[论文解读] A Cold-Strontium Laser in the Superradiant Crossover Regime

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

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本论文展示了基于冷锶-88原子在7.5 kHz线宽的电偶极禁戒跃迁（3P₁–1S₀）的激光器，通过原子反泵实现准稳态激光振荡。通过在低品质因数腔（超辐射）与高品质因数腔之间调节，激光表现出0.09(2)的拉伸系数，证实了原子相干性占主导地位，并将激光频率对腔长波动的敏感度降低了约一个数量级。

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.

研究动机与目标

• 开发基于冷碱土金属原子窄电偶极禁戒跃迁的激光器，以实现超窄线宽。
• 通过反泵实现原子增益介质的准稳态激光振荡。
• 在超辐射（低品质因数腔）状态下实现激光工作，此时激光频率由原子跃迁决定，而非腔共振频率。
• 降低激光频率对腔长波动的敏感度，这是当前最先进频率稳定激光器的关键限制。
• 通过调节反泵强度改变原子线宽，探索低品质因数腔与高品质因数腔之间的过渡区域。

提出的方法

• 将激光冷却的⁸⁸Sr原子紧密束缚在1D光晶格中，置于高精细度腔（精细度 = 24,000，κ = 2π × 160 kHz）内。
• 激光振荡跃迁为689 nm波长处7.5 kHz线宽的3P₁ (mJ=0) → 1S₀跃迁，通过688/689 nm的光学泵浦与反泵浦激发。
• 反泵通过非相干激发经由3P₁, mJ=–1和3S1态实现，额外激光用于从3P₀和3P₂态恢复原子布居。
• 通过将激光输出与一个频率稳定的689 nm光源进行外差混频，并扫描腔体频率，测量拉伸系数P = Δfl/Δfc。
• 通过外差检测的功率谱表征激光线宽，并在各次实验中对齐频率以抑制低频噪声。
• 通过调节反泵光强和461 nm MOT光束引起的瑞利散射，改变有效原子线宽，从而将系统调谐至高品质因数腔与低品质因数腔工作区域之间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在冷⁸⁸Sr原子的窄电偶极禁戒跃迁上，通过反泵实现准稳态激光振荡？
• RQ2 在低品质因数腔区域，激光频率在多大程度上由原子跃迁决定，而非腔共振频率？
• RQ3 拉伸系数P = Δfl/Δfc在低品质因数腔与高品质因数腔工作区域的过渡过程中如何变化？
• RQ4 所发射光的线宽是多少？与自然线宽及反泵引起的展宽相比如何？
• RQ5 激光能否实现对腔长波动的敏感度降低，从而提升频率稳定性？

主要发现

• 激光实现准稳态工作，每个原子在反泵引起的加热终止前平均发射约35个光子，系统中最多可容纳60,000个原子。
• 在低反泵功率下（w = 2π × 14 kHz）测得拉伸系数P = 0.09(2)，证实系统处于低品质因数腔区域，相干性主要存储于原子中。
• 当有效原子线宽增大至2γ′⊥ ≈ 2π × 3 MHz（来自461 nm瑞利散射）时，拉伸系数增至P = 0.97(3)，表明系统已过渡至高品质因数腔区域，相干性主要存储于光场中。
• 测得线宽为6.0(3) kHz（洛伦兹型）和4.7(3) kHz（高斯型），窄于自然线宽7.5 kHz，表明由于激光同步作用产生频率压缩。
• 在低品质因数腔区域，激光对腔长波动的敏感度降低了10倍，这是频率稳定性方面的重要优势。
• 该系统为实现亚Hz线宽激光提供了路径，基于⁸⁷Sr中更窄的1S₀–3P₀跃迁，具有实现坚固、可外场部署的频率标准的潜力。