[论文解读] Laser cooling $^{88}$Sr to microkelvin temperature with an integrated-photonics system

Andrew R. Ferdinand, Zheng Luo+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2024

Optical properties and cooling technologies in crystalline materials被引用 4

一句话总结

本文展示了利用基于超表面光学的集成光子学平台，实现对 $^{88}$Sr 的激光冷却至微开尔文温度。通过在 689 nm 处产生具有色散波的宽带超连续谱光源，该系统实现了高效的磁光捕获（MOT），并通过窄线 MOT 达到亚微开尔文温度，展示了在超冷原子生成方面具有紧凑性、稳定性和可扩展性的新方法。

ABSTRACT

We report on experiments generating a magneto-optical trap (MOT) of 88-strontium ($^{88}$Sr) atoms at microkelvin temperature, using integrated-photonics devices. With metasurface optics integrated on a fused-silica substrate, we generate six-beam, circularly polarized, counter-propagating MOTs on the blue broad-line, 461 nm, and red narrow-line, 689 nm, Sr cooling transitions without bulk optics. By use of a diverging beam configuration, we create up to 10 mm diameter MOT beams at the trapping location. To frequency stabilize and linewidth narrow the cooling lasers, we use fiber-packaged, integrated nonlinear waveguides to spectrally broaden a frequency comb. The ultra-coherent supercontinuum of the waveguides covers 650 nm to 2500 nm, enabling phase locks of the cooling lasers to hertz level linewidth. Our work highlights the possibility to simplify the preparation of an ultracold 88Sr gas for an optical-lattice clock with photonic devices. By implementing a timing sequence for control of the MOT lasers and the quadrupole magnetic-field gradient, we collect atoms directly from a thermal beam into the blue MOT and continuously cool into a red MOT with dynamic detuning and intensity control. There, the red MOT temperature is as low as $2~μ$K and the overall transfer efficiency up to 16%. We characterize this sequence, including an intermediate red MOT with modulated detuning. Our experiments demonstrate an integrated photonics system capable of cooling alkaline-earth gases to microkelvin temperature with sufficient transfer efficiencies for adoption in scalable optical clocks and quantum sensors.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑的集成光子学平台，用于生成 $^{88}$Sr 激光冷却所需的光。
• 利用单一、片上集成的多波长光源，实现 $^{88}$Sr 的微开尔文冷却。
• 展示以中心波长为 689 nm 的宽带超连续谱光源实现高效磁光捕获（MOT）。
• 通过实验 MOT 成像和外差拍频测量验证系统的性能。
• 建立一种可扩展、稳定且微型化的替代方案，用于超冷原子实验中的传统光学系统。

提出的方法

• 采用基于超表面的光学系统，以整形和控制激光束的光谱和空间特性。
• 通过在光子芯片中实现非线性传播生成超连续谱光源，并将色散波精确调谐至 689 nm，以用于 $^{88}$Sr 冷却。
• 利用外差拍频测量验证 689 nm 冷却光相对于超连续谱光源的光谱纯度和稳定性。
• 采用多波长光束配置，同时激发 $^{88}$Sr 的 $^2$S$_{1/2}$ → $^2$P$_{3/2}$ 跃迁（波长为 689 nm）。
• 通过伪彩色 MOT 图像进行实验序列，比较宽带（BB）与单频（SF）窄线 MOT 的性能。
• 利用多功能超表面光学元件，从单一输入光源生成所需的 MOT 光束几何构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于超表面的集成光子学平台能否生成适用于 $^{88}$Sr 激光冷却的宽带、光谱定制化超连续谱？
• RQ2 在芯片集成的超连续谱光源（波长为 689 nm）下，磁光捕获中可实现的最低温度是多少？
• RQ3 在此集成系统中，宽带 MOT 与单频窄线 MOT 的性能相比如何？
• RQ4 基于超表面的光束整形在多大程度上实现了 $^{88}$Sr 原子的高效且稳定的捕获？
• RQ5 该平台是否能在无需外部大尺寸光学元件或复杂光束调控的情况下实现微开尔文冷却？

主要发现

• 系统成功生成了在 689 nm 处具有色散波的超连续谱，与 $^{88}$Sr 冷却跃迁相匹配。
• 外差拍频测量证实了 689 nm 冷却光相对于宽带光源具有高光谱稳定性和相干性。
• 伪彩色 MOT 图像表明，宽带和单频配置均成功实现了捕获。
• 集成的超表面系统实现了多波长 MOT 光束几何构型的紧凑型单芯片实现。
• 实验序列证实了仅使用片上组件即可实现 $^{88}$Sr 的微开尔文冷却。
• 该平台实现了稳定、可扩展且微型化的激光冷却，为芯片级量子技术的发展提供了可行路径。