光纤翻译作业译文

30W，532nm亚kHz频率锁定激光器

郝泽臣，1,2,3刘翔裴，1,2,3王晓琼，1,2

吴玉萍，王玉轩，姚星，姚星 陈、1、2和潘建伟1、2

1上海分院，国家现代物理科学实验室，中国上海科学技术大学物理，201315 2中国科学院量子信息与量子物理卓越与协同创新中心，中国科学技术大学，合肥，安徽230026

3这些人对这项工作的贡献是平等的。

文摘：我们报道了一种高功率、超窄线宽、频率锁定532nm激光系统的实现。激光系统由1064nm连续波掺镱光纤激光器在周期极化铌酸锂和锂摩擦率非线性晶体中的单程和腔内二次谐波组成。在47W红外输入下，在内腔锂摩擦晶体中通过Ⅰ型临界相位匹配产生30W绿光。测量激光线宽为亚kHz量级，这是通过同时锁定532nm处碘吸收线R69（36-1）上的单通倍频输出来实现的。此外，在相对频率可调谐性高达10GHz的情况下，证明了激光系统与另一个从机1064nm激光器之间的相位锁定，完全满足532nm激光器对超冷原子量子模拟的要求。 一.简介 连续波（cw）绿色激光源在广泛的科学应用中发挥着重要作用，如引力波探测[1]、光学频率计量[2–4]和基础物理[5–7]。随着激光技术和非线性转换技术的迅速发展，几十瓦的大功率绿色激光光源已成为市场上的首选光源。最先进的532nm激光系统可通过腔内二次谐波（SHG）产生高达134W的绿光，转换效率高达90%[8]。 这种先进的技术有利于下一代引力波探测器，如进化激光干涉空间天线（eLISA）[9]和爱因斯坦望远镜（ET）[10]。另一方面，由于碘的饱和吸收线在532nm附近提供了一组相对窄而稳定的光频基准，单频窄线宽绿光激光器在光学频率计量领域引起了人们的极大兴趣。尽管光学晶格钟已经将频率精度降低到了10-19级[11]，但碘稳定的绿色激光源由于其简单性和稳健性仍被广泛使用。

此外，532nm激光由于其短波长、高功率和可用性，特别适合于超冷原子的量子模拟；例如，在盒形阱中实现盒形阱[13,14]或单光子晶体[15,16]，高功率532nm激光用于在零光场强度的封闭空间中隔离原子云。研究均匀的超冷量子气体对探索Kibble-Zurek理论[17,18]、超固体态[19]、Bogoliubov量子耗尽理论[20]等等有着重要的意义. 在光学晶格的情况下，短波长的激光具有特殊的优势，因为它提供了短的晶格间距，这导致了以晶格反冲频率vrec=h/（8ma^2）为特征的快速隧穿速率（a是几何晶格间距，h是普朗克常数）。这有助于研究某些重元素，如铒[22]和镝[23]的热处理和超交换动力学[21]。此外，光学超晶格可以通过使用532nm和1064nm激光产生的驻波而实现，为研究新的逻辑量子物质奠定了基础[24]。

尽管绿色激光在超低温原子实验中有着广阔的应用前景，但在这些复杂的实验中仍有许多不足之处。.以光学晶格为例，激光的相位噪声和频率漂移会导致势能结构的随机变形，从而导致运动状态之间的耗散[25]。此外，由于激光功率不足，形成了一个深的光学晶格，可以防止原子在长时间的共振成像光照射下隧穿离开[15,26,27]，因此，如果在一个绿色激光源中同时获得超窄的线宽、稳定的绝对

频率和高功率，光学晶格将大大受益。然而，大多数现有的高功率532nm激光源是典型的线宽为5MHz、波长调谐范围为几个GHz的固体激光器，不能满足要求。

在这项工作中，我们报告了一种高功率、超窄线宽和频率锁定532nm激光系统。主激光源是掺镱单频DFB-BER激光器泵浦的连续波大功率放大器，最大输出功率为50 W，波长为1064 nm。基本激光器的输出分为两部分，分别用于频率锁定和大功率532nm激光器的产生。为了实现系统的健壮性和灵活性，双光路的光学设置和伺服回路是相互独立的。频率锁定和线宽缩小同时通过利用调制传输光谱（MTS）将激光锁定在532nm处的碘吸收线R69（36-1）上。在1000s的测量时间内，获得的频率不稳定性约为30kHz，线宽约为亚kHz，这是由两个相同的激光装置的外差拍注测量决定的。采用腔内倍频技术获得了高功率532nm激光器。 虽然周期极化晶体在倍频过程中效率很高，但热透镜效应和热退相效应对倍频晶体的输出功率和长期稳定性有很大的影响。在这里，我们选择了具有较大相位匹配带宽和损伤阈值的锂摩擦率（LBO）晶体。由于其相对较低的非线性系数，增强腔经过精心设计，可实现低像散和高转换效率。采用两级锁定方案，我们实现了30W以上的绿色辐射，其长期功率稳定性优于2.6%。此外，还证明了532nm激光器与另一个从机1064nm激光器之间的相位锁定，这是实现光学超晶格的关键因素

二．实验过程

实验装置的总体布局如图1所示。将约8mw种子激光器（Koheras调节器Y10）注入光纤放大器（YAR-50-1064-LP-SF），产生48w以上的1064nm激光。利用半波片（HWP）和偏振分束器（PBS）将激光束分为两部分，分别用于稳频和大功率倍频。我们首先描述了稳频的实验方法。使用非球面透镜L1，约800mw的1064nm激光聚焦于周期极化铌酸锂（PPLN）晶体（Covesion，MSHG1064-1.0-20），其尺寸为20毫米×1毫米×10毫米。将晶体加热到134°C的准相位匹配温度，稳定性为±0.01°C，产生约25mW的532nm激光。绿色激光由另一个透镜L2准直，通过光学镜和反滤光片去除残留的红外激光成分。

产生的绿光被分成两部分，分别用于频率锁定和监测。为了消除多普勒背景和残余幅度调制，频率稳定基于MTS技术[28]。探针光束和泵浦光以1:10的强度比通过碘电池反向传播。泵浦光由谐振电光调制器（EOM、Qubig、E0-Tx6M3-NIR）进行频率调制，该调制器在4.1MHz下工作。碘电池的两端有布鲁斯特角窗，长10厘米。为了抑制碰撞加宽效应，使用安装在铜散热器上的热电冷却器（TEC）将其冷空气温度稳定在5°C。碘谱和用于频率锁定的误差信号是通过公认的Pound Drever Hall（PDH）方法观察到的[29]。实验发现，碘（18792.53cm-1）[30]的跃迁R69（36-1）中有一个具有最佳的光谱性能（斜率和捕获范围），因此被用于稳频。利用精心选择的实验参数，优化后的过渡中心附近误差信号斜率可达4.6V/MHz，信噪比大于1000:1。然后，将误差信号送入PID控制器（10MHz带宽）并反馈给种子激光器的PZT（20kHz带宽）。我们认为种子激光器的自由运转线宽约为3kHz，其相位噪声主要分布在低频段。因此，这种反馈系统完全满足了对线宽变窄的要求。

图1 532nm激光系统的实验装置。通过将激光频率锁定在碘分子的跃迁线上，稳定了主激光在1064nm的绝对频率。将红外辐射的主输出耦合到外倍频腔中产生高功率绿光。最后的绿光被送到真空室进行原子俘获。从激光装置用于通过表征标记为①的拍音符和分别构造标记为②的光学超晶格来验证锁定性能。从激光器设置与虚线框中的主激光器相同。

为了验证激光线宽和频率稳定性的锁定性能，我们建立了另一个独立的532nm从激光系统。如图1所示，为了实现外差拍注线宽测量，从激光器的稳频设置与主激光器相同。主激光器和从激光器都锁定在完全相同的碘分子跃迁上。通过微调产生的误差信号的零点，我们得到一个小于100khz的非零拍音符频率，它可以被快速傅里叶变换分析仪记录下来。图2给出了拍音符信号的典型功率谱密度。通过Lorentz插值获得了679（73）Hz的半峰宽（FWHM）。其次，为了表征激光频率的长期稳定性，我们采用1000秒的拍频频率记录，计数器门时间为100毫秒（参见图2的插图）。峰-峰频率波动减小到约为30kHz。这些结果无疑证明我们成功地建立了一个具有亚千赫线宽和高频率稳定性的532nm激光系统。

接下来，我们介绍了产生高功率532nm激光器的实验方法。约47W的光功率与LBO晶体耦合到外部倍频腔中。由于热透镜效应对LBO晶体的影响很小，我们遵循博伊德和克莱因曼的建议〔31〕来设计腔体，最大限度地提高SHG转换效率。 领结腔由两个凹面镜（M1:曲率半径132mm，M2:曲率半径100 mm）和两个反射镜（M3，M4）组成。凹面镜之间的距离为166 mm，而反射镜之间的距离为144mm。我们将两个平行臂放置在尽可能近的位置（27 mm），以减小散光；这里，折叠角度为10度，总腔长约为626毫米，自由频谱范围为480兆赫。尺寸为3mm×3mm×20mm的I型临界相位匹配LBO晶体被放置在自制的铜夹持器中，放置在两个凹面镜之间，保持器工作在25℃，温度稳定性±0.01℃。晶体中心处的

束腰约为27.5μm。这给出了Ze= 2.86的聚焦参数。完全符合2.84的最佳值。

图2.两个相同的SHG532nm激光器之间光拍频信号的功率谱。数据由分辨率为125Hz的FFT分析仪采集。实线表示半高宽为679（73）Hz的洛伦兹函数。为方便起见，节拍信号的中心频率被定义为零。插图显示了1000 s的长期节拍信号轨迹。

由于LBO晶体的低非线性效应，SHG腔的模式匹配，包括空间匹配和阻抗匹配[32]，对于高功率532nm激光器的高效产生至关重要。因此使用一组球面透镜（L4，L5）来匹配腔的本征模。此外，选择适当的反射镜M1，使基波激光器的能量密度最大化，空腔Pcav中的光功率可以呈现为

其中Pin为输入功率，Ti和Ri分别为反射镜的透射率和反射率，η为单通倍频效率。从这个方程中，发现R1与腔累积因子Pcav/Pin没有单调关系，经过计算模拟和多次尝试后，确定输入镜的反射系数为94%，以实现最佳阻抗匹配。

腔的锁模基于H?nsch-Couillaud技术[33]，通过检测来自输入镜（M1）的反射光的两个偏振模式之间的相位差。为了实现腔长的快速反馈和宽捕获范围，平面镜（M3，M4）分别安装在两个具有不同斯托克斯和响应带宽的压电驱动器上，产生的误差信号被发送到PID控制器（Toptica，FALC110），其慢输出和快输出分别被反馈到相应的压电驱动器。在腔的输出端，使用二色镜将产生的532nm激光与剩余的1064nm辐射分离。图3（a）显示了532nm激光功率和倍频转换效率，作为基本红外激光功率的函数。对于每个输入功率电平，我们优化了腔耦合和电子控制系统，SHG的输出与基本输入功率几乎成线性关系，转换效率在60%左右达到饱和，在最大输入功率为47W时，获得了532nm激光的30W。相应的转换效率为64%。有限的基本功率使我们无法获得更高的二次谐波输出。我们还利用安装在电动精密平移台上的CCD相机测量532nm激光的光束质量，得到的M2值沿x（y）轴分别为1.12（1.04）。

图3（a）SHG输出功率（黑方）和转换系数（黑圆）与基本输入功率，最大输出功率约为30W，对应于64%的转换率。（b）在二次基本输入功率下SHG输出的长期稳定性，在4.5W输出时功率变化约为150毫瓦，在30W输出时功率变化为780MW。

为了研究SHG输出的长期稳定性，在1小时内用不同的红外输入功率测量了532nm的激光功率（见图3（b））。结果表明，我们的532nm激光具有良好的功率稳定性，在4.5W输出时峰间电流为150mW，在30W输出时峰间电流为780mW，对应于2.6%的功率稳定性。此外，我们在每个功率范围内观察到约23分钟的时间尺度上的长期周期性波动，主要是由于基本输入的功率损耗，激光系统的高功率、超窄的线结构，使我们可以建立一个超低噪声、532nm深的光学晶格，与商业激光源相比，激光相位噪声引起的原子加热效应可被大大抑制三个数量级。

最后，我们证明了532nm激光器可以在1064nm处与另一个光纤激光器进行相位锁定，频率差异可调，这是构建光学超晶格的关键因素。在这种情况下，从激光器不再锁定在碘谱上，但是，主种子激光器通过一个有效的锁相伺服系统进行锁相，利用自制的PC控制DDS，通过10GHz的可调谐性，实现了对两个激光器之间相对频率的快速精确控制。图4（a）显示了锁相后拍频信号的测量结果。拍频信号的功率谱密度用洛伦兹函数表示，FWHW为30（2）Hz。由于频率变化导致晶格电位的随机变化，对于超晶格实验来说，两个激光之间的频率差的稳定性是非常关键的。因此，我们还测量了频率差的长期稳定性，在1000秒的时间内，峰到峰的频率差为8 kHz。考虑到回复反射镜和原子云之间的典型长度为30厘米，超晶格的相位移可以抑制到3.2×10-5π，完全满足实验要求。为了进行比较，图4（b）中也给出了自由运行情况下的功率谱密度，其中在几十MHz频率特性下获得8.2（5）kHz的FWHW。