超冷原子冷却用集成全光纤1064_nm激光系统的研制_谢昱.pdf

0114001-1第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报封面文章研究论文超冷原子冷却用集成全光纤 1064 nm 激光系统的研制谢昱1，2，梁昂昂1，2，李文文1，2，黄名山1，2，汪斌1*，刘亮1*1中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800；2中国科学院大学材料科学与光电子技术学院，北京 100049摘要 深度冷却是超冷原子制备过程的关键步骤，是探寻极低温度的关键技术。详细阐述了一种用于87Rb原子深度冷却的集成化全光纤 1064 nm 激光系统的研制方案。激光器采用两级主振荡功率放大的方案，将单一种子源信号进行放大、分束和调控，输出 4路具备独立控制的激光，作为制备超冷量子气体的交叉光阱的光源。经测试，激光器在功率、稳定性、噪声等各方面满足原子深度冷却的实验需求。在地面条件下进行的两级深度冷却预实验中，获得了 10 nK 以下的初步实验结果，这验证了激光器具备实现超冷原子深度冷却所需的全部功能。激光器集成了种子源、放大器和全功能光学平台的功能，其内部模块采用全光纤器件研制，具有集成化、数字化、高稳定、免调试、易维护等优点，经过简易改造能够应用于远程遥控和遥测的超冷原子项目中。关键词 激光光学；激光囚禁；玻色-爱因斯坦凝聚体；光纤激光器；激光冷却中图分类号 O515 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2211831引 言超低温一直是物理研究与技术发展的关键目标与驱动力。1985年激光冷却技术的发明将稀薄原子气体的温度极限推进到了 K量级1-5，为人类带来了冷原子干涉仪6-8等精密测量仪器。1995年的蒸发冷却实验成功实现了 nK量级的冷却温度，更是开拓了对玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）9-12和简并费米气体（DFG）13-14的实验研究，进一步实现了用于研究复杂量子多体问题的光晶格量子模拟15-20。为了排除重力的影响、更进一步获得低于 1 nK 的超低温，科学家们相继提出了 Quantus落塔21、抛物线飞机22、MAIUS 声速火箭23-24和冷原子实验室（CAL）国际空间站载荷25等微重力实验方案，并利用小型化原子芯片等装置实现了动能等效温度小于 1 nK的超冷原子气体。2021年，Rasel小组26利用 BEC四极振荡模将一维动量转移至其他两个维度上，并利用脉冲冲击冷却（DKC）的方法冷却剩下两个维度，创造了等效温度低于 38 pK 的超低温极限。2022 年，Gaaloul等27同样利用DKC的方法在轨获得了50 pK的超低温样本。为了与微重力设备兼容，上述实验方案大部分采用小型化的原子芯片，利用磁透镜 DKC 进行深度冷却。2013 年陈徐宗小组28提出了一个应用于微重力条件下基于全光方法进行深度冷却的实验方案。该方案采用两对 1064 nm 远失谐光阱（FORT），相继进行蒸发冷却和绝热膨胀冷却，通过直接蒙特卡罗模拟算法计算得出在微重力环境中可以获得低于 100 pK 的超冷原子气体的结论。相比于 DKC，这种两级冷却（TSC）方法能够避免阱频率各向异性导致的冷却效率的降低，从而实现更低的冷却温度，因此更具有应用潜力29-30。通过磁托举方法，2018 年 Luan 等30对87Rb原子进行了地面模拟微重力实验，获得了温度低达3 nK的87Rb BEC。空间超冷原子物理实验采用上述 TSC 实验方案作为超低温冷原子制备的关键技术路线，并基于此进行了如下改进：增大光阱光功率动态范围和关断比，进一步降低冷却温度；采用 4路独立控制的光阱激光，避免单路激光复用导致的光功率不平衡等问题；系统具备集成化、小型化、高可靠性特性，满足实验设备工程化需求。为了实现在轨全光深度冷却，在前期工作31-34的基础上，开发了一套集成化全光纤 1064 nm 光阱激光系统。激光器内部集成了种子源、光功率开关以及放大、调控、闭环反馈等功能，激光器与物理系统通过光纤进行连接，提供满足 TSC 冷却实验需要的 4路交叉光阱激光。相比于常规地面实验室常见的 FORT 光路设收稿日期：2022-05-23；修回日期：2022-06-16；录用日期：2022-06-29；网络首发日期：2022-07-09基金项目：国家自然科学基金（U1730126）、中国科学院青年创新促进会通信作者：*；*0114001-2封面文章研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报计35-36，全光纤链路具有高稳定、免调试、易维护等优点，充分满足空间站等远程遥控项目的应用需求。本文描述了激光器的光学设计，通过指标分解及实验验证，提供了一套标准的设计实施流程，以为后续工作提供借鉴和参考。2理论分析TSC方案采用不同功率的两对 1064 nm 连续光构成阱深和阱体积各不相同的 FORT，按照光腰大小可将光阱分为细腰光阱和粗腰光阱。对于束腰w相同、传播方向垂直的一对高斯光束构成的光阱，其势阱空间分布为U(x，y，z)=-Uzexp-2()x2+y2w2-Uxexp-2()y2+z2w2，（1）式中：Uz和Ux分别是沿z和x方向传播的光阱深度；Uz()x=3c2Pz()x230w2(nature0-laser)，Pz()x为沿z（x）方向传播的光阱的光功率，c为真空光速，nature为原子上能级自然线宽，0为共振跃迁频率，laser为光阱工作频率。根 据 目 前 的 实 验 参 数，细 腰 光 阱 阱 深 需 要 在500 K100 nK 范围内连续可调，而粗腰光阱阱深要求覆盖 1 nK100 nK 范围，对应的两类光阱的功率不小 于 5 W 和 100 mW，要 求 关 断 比 不 小 于 60 dB 和40 dB。两级冷却期间，光阱的功率波动会导致加热，基于参 量 激 发 理 论 对 激 光 器 相 对 功 率 稳 定 度0进 行估计37：0=0dvtrapS()2vtrap=vlowervupperdvtrap1TI2v2trap，（2）式中：S(2vtrap)为阱频率vtrap的 2 倍处的噪声功率谱密度；TI是预期的原子寿命（加热率的倒数）；vlower和vupper分别为二倍阱频率的上下限，由相应的实验光阱阱频率范围决定。假设原子寿命TI 100 s，相应的满功率下 细 腰、粗 腰 光 阱 光 功 率 稳 定 度 静 态 指 标 分 别 为0，thin 2.5 10-3和0，wide 2.13 10-2。当光阱光功率反馈带宽大于冷却阶段的功率扫描采样频率时，可以将每个采样点视为一段静态过程，由此可以将满功率下光阱光的静态光功率稳定性指标视为两级冷却期间的动态指标。此外，航天工程对集成化、小型化、数字化具有较高要求，商用激光器难以满足。结合上述实验要求，研制了一套用于超冷原子深度冷却的集成化全光纤1064 nm 激光器。3激光系统光学设计3.1激光系统模块设计总体上，激光器采用分束放大的方案，即采用“前级放大器+分束+功率控制+后级放大器”对单一种子源进行多路高功率放大与大动态范围控制，使其满足原子冷却实验的需求。种子源选用具有连续输出能力的单模窄线宽 1064 nm 激光管。光功率放大器采用光纤主振荡功率放大（MOPA）方案。光功率控制采用光纤耦合声光调制器（AOM）。激光系统由全保偏光纤器件组成，光纤链路如图1所示，依照功能可分为高质量种子源（图 1左侧部分）和高功率放大（图 1右侧部分）等两大模块。单一光源图 11064 nm 激光器光学原理设计图Fig.1Optical principle design of 1064 nm laser0114001-3封面文章研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报小信号种子光经 MOPA 器件、光纤分束器、光纤 AOM等产生 CH1CH4 这 4 路功率可调谐的 1064 nm 远失谐光阱激光。其中 CH1、CH2 作为高功率细腰光阱光，CH3、CH4作为低功率粗腰光阱光。高质量种子源模块用于产生后续光学系统所需的稳定可靠的光源，包含种子源、高增益预放大器（PA）和 光 纤 分 束 器 三 个 部 分。其 中，种 子 源（PL-DFB-1064-A1，LD-PD 公司）输出中心波长为 1064 nm、功率为 50 mW 的种子光。PA 对小信号种子光进行高增益光功率放大，实现大于 2 W 的高稳定闭环反馈输出。PA 输出信号经过两级分束，产生功率比满足 3 3 2 2的 4路支路信号，其中前两路作为细腰光阱光源，后两路作为粗腰光阱光源。高功率放大模块起到放大、功率控制和监测的作用，使得输出信号在功率、动态范围和稳定性等方面均能满足实验需求。高功率放大模块包含功率控制级和功率监测级两个组成部分。根据输出需求的不同，每一路的功率控制级设计方案也略有差异。4路光阱光均采用光纤 AOM 进行功率控制，同时对成对信号引入了 160 MHz的频率差，以避免光阱交叠处产生的干涉条纹对原子的加热（光阱的阱频率一般在 kHz量级，远低于 160 MHz）。特别地，在 CH1、CH2 支路 AOM后再插入一级高功率主放大器（BO），以实现细腰光阱光大于 5 W 的输出需求。为了满足输出功率的稳定性要求，在各路激光输出前，利用高分束比的分光器对输出功率进行采样，采用 PD 进行功率监测，并将功率采样信号通过伺服系统反馈至 AOM 射频源或 BO 泵浦电流驱动上，实现输出光功率的闭环反馈控制。3.2光纤放大器设计MOPA 器件选用发射波段为 10001100 nm 的掺镱光纤（YDF）作为增益介质，同时选用 976 nm 光栅锁波长 LD 对 YDF 进行包层正向泵浦。如此选择的原因是：1）增益光纤对 976 nm 光波具有最大的吸收系数，能减短 YDF，抑制受激布里渊散射（SBS）阈值，提高输出功率；2）泵浦光波长锁定能够有效避免敏感波段波长抖动，导致泵浦效率的降低，提高输出稳定性；3）正向泵浦具有较小的噪声系数，能够有效提高输出光束的信噪比。对于高功率光路 CH1、CH2，采用两级 MOPA 方案，通过 PA 与 BO 的配合，缩短单级增益光纤长度，提高 SBS 阈值，抑制其对输出线宽的影响，通过中间级滤波等处理，减少自发辐射放大（ASE）噪声在链路中传播，提高输出信号的信噪比和光谱纯度。PA 与 BO 两类放大器结构如图 2 所示，均采用了单级 MOPA 方案。信号通过分束器后，进行功率监测，将其反馈到泵浦 LD 供电控制上，避免放大器空载导致损坏。随后，利用功率耦合器（PC）将信号光与泵浦光进行合束，一同输入 YDF进行饱和增益放大。放大后，利用包层泵浦除去器（CPS）上涂敷的高折射率包层材料，除去残余在包层中的高功率泵浦信号，进而提高输出光谱纯度。最后通过光纤光隔离器（ISO）隔离回波，避免自激振荡对光纤器件的损坏。为了进一图 2光功率光纤放大级 MOPA结构Fig.2MOPA structure of optical power fiber amplification stage0114001-4封面文章研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报步提高输出稳定性，采用分束器和光电探测器（PD）对输出信号进行采样，通过伺服系统反馈至泵浦 LD，对输出功率进行反馈控制。根据应用场景的不同，两者设计也略有不同。PA输入级采用了具备隔离功能的隔离分束器（tap-ISO）以有效隔离放大器的后向回波，防止损坏种子源。由于前级 PA 输出具备了隔离功能，所以 BO 输入级仅使用高分束比的分束器即可防止放大器空载，能够降低ISO 带来的插入损耗。另一处不同在于，在 CPS 后级PA 添加了一段滤波带宽为2 nm 的保偏带通滤波片（PMBP）作为中间级滤波，提高 PA 输出的信噪比，抑制 ASE等噪声在光纤链路中的传播。4结果与讨论4.1部组件测试MOPA 器件是实现光功率放大的唯一器件，同时也是细腰光阱高功率控制的重要组成部分，通过对三路放大器进行逐级测量，确定了放大器工作点和驱动电流控制曲线。测得不同泵浦功率下