[논문 리뷰] High-Power, Fiber-Laser-Based Source for Magic-Wavelength Trapping in Neutral-Atom Optical Clocks

William J. Eckner, Aaron W. Young외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 23.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 51인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 전극 처리된 리튬니오브산나이트(PPLN) 결정을 사용하여 532 nm 및 1550 nm 섬유 레이저 간의 차주주성분 생성(DFG)을 통해 810 nm의 고출력 연속파 레이저 소스를 제안한다. 시스템은 1.3 W의 출력 전력을 달성하며, 증폭된 자발적 방출(ASE)이 >40 dBc/Hz 이하로 억제되고, 상대적 강도 노이즈(RIN)가 <−120 dBc/Hz 이하로 낮아, 주기율이 10−18 이하인 스트론티움 기반 광학 시계에서 마법의 파장 트랩에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중성 스트론티움 원자에 대한 마법의 파장 트랩을 위한 안정적이고 고출력, 연속파 레이저 소스(810 nm) 개발.
• 강한 강도 노이즈 및 스펙트럼 오염을 최소화하여 광학 시계의 엄격한 요구 조건을 충족시키기 위한 노력.
• 이식 가능하고 실험실 기반 광학 시계에 사용 가능한 티타니움: Sapphire 레이저의 대체로 사용 가능한 확장 가능한 섬유 레이저 기반 솔루션 제공.
• 메트로로지 등급 응용 분야에서 스펙트럼 순도와 낮은 노이즈를 유지하면서도 다이와트 출력 수준으로의 향후 확장 가능성 확보.

제안 방법

• 532 nm 펌프 레이저와 1550 nm 신호 레이저를 이용해 주기적으로 전극 처리된 리튬니오브산나이트(PPLN) 결정에서 단일 통과 차주주성분 생성(DFG)을 통해 810 nm 빛을 생성한다.
• 532 nm 펌프 레이저는 최대 10 W의 출력과 200 kHz 이하의 스피크트럼 폭을 제공하며, 1550 nm 신호는 단일 주파수 레이저로 씨드된 erbium-doped fiber amplifier(EDFA)를 통해 제공된다.
• DFG 과정은 Boyd-Kleinman 이론을 기반으로 모델링되며, 전환 효율은 식 P1 = (4lω²₁k²k³d²_eff πε₀(k₂+k₃)n₁n₂n₃c³ h(µ,ξ)P₂P₃를 통해 추정된다.
• 아이들러 출력을 분리하고 특성화하기 위해 극화 분리기(PBS)와 단일 모드 섬유를 사용하며, 전력과 강도 노이즈는 열전력계와 광검출기를 통해 측정된다.
• 신호 레이저의 파장을 EDFA 가용 대역폭 내에서 조절함으로써 813 nm 부근에서 파장 조정 가능성을 확보한다.
• 열 효과는 빔 지름을 변화시키고 출력 포화를 측정함으로써 모니터링되며, 이는 이론적 예측과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 레이저 기반 DFG 시스템이 스트론티움 광학 시계의 마법의 파장 트랩에 적합한 고출력, 저노이즈 810 nm 레이저를 생성할 수 있는가?
• RQ2 DFG 기반 소스에서 증폭된 자발적 방출(ASE)과 상대적 강도 노이즈(RIN)는 어느 정도 억제될 수 있으며, 10−18 수준의 주파수 안정성 요구 조건을 충족시키는가?
• RQ3 고출력에서 단일 통과 PPLN 기반 DFG의 전력 변환 효율과 안정성에 열 효과와 빔 집중이 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 이 DFG 아키텍처는 스펙트럼 순도와 낮은 노이즈를 유지하면서도 다이와트 출력 수준으로 확장 가능한가?
• RQ5 이 시스템의 성능가 스트론티움 시계 전이에 대한 빛 이완을 10−18 수준 이하로 줄이는 데 충분한가?

주요 결과

• 532 nm 펌프(최대 10 W)와 1550 nm 신호(15 W)를 사용하여 PPLN에서 단일 통과 DFG를 통해 810 nm에서 연속파 출력 1.3 W를 달성함으로써 효율적인 전환을 입증하였다.
• 단일 모드 섬유를 통과한 후 중심 파장 근처에서 ASE 배경이 >40 dBc/Hz 이상으로 억제되어 높은 스펙트럼 순도를 나타낸다.
• 30 Hz에서 100 kHz 대역폭 동안 상대적 강도 노이즈(RIN)가 <−120 dBc/Hz 이하로 유지되어 활성 RIN 억제 기술과 호환된다.
• 레이저가 813 nm로 안정화된 경우, 일반적인 트랩 깊이에서 스트론티움 시계 전이에 대한 추정된 빛 이완은 10−18 이하이다.
• 고강도에서 열 효과가 전력 확장에 제한을 미치며, 전력 포화와 빔 지름 의존성으로서 나타난다.
• 측정된 성능는 DFG 기술 자체의 한계가 아니라 현재 비선형 결정과 섬유 레이저의 선택에 기인하여, 더 높은 손상 임계값을 갖는 결정과 더 낮은 노이즈의 섬유 소스로의 교체로 향후 향상 가능성이 있음을 시사한다.