 가진 부분적으로 해상된 초미세구조 특징을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄 일염화물(AlCl)의 레이저 냉각 및 포획을 위해 261.5 nm에서 고출력, 가변가능, 연속파 DUV 레이저를 개발하기 위해.
• CLBO를 사용하여 두 번째 고조파 생성에 대해 주로 탐색되지 않은 고강도 영역에서 안정적인 웨트 레벨 DUV 출력을 구현하기 위해.
• 냉각된 느린 분자 빔을 사용하여 AlCl의 A1Π 상태 초미세구조에 대한 정밀 스펙트로스코피를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 1046 nm의 자체 제작 외부 캐비티 다이오드 레이저(ECDL)를 두 단계의 연속 공진 증폭 캐비티를 통해 주파수 4배압축.
• 첫 번째 단계는 25 mm 길이의 LBO 결정을 사용하여 Type I 비비례 위상일치 이중화를 통해 523 nm로 변환하며, 순환 전력은 약 220 W.
• 두 번째 단계는 15 mm 길이의 CLBO 결정을 사용하여 추가로 261.5 nm로 이중화하며, 최적화된 모드 매칭 및 온도 제어를 실시.
• 아날로그 자동 잠금 회로를 통해 100 GHz 이상의 가변 범위에서 두 공진 캐비티를 안정화.
• 상업용 파장계와 HeNe 레이저 기반의 파이브리-페로 캐비티를 사용하여 레이저 출력을 안정화하고, 1 MHz 이하의 주파수 해상도 확보.
• 전력 브로드닝을 최소화하기 위해 0.1 mW/cm² 이하의 DUV 빔을 사용하여 냉각된 느린 AlCl 분자 빔에서 형광 스펙트로스코피 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LBO 및 CLBO 결정을 사용한 연속 캐비티 증폭 주파수 이중화를 통해 261.5 nm에서 안정적이고 고출력 연속파 DUV 레이저를 생성할 수 있는가?
• RQ2 특히 CLBO의 고강도 영역에서 장시간 운영 시 261.5 nm 출력의 성능 및 안정성은 어떠한가?
• RQ3 이 레이저 시스템을 통해 AlCl의 A1Π 상태 초미세구조를 해상할 수 있는가?
• RQ4 AlCl의 A1Π 상태에서 관측된 초미세구조 특징의 라인폭과 해상도는 얼마인가?
• RQ5 고결정 강도에서 UV에 의한 열화는 장기적인 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 261.5 nm에서 최대 출력 2.75 W를 달성하였고, 13시간 이상 동안 약 2 W의 안정된 정상 상태 출력을 유지.
• 1046 nm에서 261.5 nm로의 총 전환 효율은 약 19%로, 연속 주파수 이중화에서 높은 효율을 입증.
• 가시광선 영역에서 약 2 MHz, DUV 영역에서 약 2 MHz로 추정되는 라인폭을 보이며, 높은 간섭성과 안정성을 반영.
• AlCl의 A1Π |v′=0, J′=1⟩ 초미세구조에 대한 첫 번째 스펙트로스코피를 수행하였으며, 부분적으로 해상된 스펙트럼을 규명하였고, 가장 좁은 특징은 약 180 MHz, 라인폭은 약 50 MHz로 관측.
• 고강도에서 UV에 의한 열화로 인해 복구 가능한 출력 감소가 관측되었으며, 이는 CLBO를 사용한 펄스 시스템의 이전 보고와 일치.
• 기본 상태의 초미세구조는 해상되지 않았고, 자극 상태의 초미세구조는 부분적으로만 해상되었으며, 이는 해상도를 제한하는 주요 요인이 자연 라인폭보다는 해상되지 않은 초미세구조임을 시사.