白皮书
应用于冷原子的高可靠性激光源
冷原子研究最初是属于原子物理领域，现已发展成为广泛的、高度跨学科的研究工作。基于激光对原子冷却和捕获 [1] 的发展，以及玻色爱因斯坦凝聚（BEC）[2] 的发展，该领域如今涉及原子、分子和光学（AMO）物理、理论建模、凝聚态物理、量子化学、激光技术等学科。得益于各种磁光技术，BEC 现在可以被操纵、探测和研究，这为从事基础物理、原子钟、量子信息、传感、计量和超导等领域的研究人员提供了强大的工具。
在这种研究背景下，全世界都非常关注 [3-5] 发明一种基于冷原子技术的设备。例如，“原子电子学”领域的研究人员，正在寻求创造一种与传统电子元件等效的产品，比如二极管、晶体管和存储元件。这就涉及到BEC技术，捕获电势以及移动、操纵和检测原子的方法。人们正在努力通过使用冷原子技术来发明超精密测量和传感设备（重力计、加速度计、磁场传感器等）以及量子信息和计算元件。
在本白皮书中，我们讨论了冷原子领域的重要技术之一：使用超大失谐、非谐振激光来捕获、冷却和操纵原子。我们回顾了光学偶极子阱、蒸发冷却和光学晶格的技术和主要应用，并讨论了这些技术对所用激光系统的严格要求。还深入介绍了 Coherent 超低噪声连续激光器产品线以及它背后的技术。
光学偶极子捕获是一种成熟的技术，可以使用激光束限制冷原子云 [6]。在将原子放入陷阱之前，使用传统的多普勒冷却技术将其冷却至 mK – μK 温度。当光波的振荡电场在原子中感应出电偶极矩时，就会产生这种光陷阱，原子会被高强度光吸引或排斥。用不同力学符号表示光的频率是否比特定原子共振频率低（ω 激光< ω 共振，红光失谐陷阱）或高（ω 激光> ω 共振，蓝光失谐陷阱）。
最简单的偶极子陷阱可通过简单地聚焦单个红色失谐激光束，增加实验中需要捕获原子的特定区域的光强度来产生。多个激光束交叉也可以产生不同形状的陷阱（图 1）。蓝光失谐光可实现不同形式的捕获势，例如“盒”型陷阱。
图1. 光学偶极子陷阱
光学偶极子陷阱是冷原子实验中的一种通用方法。首先，加载的陷阱能够将原子限制在限定的空间内。其次，也可以将它们从实验的一个位置转移到另一个位置。作为保守型陷阱，它不会引起光学激发，作用力仅取决于原子的位置。
光学偶极子陷阱在 80 年代和 90 年代发挥了重要作用，当时多普勒冷却技术在 mK 范围内的温度达到了极限。受到光子散射引起的热效应的影响，很难实现更低的温度。但这个温度对于创建原子 BEC 来说还是太高了。因此后来开发了进一步降低原子温度的蒸发冷却方法。该方法的原理基于由先前讨论的非谐振激光束或使用不均匀磁场产生的势阱 [6]。一旦原子被限制，陷阱的高度就会通过控制激光强度来控制。速度最快（“最热”）的原子从陷阱中逃逸（“蒸发”），并带走动能，而其余原子则在较低温度下重新热化（图 2）。陷阱的高度降低，重复该过程，直到原子形成 BEC。如今，这种方法通常用于需要几 μK 到 nK 的冷原子温度的实验中。
图 2. 蒸发冷却
使用非共振激光提供的另一个强大工具是光学晶格。使用稳定的非共振光，通过干涉多个激光束来产生光学晶格。与光学偶极子阱中的“大块”捕获不同，光学晶格提供了许多以周期性排列的微观势阱（图 3）。可使用红色失谐光、蓝色失谐光或两者的组合来产生不同形状的陷阱。3D 光学晶格可以在更大的尺度上模拟固态晶体的结构，其中光干涉图案代表晶格，冷原子模拟电子。这种无缺陷、可调谐的晶格的测量时间在秒范围内，并可作为固体物理学的一个研究模型。下面列出了一些研究亮点：
相变 – 使用超冷原子技术，通过光学晶格和磁场操纵它们的状态，可以访问各种量子相。研究这些物质状态、性质和动力学，对于凝聚态物理和超导体研究人员来说非常重要。例如，研究人员对从超流体 BEC 到莫特绝缘体的可逆转变过程，进行了深入研究 [7]。
原子钟 - 原子钟是计量学的一项关键技术，它之前是基于微波技术。光学原子钟在过去十年得到了快速发展，目前基于光学晶格的原子钟，在稳定性和系统误差方面处于领先地位。
图 3. 限制在光学晶格中的冷原子
双原子分子 – 迄今为止，冷原子技术大多数研究都是通过冷却和处理单原子（通常是中性碱型原子，易于冷却，通过可调谐激光获得跃迁 - Rb、Cs、Li、Na、K，以及更复杂的结构原子，如 Ca、Sr、Yb、Dy）。现在，人们对超冷极性双原子分子也越来越感兴趣。这种配对可以通过光关联过程或通过费什巴赫共振创建。对于研究量子相互作用的研究人员来说，它们提供了一种高度可控的方法，来研究光学晶格中的多体现象和长程偶极子，即偶极子相互作用。实验室的超冷双原子分子，通过钠-钾（NaK）、钾-铷（KRb）、锂-铷（LiRb）对产生。使用此类技术还产生了同核冷分子（K2、Rb2、Na2）。除了这种冷分子的“合成”外，还可以用于分子的直接冷却。
量子模拟器 – 利用光学晶格中的冷原子设计实验系统，该系统可以作为量子物理学中某些问题的研究模型，这些问题在理论上或数值上尚无法解答。这种模拟器能控制实验参数、操纵原子状态并测出结果。先前讨论的工具（如不同的量子相和双原子分子）经常用于此类实验。此类模拟器模型有希望解决经典计算无法解决的问题。
激光源要求
以上讨论的实验涉及的是微到纳开尔文温度下的原子，因此它们对任何噪声都极其敏感，这会影响实验的分辨率或测量时间。激光系统将不可避免地影响这一点。不同的激光系统可能会产生源自泵浦二极管的强度噪声、弛豫振荡噪声、电子控制噪声和非线性效应。频率噪声（激光发射频率的抖动）会受到腔体热机械特性的影响。此外，实验可能对某些特定频率更敏感，例如陷波频率。除了稳定性外，用于冷原子的激光源时还需要考虑其他因素。作为大型复杂实验装置的一部分，激光器需要具备良好的可靠性，不需要经常维护。实验中任何计划外的停机都会对科研的产出产生负面影响。这就需要一个可靠性高、易于使用的系统。
对于光学偶极子和晶格冷原子实验，通常选择 1 μm 左右的连续（CW）、非共振波长（用于红光失谐陷阱）。此波长为大多数原子提供了足够的光谱偏移，以避免任何光激发，并且是市面上常见的掺镱固态和光纤激光器中的波长，输出功率可达到数十瓦。高功率可以增加光学偶极子陷阱的深度。其他重要的激光参数包括：
激光线宽 – 窄线宽单频激光可以减少噪声影响。必须考虑激光线宽的测量时间，以确定线宽大小。
相对强度噪声（RIN）– 由于强度的任何波动都会增加冷原子的加热速率，因此需要尽可能低的噪声。
频率噪声 – 激光的频率噪声也会影响原子的加热速率，因此需要最小的频率波动。
Mephisto – 适用于极其苛刻要求的激光器
Coherent 的连续高稳定性激光器基于非平面环形振荡器（NPRO）技术。自从斯坦福大学发明该技术以来 [8]，其已被公认为现有的噪声最低的连续激光器技术。Mephisto 激光器就是基于这种技术，主振荡器腔完全基于单片晶体而不是分立光学元件（图 4）。此类激光器可提供极低的频率和振幅噪声。由于激光器的相位噪声极低，因此可在 100 毫秒内实现 <1kHz 的固有线宽。此外，通过调整 NPRO 晶体温度或使用集成压电传感器（PZT）对其进行微调，可在中心频率附近高精度地调整线宽。用户可以自由控制激光，这在原子冷却与捕获实验中极其重要。此外，通过调整 NPRO 晶体温度或使用快速集成压电传感器（PZT）对其进行微调，可围绕其中心发射频率高精度地调整这种窄发射线。它允许用户完全控制激光发射，这在原子冷却与捕获实验中极其重要。当需要更高的频率稳定性时，还可以连接外部反馈设备。例如，用户希望通过控制激光器的频率，将激光器锁定到外部高稳定性腔或碘线。
除了窄线宽和低相位噪声性能外，Mephisto 产品还具有低幅度噪声，并可以通过噪声消除器（NE）技术进一步优化。与许多二极管泵浦固态或光纤激光器一样，泵浦二极管和弛豫振荡是主要的强度噪声因素。噪声消除器通过向泵浦二极管提供反馈信号，有效地消除了这两个因素。有关 Mephisto 产品技术的更详细介绍，请参阅 [9]。
图 4. NPRO 晶体示意图。橙色箭头表示泵浦光，蓝色箭头表示激光的路径。
由于其卓越的稳定性，Mephisto 成为要求低噪声应用的首选激光器。这包括引力波探测 [10]、干涉测量、低信号外差、计量等类似应用。当使用非共振波长形成足够深的势阱和高精度高稳定性的光学晶格时，对原子物理实验具有重要意义。
来自 NPRO 主振荡器的输出功率高达 2W。在高功率下，由于热效应，激光性能可能会受到横模和纵模不稳定性的影响。然而，本白皮书中讨论的应用是需要高功率激光，即数十瓦，同时还需要激光具有超窄线宽、低噪声和高频稳定性。
图5. Coherent Mephisto MOPA
图 6. Mephisto MOPA 设计示意图
为了达到高功率，Coherent 使用了主振荡器功率放大器（MOPA）方法。NPRO 振荡器在此配置中用作种子源。该种子激光器的通过使用多达四个放大级（二极管泵浦钒酸钕晶体，图 6）逐渐放大。由于采用 MOPA 设计，可以在种子激光器内部设置参数，保证 NPRO 晶体以最优功率运行。
MOPA 在 1064nm 处提供高达 55W 的功率输出，并具有无与伦比的稳定性。因此，可以获得类似的超窄线宽、相位噪声频谱和频率调谐功能。对于冷原子应用来说，激光振幅噪声很小，即在 50kHz 以上的频率不会增加额外的噪声。MOPA 控制电路会在较低频率下产生很低的噪声（见图 7）。使用 RIN 光谱，可以计算光阱中激光噪声引起的冷原子加热速率 [11] – 图 8。由于 Mephisto MOPA 的噪声低，与其他激光技术相比，加热速率显着降低。良好的光束质量和极长的相干长度（> 1 km）使得激光在实验中易于操纵，特别是在经过分束器和反射镜形成多个光束的情况下。大多数冷原子的科学实验都非常复杂，包括可调谐激光器、塞曼慢速器、真空室、原子源、相关光电子元件等。这就需要一个高集成度的激光系统，简单易操作。这样，用户可以专注于实验本身。除了基于全固态技术的 Mephisto MOPA 之外，Coherent 有 NuAmp 产品线，提供连续单频光纤放大器。NuAmp 产品提供高达 50W 的功率输出，可通过光纤进行光束传输，波长范围为 1030–1110 nm。
图 7. 测量了 55W 功率时种子激光器与 MOPA 输出的相对强度噪声（RIN）
图 8. MOPA 激光强度噪声产生的冷原子加热速率变化
总结
稳定的连续激光器可用于许多不同的冷原子研究实验。Coherent Mephisto MOPA 采用 NPRO 技术和完善的激光放大技术，稳定性高，是经过现场检验的解决方案。它具有超窄线宽，并且是市场认可的相位和强度稳定性高，可在光学偶极子陷阱或光学晶格的实验中，实现最低的噪声和最长的测量时间。