封面展示了507.4 nm綠光通過蝶形諧振倍頻腔獲得253.7 nm深紫外激光的過程。深紫外激光通過雙色分光片輸出，用于汞原子的激光冷卻裝置（磁光阱）。汞原子激光冷卻須長時間連續運行，對深紫外激光的頻率穩定性、功率穩定性和連續運行能力提出了很高的要求。該系統結合了轉移腔穩頻、光學鎖相、光纖激光放大、周期極化晶體單通倍頻和CLBO晶體的外腔諧振倍頻等技術，實現了253.7 nm深紫外激光的低噪聲、較高功率的長期穩定輸出。

一、背景介紹

隨著量子操控手段的不斷豐富，在激光冷卻等原子操控實驗中，深紫外激光得到越來越多的應用。相較于以鐿原子和鍶原子為參考的光晶格鐘，汞原子具有更低的黑體輻射頻移和簡單的鐘頻躍遷超精細結構等獨特優勢，也是目前能夠被激光冷卻的最重的元素。在汞原子光晶格鐘研究中，用于激光冷卻的1S0-3P1躍遷波長為253.7 nm，線寬為1.27 MHz，需要用100 mW的深紫外連續激光功率來實現激光冷卻，這意味著要將紅外激光四倍頻才能獲得。另外，在鐘躍遷頻率探詢中，探測光的強度噪聲會被引入到鐘頻探測中，導致鐘頻探測熒光信號的信噪比降低。因此，穩定連續運行的低噪聲大功率的深紫外冷卻光光源尤為重要。實現深紫外激光并使其連續運轉的最大難點在第二級倍頻，傳統方法是基于BBO晶體的諧振倍頻，但是BBO晶體的走離角大、紫外吸收系數高、損傷閾值較低，難以實現長時間連續運行。

二、創新工作

該工作中，中國科學院上海光學精密機械研究所徐震團隊采用了CLBO晶體進行第二級倍頻。和傳統的BBO晶體相比：當波長為253.7 nm時，CLBO晶體的線性吸收系數比BBO晶體低近5倍，盡管其有效非線性系數相對略小，但其走離角要減小約3倍，因此倍頻轉換效率略微高一些。在布儒斯特角出射下CLBO晶體的s偏振波反射率更低，對于深紫外激光的輸出損耗較小；并且CLBO晶體的激光損傷閾值要比BBO晶體高1-2個數量級，不容易損傷，對于長時間連續運行有較大優勢。由于CLBO晶體極其容易潮解，因此，該工作將整個倍頻腔密封在一個鋁盒內，同時CLBO晶體被控溫在150 ℃左右，并在鋁盒內持續通入高純度氣體以降低水分子和其他有機分子對晶體的影響，提高晶體的壽命。倍頻腔采用蝶形四腔鏡環形腔結構設計，CLBO晶體采用布儒斯特角入射，一個45°雙色分光片將深紫外激光耦合輸出，如圖1所示。

圖1 蝶形腔光路和整體機械結構圖。（a）光路；（b）機械結構

采用轉移腔穩頻和光學鎖相等技術，獲得了低噪聲和頻率穩定的窄線寬種子激光器，激光頻率穩定度可以達到10-12，線寬小于27 kHz，在10小時的連續測量中，種子光總頻率波動小于20 MHz。通過光纖激光放大和周期極化晶體單通倍頻得到1.1 W綠光，采用PDH（Pound-Drever-Hall）邊帶穩頻技術使得腔和激光共振后，獲得了198 mW的深紫外激光輸出，倍頻轉換效率為18%。通過光束整形和空間濾波系統，遠場的光斑呈現為平滑的高斯型圓斑，相應的光束質量因子分別為Mx2=1.59和My2 =1.15。深紫外激光輸出具有極低的功率噪聲，在10 Hz以上小于-100 dBc/Hz，而在1 Hz最大為-90 dBc/Hz，比BBO晶體倍頻的同類型激光器要低20 dB，這主要得益于種子激光器頻率和倍頻腔PDH穩頻的高穩定性。

圖2 深紫外激光系統連續運行48 h的功率變化，插圖為深紫外激光的功率穩定度

如圖2所示，經測試，該激光系統累計運行時間超過150小時，在最后48小時的連續測量中，功率漲落峰峰值為9.8%，RMS功率漲落為3.1%，表現出了較好的長期穩定性。這種高功率、低噪聲和較高穩定性的深紫外激光系統可以較好地滿足汞原子冷卻實驗的需要，并且未來會顯著提高冷原子實驗的連續運行能力。

三、總結與展望

經過長時間運行后，發現深紫外光功率輸出功率仍有緩慢下降的態勢。經診斷發現，損傷來源為輸出耦合鏡的損傷。今后將改進鍍膜技術，進一步提高輸出耦合鏡的損傷閾值，并通過電控平移結構換點來進一步提升深紫外激光系統的運行能力和長期穩定性。另外，還將通過調控激光放大器的電流來實現功率穩定，進一步提高深紫外激光輸出的穩定性，為汞原子光晶格鐘的連續運行提供良好的硬件支撐和技術儲備。該方案也可用于其他的深紫外波長，在冷原子物理、高精密光譜和半導體檢測等領域中得到應用。

參考文獻： 中國光學期刊網

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