백서
저온 원자 응용 분야를 위한 높은 안정성의 레이저 소스
역사적으로 원자 물리학 분야의 일부로 시작된 저온 원자 연구는 광범위하고 고도로 학제적인 연구 활동으로 성장했습니다. 레이저 냉각 및 트래핑 개발[1]과 보스-아인슈타인 응축(BEC)[2]의 시연을 바탕으로, 이 분야는 이제 원자, 분자 및 광학(AMO) 물리학, 이론 모델링, 응집 물질 물리학, 양자 화학, 레이저 기술 및 기타 분야에 걸쳐 광범위하게 이루어져 있습니다. 다양한 자기광학 기술 덕분에 조작 및 조사가 가능해진 BEC는 이제 기초 물리학, 원자 시계, 양자 정보, 감지, 계측 및 초전도의 다양한 측면을 연구하는 연구자에게 강력한 도구를 제공합니다.
광범위한 연구를 바탕으로, 전 세계에서는 저온 원자를 사용하는 기능적 요소를 기반으로 하는 차세대 기술 장치를 개발하는 데 집중하고 있습니다[3 - 5]. 예를 들어, 소위 "원자전자공학" 분야에서는 다이오드, 트랜지스터, 메모리 소자 등 기존 전자 부품과 동등한 요소를 만드는 방법을 모색하고 있습니다. 이러한 노력의 주요 구성 요소는 일반적으로 BEC, 트래핑 전위 및 원자 이동, 조작 및 감지 방법입니다. 저온 원자 커뮤니티를 통해 구현된 기본 구성 요소를 활용하여 실용적인 초정밀 측정 및 감지 장치(중력계, 가속도계, 자기장 센서 등)는 물론 양자 정보 및 컴퓨팅 요소를 만들기 위한 노력이 계속되고 있습니다.
이 백서에서는 저온 원자 분야의 중요한 방법 중 하나인 원자 트래핑, 냉각 및 원거리 조정된 비공진 레이저 광을 사용한 조작에 대해 논의합니다. 광학 쌍극자 트랩, 증발 냉각 및 광학 격자의 기술과 주요 응용 분야를 검토하고 이러한 기술이 사용되는 레이저 시스템에 적용되는 엄격한 요구 사항에 대해 논의합니다. 또한 논의된 응용 분야에서 성공적으로 사용되는 Coherent의 초저노이즈 연속파 레이저 제품 라인 뒤에 숨겨 있는 기술에 대한 통찰력을 제공합니다.
광학 쌍극자 트래핑은 레이저 빔을 사용하여 차가운 원자 구름을 가두는 잘 정립된 기술입니다[6]. 사용된 원자는 트랩에 로드되기 전에 기존의 도플러 냉각 기술을 사용하여 이미 mK - μK 온도로 냉각되었습니다. 이러한 광학 트랩은 광파의 진동 전기장이 원자에 전기 쌍극자 모멘트를 유도할 때 발생하며, 따라서 극한의 빛 강도에 의해 끌어당겨지거나 반발됩니다. 힘의 부호는 빛의 주파수가 특정 원자 종의 원자 공명 주파수보다 낮은지((ωlaser < ωres, 적색으로 조정된 트랩) 아니면 높은지(ωlaser> ωres, 청색으로 조정된 트랩) 여부에 따라 달라집니다.
가장 단순한 쌍극자 트랩은 원자를 트랩하는 실험의 특정 영역에서 단일 적색으로 조정한 레이저 빔에 초점을 맞춰 빛의 강도를 증가시킴으로써 생성할 수 있습니다. 여러 레이저 빔을 교차시켜 다양한 모양의 트랩을 만들 수도 있습니다(그림 1). 청색으로 조정된 빛은 "상자" 유형 트랩과 같은 다양한 형태의 트래핑 전위를 가능하게 합니다.
그림 1. 광학 쌍극자 트랩
광학 쌍극자 트랩은 저온 원자 실험에서 다양한 방법으로 사용됩니다. 첫째, 로드된 트랩을 사용하면 정의된 공간에 원자를 가둘 수 있습니다. 그런 다음 실험의 한 부분에서 다른 부분으로 옮길 수도 있습니다. 보존형 트랩이기 때문에 광학 여기를 유도하지 않고 힘이 원자의 위치에만 의존합니다.
광학 쌍극자 트랩은 도플러 냉각 기술이 mK 범위의 온도에서 하한에 도달했던 80년대와 90년대에 중요한 역할을 했습니다. 온도를 더 낮추는 것은 주로 광자 산란으로 발생하는 가열 효과로 인해 금지되었습니다. 달성된 온도는 원자 BEC를 생성하기에 너무 높았습니다. 따라서 원자의 온도를 더욱 낮출 수 있는 증발 냉각 방식이 개발되었습니다. 이 방법의 원리는 이전에 논의한 것처럼 비공진 레이저 빔에 의해 생성되거나 불균일한 자기장을 사용하여 생성되는 전위 트랩에 의존합니다[6]. 원자가 갇히면 레이저 강도를 조절하여 트랩의 높이를 줄입니다. 가장 빠른("가장 뜨거운") 원자는 나머지 원자가 더 낮은 온도에서 재열화되면서 운동 에너지를 운반하는 트랩에서 이탈("증발")합니다(그림 2). 트랩의 높이가 감소하고 원자가 BEC를 형성할 때까지 프로세스가 반복됩니다. 이 방법은 현재 일반적으로 μK에서 nK까지의 저온 원자 온도가 필요한 실험에서 다양한 형태로 사용됩니다.
그림 2. 증발 냉각
비공진 레이저 광선을 사용하여 제공되는 또 다른 강력한 도구는 광학 격자입니다. 안정적인 비공진 광선을 사용하면 여러 레이저 빔을 간섭하여 광학 격자가 생성됩니다. 광학 쌍극자 트랩의 "벌크" 트래핑 대신 광학 격자는 주기적인 패턴으로 배열된 많은 미세한 전위 웰을 제공합니다(그림 3). 이러한 잠재적인 풍경의 다양한 모양은 적색으로 조정된 빛, 청색으로 조정된 빛, 또는 이 둘의 조합을 사용하여 생성될 수 있습니다. 3D 광학 격자는 빛의 간섭 패턴이 결정 격자를 나타내고 차가운 원자가 전자를 모방하는 훨씬 더 큰 규모로 고체 결정의 구조를 모방할 수 있습니다. 이러한 결함이 없고 조정 가능한 격자는 초 단위의 측정 시간을 허용하고, 고체 물리학의 몇 가지 주요 질문에 답하기 위한 조사 모델 역할로도 사용됩니다. 아래의 대략적인 목록에는 몇 가지 연구 하이라이트가 언급되어 있습니다.
상전이 - 초저온 원자로 작업하고 광학 격자 구성 및 자기장으로 상태를 조작할 수 있으면 다양한 양자상에 접근할 수 있습니다. 이러한 물질의 상태, 특성 및 전이 역학에 대한 연구는 응집 물질 물리학 및 초전도체를 다루는 연구자들에게 큰 관심거리입니다. 예를 들어, 초유체 BEC에서 Mott 절연체로의 가역적 전이가 철저하게 연구되었습니다[7].
원자시계 - 계측학의 핵심 기술인 원자시계는 이전에는 마이크로파 기술을 기반으로 했습니다. 광학 원자시계는 지난 10년 동안 급속한 발전을 이루었으며, 현재 광학 격자 기반 원자시계는 안정성과 체계적인 불확실성 성능을 선도하고 있습니다.
그림 3. 광학 격자에 갇힌 저온 원자
이원자 분자 - 현재까지 대부분의 연구는 단일 원자 유형(일반적으로 냉각 단계에서 조정 가능한 레이저 소스로 쉽게 접근할 수 있는 전이선을 포함하는 중성 알칼리 유형의 원자, Rb, Cs, Li, Na, K 및 Ca, Sr, Yb, Dy와 같은 더 복잡한 구조의 원자)으로 냉각하고 작업하는 방식으로 수행되었습니다. 이제 추가적인 기능을 제공하는 초저온 극성 이원자 분자에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 이러한 쌍은 광결합 과정이나 Feshbach 공명을 통해 생성될 수 있습니다. 양자 상호 작용을 연구하는 연구자에게 이 장치는 광학 격자에 배치할 때 다체 현상과 장거리 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 연구할 수 있는 고도로 제어 가능한 방법을 제공합니다. 이러한 실험실에서 생성된 초저온 이원자 분자는 나트륨-칼륨(NaK), 칼륨-루비듐(KRb), 리튬-루비듐(LiRb) 쌍으로 입증되었습니다. 이러한 기술을 통해 동핵 저온 분자(K2, Rb2, Na2)도 생성되었습니다. 이러한 저온 분자의 "합성" 생성 외에, 분자를 직접 냉각하는 데에도 많은 노력이 투입됩니다.
양자 시뮬레이터 - 광학 격자의 저온 원자는 아직 이론적, 수치적으로 접근할 수 없는 양자 물리학의 특정 문제에 대한 모델 역할을 할 수 있는 실험 시스템을 설계하는 수단을 제공합니다. 이러한 시뮬레이터에는 실험 매개변수를 제어하고, 원자 상태를 조작하고, 결과를 판독할 수 있는 수단이 있어야 합니다. 이전에 논의된 도구(예: 다양한 양자 위상 및 이원자 분자)가 이러한 실험에 자주 사용됩니다. 이러한 시뮬레이터 모델은 잠재적으로 기존 컴퓨팅으로 해결할 수 없는 문제에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
레이저 소스 요구 사항
위에서 논의한 실험은 마이크로에서 나노 켈빈 온도의 원자를 다루기 때문에 궁극적으로 실험의 분해능이나 측정 시간을 제한하는 모든 노이즈 소스에 매우 민감합니다. 레이저 시스템은 필연적으로 이에 영향을 미칠 것입니다. 다양한 레이저 시스템에서는 펌프 다이오드, 완화 진동 노이즈, 전자 제어 및 비선형 효과에서 발생하는 강도 노이즈가 나타날 수 있습니다. 주파수 노이즈(레이저 방출 주파수의 지터)는 공동 열기계적 특성의 영향을 받을 수 있습니다. 또한 이러한 실험은 트랩 주파수와 같은 일부 특정 주파수에 더 민감할 수 있습니다. 레이저 안정성 문제 외에도 저온 원자 작업을 위한 레이저 소스를 구입할 때 고려해야 할 다른 요소가 있습니다. 규모가 크고 복잡한 실험 설정의 일부로서, 레이저를 재조정하거나 적극적으로 유지 관리할 필요 없이 안정적인 일상 작동을 제공하는 것이 중요합니다. 실험 중 계획되지 않은 가동 중지 시간은 과학 연구의 처리량에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 신뢰할 수 있고 사용하기 쉬운 턴키 시스템이 필요합니다.
광학 쌍극자 및 격자 냉원자 실험의 경우 연속파(CW)인 약 1μm의 멀리 떨어진 공진 파장이 선택되는 경우가 많습니다(적색으로 조정된 트랩의 경우). 이 파장은 광학 여기를 방지하기 위해 대부분의 원자에 충분한 스펙트럼 오프셋을 제공하며 최대 수십 와트까지 확장 가능한 출력 전력을 갖춘 이테르븀 첨가 고체 및 광섬유 레이저와 함께 시중에서 편리하게 구입할 수 있습니다. 높은 전력은 광학 쌍극자 트랩의 깊이를 증가시키기 때문에 유리합니다. 기타 중요한 레이저 매개변수는 다음과 같습니다.
레이저 선폭 - 잘 정의된 간섭 패턴을 위해서는 좁은 선의 단일 주파수 방출이 필수적입니다. 이 매개변수를 지정할 때는 레이저 선폭의 측정 시간을 고려해야 합니다.
상대 강도 노이즈(RIN) - 강도의 변동으로 인해 저온 원자의 가열 속도가 증가하므로 가능한 가장 낮은 노이즈가 바람직합니다.
주파수 노이즈 - 레이저의 주파수 노이즈는 원자의 가열 속도에도 영향을 미치므로 특히 실험 중인 레이저가 외부 기준에 대해 주파수가 안정화되지 않은 경우 변동을 최소화하는 것이 바람직합니다.
Mephisto - 가장 까다로운 응용 분야를 위한 레이저
CW 안정성이 높은 레이저 소스에 대한 Coherent의 접근 방식은 NPRO(비평면 링 발진기) 기술을 기반으로 합니다. 스탠포드 대학에서 발명된 이후[8] 이 기술은 사용 가능한 가장 낮은 노이즈의 CW 레이저 아키텍처로 인식되었습니다. 이는 모든 Mephisto 레이저의 기초를 제공하며, 마스터 발진기 공동은 개별 광학 요소가 아닌 모놀리식 결정에만 기반을 두고 있습니다(그림 4). 이러한 레이저는 매우 낮은 주파수와 진폭의 노이즈를 전달합니다. 레이저의 극히 낮은 위상 노이즈로 인해 100밀리초에 걸쳐 1kHz 미만의 고유 선폭을 사용할 수 있습니다. 또한 이 좁은 방출선은 NPRO 결정 온도를 조정하거나 고속 통합 압전 변환기(PZT)로 미세 조정하여 중앙 방출 주파수를 중심으로 높은 정밀도로 조정할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 레이저 방출을 완벽하게 제어할 수 있으며, 이는 원자 냉각 및 트래핑 실험에서 매우 중요합니다. 또한 이 제어를 통해 더 높은 주파수 안정성이 필요할 때 레이저를 외부 기준에 고정할 수 있습니다. 예를 들어, 사용자는 레이저의 주파수 제어에 접근하여 레이저를 외부의 안정성이 높은 공동 또는 요오드 라인에 고정하기를 원할 수 있습니다.
효율적인 간섭 구조 생성에 중요한 좁은 선폭 및 낮은 위상 노이즈 성능 외에도 Mephisto 제품은 낮은 진폭 노이즈를 제공하며 이는 NE(Noise Eater) 기술을 통해 더욱 향상됩니다. 많은 다이오드 펌프 고체 또는 광섬유 레이저에서와 마찬가지로 펌프 다이오드와 이완 진동은 두드러진 강도 노이즈의 원인입니다. Noise Eater는 펌프 다이오드에 피드백 신호를 제공하여 이 두 가지 구성 요소를 효과적으로 제거합니다. Mephisto 제품의 기술에 대한 자세한 설명은 [9]을(를) 참조하십시오.
그림 4. NPRO 결정의 도식적 표현. 주황색 화살표는 펌프 빛을 나타내고 파란색 화살표는 레이저 모드의 경로를 나타냅니다.
뛰어난 안정성 매개변수로 인해 Mephisto는 가장 까다로운 저노이즈 레이저 응용 분야에서 선택되는 레이저입니다. 여기에는 중력파 감지[10], 간섭계 측정, 저신호 헤테로다이닝, 계측 및 유사 응용 분야가 포함됩니다. 원자 물리학 실험은 특히 비공진 파장을 사용하여 잠재적 트랩의 깊이와 고정밀 안정 광학 격자를 형성할 때 높은 안정성과 고출력의 이점을 누릴 수 있습니다.
NPRO 마스터 발진기에서 직접 출력되는 출력 전력은 최대 2W까지 상업적으로 이용 가능합니다. 더 높은 전력에서는 열 효과로 인한 가로 및 세로 모드 불안정으로 인해 레이저 성능이 저하될 수 있습니다. 그러나 이 백서에서 설명하는 응용 분야에서는 매우 좁은 선폭, 낮은 노이즈 및 고주파수 안정성을 유지하면서 훨씬 더 높은 전력, 즉 수십 와트가 필요합니다.
그림 5. Coherent Mephisto MOPA
그림 6. Mephisto MOPA 디자인의 도식적 표현
이러한 전력 제한을 극복하기 위해 Coherent는 MOPA(마스터 발진기 전력 증폭기) 접근 방식을 사용합니다. NPRO 발진기는 이 구성에서 시드 소스로 사용됩니다. 이 시드 레이저의 출력은 최대 4개의 증폭 단계(다이오드 펌핑 네오디뮴 바나듐산염 결정, 그림 6)를 사용하여 점진적으로 증폭됩니다. MOPA 구성으로 인해 레이저의 매개변수는 NPRO 결정이 최적의 전력 수준에서 작동하는 시드 레이저 내부에서 정의됩니다.
MOPA는 공장 통합 단일 상자 솔루션에서 표준 Mephisto의 탁월한 안정성과 함께 1064nm에서 최대 55W의 전력 증폭을 제공합니다. 결과적으로 유사한 매우 좁은 선폭, 위상 노이즈 스펙트럼 및 주파수 튜닝 기능을 사용할 수 있습니다. 저온 원자 응용 분야에서 중요한 점은 레이저 진폭 노이즈에 대한 영향이 최소화된다는 점입니다. 즉, 50kHz 이상의 주파수에서는 노이즈가 추가되지 않습니다. MOPA 제어 전자 장치에 의해 낮은 주파수에서 약간의 증가가 발생합니다(그림 7 참조). RIN 스펙트럼을 사용하여 광학 트랩에서 레이저 노이즈로 인한 저온 원자 가열 속도를 계산할 수 있습니다[11](그림 8). Mephisto MOPA의 저강도 노이즈로 인해 가열 속도는 다른 레이저 기술에 비해 상당히 낮을 수 있습니다. 좋은 빔 매개변수와 1km를 초과하는 매우 긴 일관성 길이 덕분에 실험 설정에서 빔을 쉽게 조작할 수 있으며, 특히 빔 스플리터와 역반사기로 다중 빔이 형성되는 경우 더욱 그렇습니다. 조정 가능한 레이저, Zeeman 감속기, 진공 챔버, 원자 소스, 관련 광전자 공학 등을 포함하여 저온 원자를 사용하는 대부분의 과학 실험은 상대적으로 복잡합니다. 따라서 완전히 통합된 레이저 시스템과 간단한 턴키 작업을 포함하는 단일 상자 솔루션을 제공하는 것이 중요합니다. 이러한 방식으로 사용자는 레이저 유지 관리보다는 실험에 더욱 집중할 수 있습니다. 완전고체 기술을 기반으로 하는 Mephisto MOPA 외에도 Coherent는 NuAmp 제품 라인을 통해 CW 단일 주파수 광섬유 증폭기도 제공합니다. NuAmp 제품은 최대 50W의 전력 증폭을 제공하고 광섬유를 통한 빔 전달을 가능하게 하며 1030~1110nm의 파장 범위에서 사용할 수 있습니다.
그림 7. 시드 레이저와 55W 출력의 MOPA 출력에서 측정한 상대 강도 노이즈(RIN)
그림 8. MOPA의 레이저 강도 노이즈로 인한 저온 원자 가열 속도
요약
안정적인 CW 레이저는 저온 원자 연구를 위한 다양한 실험 방법에 사용됩니다. Coherent Mephisto MOPA는 NPRO 기술과 잘 정립된 레이저 전력 증폭 기술을 사용하여 철저한 현장 테스트를 거친 턴키 단일 상자 솔루션으로 제공되는 매우 안정적인 레이저 소스를 제공합니다. 매우 좁은 선폭과 시장을 선도하는 위상 및 강도 안정성 매개변수를 통해 광학 쌍극자 트랩 또는 광학 격자가 사용되는 실험에서 가장 낮은 노이즈와 가장 긴 측정 시간이 가능합니다.