Weißbuch
Hochzuverlässige Laserquelle für kalte Atome
Die Forschung an kalten Atomen, die ursprünglich zum Bereich der Atomphysik gehörte, hat sich mittlerweile zu einem breit gefächerten, stark interdisziplinären Forschungsgebiet entwickelt. Auf der Grundlage der Entwicklungen bei der Abkühlung und dem Einfangen von Atomen mittels Laser [1] sowie der Entwicklung der Bose-Einstein-Kondensation (BEC) [2] umfasst dieses Gebiet heute Disziplinen wie Atom-, Molekül- und Optikphysik (AMO), theoretische Modellierung, Festkörperphysik, Quantenchemie und Lasertechnik. Dank verschiedener magnetooptischer Techniken kann die BEC nun manipuliert, detektiert und untersucht werden, was Forschern in den Bereichen Grundlagenphysik, Atomuhren, Quanteninformation, Sensorik, Metrologie und Supraleitung leistungsstarke Werkzeuge an die Hand gibt.
Vor diesem Forschungshintergrund richtet sich weltweit großes Interesse [3–5] auf die Entwicklung eines Geräts auf Basis der Kaltatomtechnik. So versuchen beispielsweise Forscher auf dem Gebiet der „Forscher auf dem Gebiet der „Atomelektronik“ versuchen, Produkte zu entwickeln, die herkömmlichen elektronischen Bauteilen wie Dioden, Transistoren und Speicherelementen entsprechen. Dies betrifft die BEC-Technologie sowie Methoden zur Einfangung, Bewegung, Manipulation und Detektion von Atomen. Es wird daran gearbeitet, mithilfe der Kaltatomtechnik hochpräzise Mess- und Sensorgeräte (Gravitationsmesser, Beschleunigungsmesser, Magnetfeldsensoren usw.) sowie Bauteile für die Quanteninformation und -berechnung zu entwickeln.
In diesem Whitepaper behandeln wir eine der wichtigsten Technologien im Bereich der kalten Atome: das Einfangen, Kühlen und Manipulieren von Atomen mithilfe stark verstimmter, nichtresonanter Laser. Wir geben einen Überblick über die Techniken und wichtigsten Anwendungen von optischen Dipolfallen, Verdampfungskühlung und optischen Gittern und erörtern die hohen Anforderungen, die diese Techniken an die verwendeten Lasersysteme stellen. Darüber hinaus bieten wir einen detaillierten Einblick in die Produktreihe Coherent Dauerstrichlaser Coherent sowie in die dahinterstehende Technologie.
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）。
Die einfachste Dipolfalle lässt sich erzeugen, indem man einen einzelnen rotverschobenen Laserstrahl fokussiert und so die Lichtintensität in dem für den Einfang der Atome erforderlichen Bereich erhöht. Durch die Kreuzung mehrerer Laserstrahlen lassen sich auch Fallen unterschiedlicher Form erzeugen (Abb. 1). Mit blauverschobenem Licht lassen sich verschiedene Formen von Einfangpotenzialen realisieren, beispielsweise „kastenförmige“ Fallen.
Abb. 1. Optische Dipolfalle
Optische Dipolfallen sind eine gängige Methode in Experimenten mit kalten Atomen. Zum einen können die gefüllten Fallen die Atome auf einen begrenzten Raum beschränken. Zum anderen lassen sich die Atome damit von einem Ort des Experiments zu einem anderen transportieren. Als konservative Falle verursacht sie keine optische Anregung, und die Wirkkraft hängt ausschließlich von der Position der Atome ab.
Optische Dipolfallen spielten in den 80er und 90er Jahren eine wichtige Rolle, als die Doppler-Kühlung an ihre Grenzen im mK-Bereich stieß. Aufgrund der durch Photonstreuung verursachten thermischen Effekte war es schwierig, noch niedrigere Temperaturen zu erreichen. Diese Temperatur war jedoch für die Erzeugung eines atomaren BEC immer noch zu hoch. Daher wurden später Verfahren zur weiteren Senkung der Atomtemperatur entwickeltVerdampfungskühlungentwickelt. Das Prinzip dieser Methode basiert auf den zuvor besprochenen nichtresonanten Laserstrahlen oder auf Potentialfallen, die durch inhomogene Magnetfelder erzeugt werden [6]. Sobald die Atome eingeschlossen sind, wird die Höhe der Falle durch die Steuerung der Laserintensität geregelt.Die schnellsten („heißesten“) Atome entweichen aus der Falle („verdampfen“) und nehmen dabei kinetische Energie mit, während die übrigen Atome bei einer niedrigeren Temperatur wieder erwärmt werden (Abb. 2). Die Fallhöhe wird verringert, und der Vorgang wird wiederholt, bis die Atome ein BEC bilden. Heutzutage wird diese Methode üblicherweise in Experimenten eingesetzt, die eine Temperatur der Atome im Bereich von einigen μK bis nK erfordern.
Abb. 2. Verdunstungskühlung
Ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug, das durch den Einsatz nichtresonanter Laser bereitgestellt wird, istoptische Gitter.Optische Gitter werden unter Verwendung stabilen, nichtresonanten Lichts durch die Interferenz mehrerer Laserstrahlen erzeugt. Im Gegensatz zum „großen“ Einfang in optischen Dipolfallen bieten optische Gitter viele mikroskopisch kleine Potentialfallen, die periodisch angeordnet sind(Abb. 3). Mit rot oder blau detuniertem Licht oder einer Kombination aus beidem lassen sich Fallen unterschiedlicher Form erzeugen. 3D-optische Gitter können die Struktur von Festkörperkristallen in größerem Maßstab nachbilden, wobei das Lichtinterferenzmuster das Gitter darstellt und gekühlte Atome die Elektronen simulieren. Die Messdauer dieser defektfreien, abstimmbaren Gitter liegt im Sekundenbereich, und sie dienen als Forschungsmodell für die Festkörperphysik. Nachfolgend sind einige Forschungshighlights aufgeführt:
Phasenübergänge – Mithilfe der Technik der ultrakalten Atome lassen sich durch die Manipulation ihres Zustands mittels optischer Gitter und Magnetfelder verschiedene Quantenzustände zugänglich machen. Die Untersuchung dieser Zustände, Eigenschaften und Dynamiken ist für Forscher auf dem Gebiet der Festkörperphysik und der Supraleitung von großer Bedeutung. So haben Forscher beispielsweise den reversiblen Übergangsprozess vom supraleitenden BEC zum Mott-Isolator eingehend untersucht [7].
Atomuhren – Atomuhren sind eine Schlüsseltechnologie der Metrologie und basierten früher auf Mikrowellentechnologie. Optische Atomuhren haben in den letzten zehn Jahren eine rasante Entwicklung erfahren; derzeit nehmen Atomuhren auf Basis optischer Gitter hinsichtlich Stabilität und Systemfehler eine führende Position ein.
Abb. 3. In einem optischen Gitter eingeschlossene kalte Atome
Zweiatomige Moleküle – Bislang konzentrierte sich die Forschung im Bereich der Kaltatomtechnik überwiegend auf die Kühlung und Manipulation einzelner Atome (in der Regel neutrale Alkalimetallatome, die sich leicht kühlen lassen und deren Übergänge durch abstimmbare Laser angeregt werden – Rb, Cs, Li, Na, K – sowie Atome mit komplexerer Struktur wie Ca, Sr, Yb und Dy). Nun wächst das Interesse an ultrakalten polaren zweiatomigen Molekülen.Solche Paare können durch optische Kopplungsprozesse oder durch Fischbach-Resonanz erzeugt werden. Für Forscher, die sich mit Quantenwechselwirkungen befassen, bieten sie eine hochgradig kontrollierbare Methode zur Untersuchung von Vielteilchenphänomenen und Langreichweiten-Dipolen, d. h. Dipol-Wechselwirkungen, in optischen Gittern. Ultra-kalte zweiatomige Moleküle im Laborwerden durch Natrium-Kalium- (NaK), Kalium-Rubidium- (RbK) und Lithium-Rubidium- (LiRb) Paare erzeugt. Mit solchen Techniken wurden auch homonukleare kalte Moleküle (K₂, Rb₂, Na₂) erzeugt. Neben der „Synthese“ solcher kalten Moleküle können diese Verfahren auch zur direkten Kühlung von Molekülen genutzt werden.
Quantensimulator – Durch die Nutzung gekühlter Atome in optischen Gittern werden experimentelle Systeme entwickelt, die als Forschungsmodelle für bestimmte Probleme der Quantenphysik dienen können, die theoretisch oder numerisch noch nicht gelöst werden können. Solche Simulatoren ermöglichen die Steuerung der experimentellen Parameter, die Manipulation des Atomzustands und die Messung der Ergebnisse. Die zuvor besprochenen Werkzeuge (wie verschiedene Quantenzustände und zweiatomige Moleküle) werden häufig in solchen Experimenten eingesetzt. Diese Simulatormodelle versprechen die Lösung von Problemen, die mit klassischen Berechnungen nicht gelöst werden können.
Anforderungen an die Laserquelle
Die oben beschriebenen Experimente betreffen Atome bei Temperaturen im Mikro- bis Nanoskelvin-Bereich, weshalb sie äußerst empfindlich gegenüber jeglichem Rauschen sind,was die Auflösung des Experiments oder die Messzeit beeinträchtigen kann. Lasersysteme werden dies unvermeidlich beeinflussen. Verschiedene Lasersysteme können Intensitätsrauschen, das von den Pumpdioden stammt, Relaxationsschwingungsrauschen, elektronisches Steuerungsrauschen und nichtlineare Effekte erzeugen. Frequenzrauschen (Schwankungen der Laseremissionsfrequenz) wird durch die thermomechanischen Eigenschaften des Resonators beeinflusst.Darüber hinaus sind die Experimente möglicherweise gegenüber bestimmten Frequenzen empfindlicher, beispielsweise gegenüber Einfangfrequenzen. Neben der Stabilität müssen bei der Verwendung von Laserquellen für gekühlte Atome noch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Als Teil einer großen, komplexen Versuchsanordnung muss der Laser eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und wartungsarm sein. Jede ungeplante Ausfallzeit im Experiment wirkt sich negativ auf die Forschungsergebnisse aus. Dies erfordert ein hochzuverlässiges und benutzerfreundliches System.
Für Experimente mit optischen Dipolen und gittergekühlten Atomen wird üblicherweise eine kontinuierliche (CW), nichtresonante Wellenlänge von etwa 1 μm gewählt(für rotverschobene Fallen). Diese Wellenlänge bietet für die meisten Atome einen ausreichenden spektralen Versatz, um jegliche optische Anregung zu vermeiden, und entspricht den Wellenlängen handelsüblicher Ytterbium-dotierter Festkörper- und Faserlaser, deren Ausgangsleistung mehrere zehn Watt erreichen kann. Eine hohe Leistung kann die Tiefe der optischen Dipolfalle erhöhen. Weitere wichtige Laserparameter sind:
Laserlinienbreite – Einlaser mit schmaler Linienbreite kann den Einfluss von Rauschen verringern. Zur Bestimmung der Linienbreite muss die Messzeit der Laserlinienbreite berücksichtigt werden.
Relatives Intensitätsrauschen (RIN) – Da jede Intensitätsschwankung die Erwärmungsrate der kalten Atome erhöht, ist ein möglichst geringes Rauschen erforderlich.
Frequenzrauschen – Das Frequenzrauschen des Lasers beeinflusst ebenfalls die Erwärmungsrate der Atome, weshalb möglichst geringe Frequenzschwankungen erforderlich sind.
Mephisto Ein Laser für höchste Ansprüche
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。
Neben der schmalen Linienbreite und dem geringen PhasenrauschenMephisto ein geringes AmplitudenrauschenMephisto , das durch die Noise Eliminator (NE)-Technologie weiter optimiert werden kann. Wie bei vielen diodengepumpten Festkörper- oder Faserlasern sind die Pumpdioden und die Relaxationsschwingungen die Hauptursachen für das Intensitätsrauschen. Der Noise Eliminator eliminiert diese beiden Faktoren effektiv, indem er den Pumpdioden ein Rückkopplungssignal zuführt. Mephisto finden Sie in [9].
Abb. 4: Schematische Darstellung eines NPRO-Kristalls. Die orangefarbenen Pfeile zeigen den Weg des Pumplichts an, die blauen Pfeile den Weg des Lasers.
Aufgrund seiner herausragenden StabilitätMephisto der Laser der Wahl für Anwendungen, bei denen ein geräuscharmes Betrieb gefragt ist. Dazu gehören unter anderem die Gravitationswellendetektion [10], Interferometrie, Heterodynverfahren mit schwachen Signalen sowie metrologische Anwendungen. Für atomphysikalische Experimente ist es von großer Bedeutung, bei Verwendung nichtresonanter Wellenlängen ausreichend tiefe Potentialtöpfe sowie hochpräzise und hochstabile optische Gitter zu erzeugen.
Die Ausgangsleistung des NPRO-Hauptoszillators beträgt bis zu 2 W. Bei hohen Leistungen kann die Laserleistung aufgrund thermischer Effekte durch Instabilitäten der transversalen und longitudinalen Moden beeinträchtigt werden. Die in diesem Whitepaper behandelten Anwendungen erfordern jedoch Hochleistungslaser im Bereich von mehreren zehn Watt, die gleichzeitig eine extrem schmale Linienbreite, ein geringes Rauschen und eine hohe Frequenzstabilität aufweisen müssen.
Abb. 5. Coherent Mephisto MOPA
Abb. 6. Mephisto MOPA Entwurfsskizze
Um eine hohe Leistung zu erzielen,Coherent MOPA(Master Oscillator Power Amplifier). Der NPRO-Oszillator dient in dieser Konfiguration als Startquelle. Der Startlaser wird durch den Einsatz von bis zu vier Verstärkerstufen (diodengepumpte Nd:Vanad-Kristalle, Abb. 6) schrittweise verstärkt. Durch den Einsatz von MOPA -Design können Parameter im Seed-Laser eingestellt werden, um sicherzustellen, dass der NPRO-Kristall mit optimaler Leistung arbeitet.
MOPA bietet eine Ausgangsleistung von bis zu 55 W bei 1064 nm und zeichnet sich durch unübertroffene Stabilität aus. Dadurch lassen sich ähnlich schmale Linienbreiten, Phasenrauschspeztra und Frequenzabstimmungsfunktionen erzielen. Für Anwendungen mit kalten Atomen ist das Laseraμπitudenrauschen sehr gering, d. h., bei Frequenzen über 50 kHz entsteht kein zusätzliches Rauschen.MOPA Die Steuerungsschaltung erzeugt bei niedrigeren Frequenzen nur sehr geringes Rauschen (siehe Abbildung 7). Mithilfe des RIN-Spektrums lässt sich die durch das Laserrauschen verursachte Erwärmungsrate der kalten Atome im Lichtfalle berechnen [11] – Abbildung 8. Da Mephisto MOPA geringes Rauschen ist die Erwärmungsrate im Vergleich zu anderen Lasertechnologien deutlich geringer. Die gute Strahlqualität und die extrem lange Kohärenzlänge (> 1 km) machen den Laser im Experiment leicht handhabbar, insbesondere bei der Bildung mehrerer Strahlen über Strahlteiler und Spiegel. Die meisten wissenschaftlichen Experimente mit kalten Atomen sind sehr komplex und umfassen abstimmbare Laser, Zeeman-Verzögerer, Vakuumkammern, Atomquellen, zugehörige optoelektronische Komponenten und mehr.Dies erfordert ein hochintegriertes Lasersystem, das einfach zu bedienen ist. So kann sich der Anwender auf das Experiment selbst konzentrieren. Neben dem auf Vollfestkörpertechnologie basierenden Mephisto MOPA Coherent die NuAmp-Produktreihe, die kontinuierliche Einfrequenz-Faserverstärker bietet. Die NuAmp-Produkte liefern eine Ausgangsleistung von bis zu 50 W, ermöglichen die Strahlübertragung über Glasfaser und decken einen Wellenlängenbereich von 1030–1110 nm ab.
Abb. 7. Messung des Seed-Lasers bei einer Leistung von 55 W und MOPA gemessen
Abb. 8. MOPA Durch das Rauschen der Laserintensität verursachte Schwankungen der Erwärmungsrate von kalten Atomen
Zusammenfassung
Stabile Dauerstrichlaser können in vielen verschiedenen Experimenten zur Erforschung kalter Atome eingesetzt werden.Coherent Mephisto MOPA nutzt die NPRO-Technologie und ausgereifte Laserverstärkungstechniken und ist dank seiner hohen Stabilität eine praxiserprobte Lösung. Er verfügt über eine extrem schmale Linienbreite und ist auf dem Markt für seine hohe Phasen- und Intensitätsstabilität bekannt. Damit ermöglicht er in Experimenten mit optischen Dipolfallen oder optischen Gittern ein Minimum an Rauschen und maximale Messzeiten.