據(jù)中國(guó)激光雜志社網(wǎng)，于2025年10月15日?qǐng)?bào)道，封面展示了507.4 nm綠光通過蝶形諧振倍頻腔獲得253.7 nm深紫外激光的過程。深紫外激光通過雙色分光片輸出，用于汞原子的激光冷卻裝置（磁光阱）。汞原子激光冷卻須長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，對(duì)深紫外激光的頻率穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性和連續(xù)運(yùn)行能力提出了很高的要求。該系統(tǒng)結(jié)合了轉(zhuǎn)移腔穩(wěn)頻、光學(xué)鎖相、光纖激光放大、周期極化晶體單通倍頻和CLBO晶體的外腔諧振倍頻等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了253.7 nm深紫外激光的低噪聲、較高功率的長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出。
一、背景介紹
隨著量子操控手段的不斷豐富，在激光冷卻等原子操控實(shí)驗(yàn)中，深紫外激光得到越來越多的應(yīng)用。相較于以鐿原子和鍶原子為參考的光晶格鐘，汞原子具有更低的黑體輻射頻移和簡(jiǎn)單的鐘頻躍遷超精細(xì)結(jié)構(gòu)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也是目前能夠被激光冷卻的最重的元素。在汞原子光晶格鐘研究中，用于激光冷卻的1S0-3P1躍遷波長(zhǎng)為253.7 nm，線寬為1.27 MHz，需要用100 mW的深紫外連續(xù)激光功率來實(shí)現(xiàn)激光冷卻，這意味著要將紅外激光四倍頻才能獲得。另外，在鐘躍遷頻率探詢中，探測(cè)光的強(qiáng)度噪聲會(huì)被引入到鐘頻探測(cè)中，導(dǎo)致鐘頻探測(cè)熒光信號(hào)的信噪比降低。因此，穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的低噪聲大功率的深紫外冷卻光光源尤為重要。實(shí)現(xiàn)深紫外激光并使其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大難點(diǎn)在第二級(jí)倍頻，傳統(tǒng)方法是基于BBO晶體的諧振倍頻，但是BBO晶體的走離角大、紫外吸收系數(shù)高、損傷閾值較低，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。
二、創(chuàng)新工作
該工作中，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所徐震團(tuán)隊(duì)采用了CLBO晶體進(jìn)行第二級(jí)倍頻。和傳統(tǒng)的BBO晶體相比：當(dāng)波長(zhǎng)為253.7 nm時(shí)，CLBO晶體的線性吸收系數(shù)比BBO晶體低近5倍，盡管其有效非線性系數(shù)相對(duì)略小，但其走離角要減小約3倍，因此倍頻轉(zhuǎn)換效率略微高一些。在布儒斯特角出射下CLBO晶體的s偏振波反射率更低，對(duì)于深紫外激光的輸出損耗較小；并且CLBO晶體的激光損傷閾值要比BBO晶體高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，不容易損傷，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行有較大優(yōu)勢(shì)。由于CLBO晶體極其容易潮解，因此，該工作將整個(gè)倍頻腔密封在一個(gè)鋁盒內(nèi)，同時(shí)CLBO晶體被控溫在150 ℃左右，并在鋁盒內(nèi)持續(xù)通入高純度氣體以降低水分子和其他有機(jī)分子對(duì)晶體的影響，提高晶體的壽命。倍頻腔采用蝶形四腔鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CLBO晶體采用布儒斯特角入射，一個(gè)45°雙色分光片將深紫外激光耦合輸出，如圖1所示。
采用轉(zhuǎn)移腔穩(wěn)頻和光學(xué)鎖相等技術(shù)，獲得了低噪聲和頻率穩(wěn)定的窄線寬種子激光器，激光頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-12，線寬小于27 kHz，在10小時(shí)的連續(xù)測(cè)量中，種子光總頻率波動(dòng)小于20 MHz。通過光纖激光放大和周期極化晶體單通倍頻得到1.1 W綠光，采用PDH（Pound-Drever-Hall）邊帶穩(wěn)頻技術(shù)使得腔和激光共振后，獲得了198 mW的深紫外激光輸出，倍頻轉(zhuǎn)換效率為18%。通過光束整形和空間濾波系統(tǒng)，遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑呈現(xiàn)為平滑的高斯型圓斑，相應(yīng)的光束質(zhì)量因子分別為Mx2=1.59和My2 =1.15。深紫外激光輸出具有極低的功率噪聲，在10 Hz以上小于-100 dBc/Hz，而在1 Hz最大為-90 dBc/Hz，比BBO晶體倍頻的同類型激光器要低20 dB，這主要得益于種子激光器頻率和倍頻腔PDH穩(wěn)頻的高穩(wěn)定性。
如圖2所示，經(jīng)測(cè)試，該激光系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過150小時(shí)，在最后48小時(shí)的連續(xù)測(cè)量中，功率漲落峰峰值為9.8%，RMS功率漲落為3.1%，表現(xiàn)出了較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種高功率、低噪聲和較高穩(wěn)定性的深紫外激光系統(tǒng)可以較好地滿足汞原子冷卻實(shí)驗(yàn)的需要，并且未來會(huì)顯著提高冷原子實(shí)驗(yàn)的連續(xù)運(yùn)行能力。
三、總結(jié)與展望
經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)深紫外光功率輸出功率仍有緩慢下降的態(tài)勢(shì)。經(jīng)診斷發(fā)現(xiàn)，損傷來源為輸出耦合鏡的損傷。今后將改進(jìn)鍍膜技術(shù)，進(jìn)一步提高輸出耦合鏡的損傷閾值，并通過電控平移結(jié)構(gòu)換點(diǎn)來進(jìn)一步提升深紫外激光系統(tǒng)的運(yùn)行能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，還將通過調(diào)控激光放大器的電流來實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定，進(jìn)一步提高深紫外激光輸出的穩(wěn)定性，為汞原子光晶格鐘的連續(xù)運(yùn)行提供良好的硬件支撐和技術(shù)儲(chǔ)備。該方案也可用于其他的深紫外波長(zhǎng)，在冷原子物理、高精密光譜和半導(dǎo)體檢測(cè)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
課題組介紹
該課題組是國(guó)內(nèi)唯一開展汞原子激光冷卻的研究小組，長(zhǎng)期開展光晶格鐘及相關(guān)的研究工作，目標(biāo)是研制可連續(xù)運(yùn)行的高精度光晶格鐘。課題組取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展，研制了高穩(wěn)定窄線寬的深紫外激光系統(tǒng)，發(fā)展了諧振腔倍頻、深紫外超穩(wěn)激光、鈦寶石注入鎖定、多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移腔穩(wěn)頻等特色技術(shù)，建立了汞原子光晶格鐘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了汞原子的激光冷卻、鐘頻躍遷探測(cè)等研究工作，為汞原子光晶格鐘的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行提供了新方法。
通信作者簡(jiǎn)介
徐震，副研究員，碩士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事冷原子物理、光鐘及相關(guān)激光技術(shù)研究，負(fù)責(zé)了基金委重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、面上項(xiàng)目和上海市科委項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，核心參與了基金委重點(diǎn)、國(guó)家973項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。
