[论文解读] A stable 2 W continuous-wave 261.5 nm laser for cooling and trapping aluminum monochloride

Jamie Shaw, Stephan Hannig+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Solid State Laser Technologies参考文献 46被引用 26

一句话总结

本论文展示了一种基于LBO和CLBO晶体的两级级联腔增强倍频结构的稳定、2 W连续波深紫外（DUV）激光器，中心波长为261.5 nm，通过外部腔面二极管激光器（ECDL）在1046 nm处频率四倍频获得。该系统实现了2.75 W的输出功率，转换效率达19%，并首次实现了对铝氧氯化物（AlCl）中A1Π |v′=0, J′=1⟩态超精细结构的光谱测量，观测到部分分辨的超精细特征，谱线宽度约为50 MHz。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在261.5 nm波长下具有高功率、可调谐、连续波深紫外激光，用于铝氧氯化物（AlCl）的激光冷却与捕获。
• 通过在第二倍频过程中使用CLBO晶体，实现对高强光强区域中尚未充分探索的瓦级DUV输出的稳定输出。
• 利用低温、低速分子束，实现对AlCl中A1Π态超精细结构的精密光谱测量。

提出的方法

• 通过两级级联谐振增强腔对1046 nm自建外部腔面二极管激光器（ECDL）进行频率四倍频。
• 第一级使用25 mm长的LBO晶体，实现I型非临界相位匹配倍频至523 nm，腔内循环功率约为220 W。
• 第二级采用15 mm长的CLBO晶体，进一步倍频至261.5 nm，通过优化模场匹配与温度控制提升效率。
• 采用模拟自动锁频电路，实现对两个谐振增强腔在超过100 GHz调谐范围内的稳定锁定。
• 利用商用波长计与以氦氖激光器为参考的法布里-珀罗腔，实现亚MHz量级的频率分辨率，对激光输出进行稳定。
• 采用0.1 mW/cm²的DUV光束对低温、低速AlCl分子束进行荧光光谱测量，以最小化功率展宽效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过使用LBO和CLBO晶体的级联腔增强频率倍频技术，在261.5 nm波长下产生稳定、高功率的连续波DUV激光？
• RQ2 在CLBO晶体的高强光强区域中，261.5 nm输出的性能与稳定性如何，尤其是在长时间运行条件下？
• RQ3 该激光系统能否实现对AlCl中A1Π态超精细结构的分辨？
• RQ4 在AlCl A1Π态中观测到的超精细特征的谱线宽度与分辨率是多少？
• RQ5 在高晶体光强下，紫外光致降解对长期性能有何影响？

主要发现

• 系统在261.5 nm波长下实现了最大2.75 W的输出功率，在13小时内保持约2 W的稳定连续输出。
• 从1046 nm到261.5 nm的总转换效率约为19%，表明级联频率倍频过程具有高效率。
• 可见光波段的线宽估计约为2 MHz，DUV波段的线宽也约为2 MHz，与高相干性与高稳定性一致。
• 首次对AlCl中A1Π |v′=0, J′=1⟩态的超精细结构进行了光谱测量，观测到部分分辨的光谱，最窄特征的线宽约为180 MHz，整体谱线宽度约为50 MHz。
• 在高光强下观察到紫外光致降解导致的可恢复性功率下降，与先前在使用CLBO晶体的脉冲系统中的报告一致。
• 基态超精细结构未被分辨，而激发态结构仅部分分辨，表明未分辨的超精细结构对分辨率的限制作用大于自然线宽。