[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种基于周期极化铌酸锂（PPLN）晶体的差频生成（DFG）技术，利用532 nm和1550 nm光纤激光器实现810 nm高功率连续波激光输出。系统实现了1.3 W的输出功率，放大自发辐射（ASE）抑制超过40 dBc/Hz，相对强度噪声（RIN）低于−120 dBc/Hz，适用于实现锶基光学钟中亚10−18频率不稳定性的魔术波长捕获。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于中性锶原子魔术波长捕获的坚固、高功率、连续波810 nm激光源。
• 通过最小化捕获激光的强度噪声和光谱杂质，满足光学钟的严格要求。
• 展示一种可扩展的、基于光纤激光器的替代方案，以取代用于便携式和实验室光学钟的钛宝石激光器。
• 在保持光谱纯度和低噪声的前提下，实现多瓦级输出水平，适用于计量级应用。

提出的方法

• 采用单程差频生成（DFG）在周期极化铌酸锂（PPLN）晶体中，由532 nm泵浦激光和1550 nm信号激光生成810 nm光。
• 532 nm泵浦激光输出最高达10 W，线宽<200 kHz；1550 nm信号由单频激光种子的掺铒光纤放大器（EDFA）提供。
• DFG过程基于Boyd-Kleinman理论建模，功率转换效率通过公式 P1 = (4lω²₁k²k³d²_eff πε₀(k₂+k₃)n₁n₂n₃c³ h(µ,ξ)P₂P₃ 估算。
• 使用偏振分束器（PBS）和单模光纤分离并表征闲频输出，通过热功率计和光电探测器测量功率和强度噪声。
• 通过调节信号激光波长在EDFA可用带宽内，实现813 nm附近的波长可调谐性。
• 通过改变光束光斑尺寸并测量功率饱和特性，监测热效应，并与理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于光纤激光器的DFG系统能否生成适合锶光学钟魔术波长捕获的高功率、低噪声810 nm激光？
• RQ2 在DFG光源中，放大自发辐射（ASE）和相对强度噪声（RIN）在多大程度上可被抑制，以满足10−18量级频率稳定性的要求？
• RQ3 在高输入功率下，热效应和光束聚焦如何影响单程PPLN DFG的功率转换效率和稳定性？
• RQ4 该DFG架构能否扩展至多瓦级输出水平，同时保持光谱纯度和低噪声，适用于计量应用？
• RQ5 该系统的性能是否足够低，可将锶钟跃迁的光致移位控制在10−18以下？

主要发现

• 系统利用最高达10 W的532 nm泵浦激光和15 W的1550 nm信号激光，在PPLN中实现了单程DFG，成功输出1.3 W连续波810 nm光。
• 在单模光纤后测量，中心波长附近ASE背景抑制超过40 dBc/Hz，表明光谱纯度极高。
• 在30 Hz至100 kHz带宽内，相对强度噪声（RIN）低于−120 dBc/Hz，与主动RIN抑制技术兼容。
• 当激光稳定在813 nm时，估算的锶钟跃迁光致移位低于10−18，适用于典型阱深。
• 在高光强下，热效应开始限制功率扩展，表现为转换效率中光斑尺寸依赖性和功率饱和现象。
• 实测性能并非受限于DFG方案本身，而是受限于当前非线性晶体和光纤激光器的选择，表明采用更高损伤阈值晶体和更低噪声光纤源后仍有进一步提升空间。