TECHNISCHER LEITFADEN: Hochleistungslaser (780 nm) zur Kühlung und Manipulation von Rubidiumatomen

Die Manipulation von Rubidiumatomen erfolgt üblicherweise mit Diodenlasersystemen, die typischerweise mehrere hundert mW nutzbare Leistung bei 780 nm liefern. Viele Anwendungen der Atomoptik erfordern jedoch höhere Laserleistungen bei gleichzeitig schmaler Linienbreite und hoher Strahlqualität. Eine Möglichkeit besteht in der Frequenzverdopplung von 1560-nm-Faserlasern, die optische Leistungen im zweistelligen Wattbereich liefern können.

Mit Hilfe von Covesion-MgO:PPLN-Kristallen wurden in einem frequenzverdoppelten 1560-nm-CW-SHG-System bis zu 11 W bei 780 nm erzeugt [1]. Darüber hinaus wurde in einem Quasi-CW-System mit zwei kaskadierten MgO:PPLN-Kristallen eine Spitzenleistung von 43 W bei 780 nm mit einem Wirkungsgrad von 66 % erreicht [2]. Details zum experimentellen Aufbau, den SHG-Kristallen und den Fokussierungsbedingungen, die zu diesen Ergebnissen führten, werden im Folgenden erläutert.

Diese auf MgO:PPLN basierenden Lasersysteme wurden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter eine Demonstration einer quantitativen µm Superposition über 54 Zentimeter [3], ein Präzisionsgravimeter [4], ein Zwei-Spezies-Atominterferometer für BECs [5] und ein neuartiger Sensor, der gleichzeitig Gravitations- und Magnetfeldgradienten mit hoher Präzision misst [6].

µm
der ANU mit einem 30 W starken 1560 nm Faserlaser in einem Frequenzverdopplungsverfahren im Einzelpass einen 780 nm Laser mit einer Linienbreite von 6 kHz und einem Wirkungsgrad von 36 %. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 0,3 %/W/cm² (in Systemen mit geringer Verstärkung sind typischerweise 0,6 %/W/cm möglich), und die maximale µm Bereich am Kristall beträgt 500 kW/cm². Das System lief über 2200 Stunden ohne Leistungsabfall. Die SHG-Ausgangsleistung ist in Abb. 1 dargestellt; der Ausschnitt zeigt den räumlichen Modus des 780 nm Lichts. Die Linienbreite der 780 nm Quelle beträgt 6 kHz, integriert über 100 ms.

Der optische Aufbau des Lasersystems ist in Abb. 2 dargestellt. Er besteht aus einem 30-W-Laser mit einer Wellenlänge von 1560 nm, einem MgO:PPLN-Kristall und einer Rb-Zelle zur Stabilisierung des Seed-Lasers. Als SHG-Kristall wurde ein Standard-MSHG1550-1.0-40 verwendet, der in einem PV40-Ofen mit einem OC1-Temperaturregler erhitzt wurde. Die verwendeten Kristallparameter und Fokussierungsbedingungen waren:

• Periode = 19,5 µm, T = 81,60 °C
• Kristalllänge = 40 mm, Dicke = 1 mm
• 1/e2 Durchmesser bei einer Linse mit 50 mm Brennweite = 1,1 mm
• entspricht einer berechneten Spotgröße von 45 µm (1/e² Radius) in der Mitte der Kristalllänge
• Maximale Eingangsintensität in µm am Kristall = 500 kW/cm²

Die Kasevich-Gruppe an der Stanford University demonstrierte 43 W quasi-kontinuierliches Licht mit einer Wellenlänge von 780 nm [2]. Chiow µm al. beschreiben ein kaskadiertes Single-Pass-SHG-System mit zwei MgO:PPLN-Kristallen. Das System wird mit zwei kombinierten 1560-nm-Faserverstärkern (30 W) betrieben. Durch Anpassen der relativen Phase zwischen diesen beiden Quellen lässt sich das zeitliche Profil des 780-nm-Ausgangslichts steuern. Mit einer kombinierten Leistung von 65 µm wird eine Spitzenleistung von 43 W bei 780 nm erreicht, was einem Wirkungsgrad von 66 % entspricht. Mit einem einzelnen Kristall wird ein Wirkungsgrad von 52 % erzielt. Die SHG-Ausgangsspitzenleistung eines einzelnen Kristalls und zweier kaskadierter Kristalle ist in Abb. 3 dargestellt. Die Daten von Sané et al. sind ebenfalls grün dargestellt und zeigen nahezu identische Ergebnisse.

Der optische Aufbau des Lasersystems ist in Abb. 4 dargestellt. Er besteht aus zwei Faserverstärkern (FA) und zwei kaskadierten MgO:PPLN-Kristallen. Es wurden Standard-MSHG1550-1.0-40-Kristalle in PV40-Öfen verwendet, aus denen eine Periode von 19,2 µm bei einer Betriebstemperatur von 150 °C ausgewählt wurde. Der p µm wurde mit einer Linse mit 50 mm Brennweite in PPLN1 fokussiert. Ein gekrümmter Spiegel (CM) mit einem Krümmungsradius von 10 cm kollimierte den Ausgangsstrahl, der anschließend mit einem weiteren CM in PPLN2 fokussiert wurde. Die Analyse des räumlichen Strahlprofils bei 780 nm des kaskadierten Systems ergab eine Strahlqualität von M² = 1,15 ± 0,2.

Referenzen

1. SS Sané et al., „11 W schmalbandige Laserquelle bei 780 nm zur Laserkühlung und Manipulation von Rubidi µm .“, Opt. Express, Bd. 20, Nr. 8, S. 8915–9, 2012.
2. S. Chiow et al., „Erzeugung von 43 W quasi-kontinuierlichem 780 nm Laserlicht durch hocheffiziente Frequenzverdopplung in einem einzigen Durchgang in periodisch gepolten µm “, Opt. Lett., Bd. 37, Nr. 18, S. 3861–3, 2012.
3. T. Kovachy et al., „Quant µm superposition at the half-metre scale“, Nature, Bd. 528, Nr. 7583, S. 530–533, 2015.
4. PA Altin et al., „Präzisionsatomgravimeter basierend auf Bragg-Beugung“, New J. Phys., Bd. 15, Nr. 2, S. 23009, 2013.
5. CCN Kuhn et al., „Ein Bose-kondensiertes, simultanes Mach-Zehnder-Atominterferometer mit zwei Spezies“, New J. Phys., Bd. 16, Nr. 7, S. 73035, 2014.
6. KS Hardman et al., „Simultane Präzisionsgravimetrie und magnetische Gradiometrie mit einem Bose-Einstein-Kondensat: Ein hochpräziser µm Sensor“, Phys. Rev. Lett., Bd. 117, Nr. 13, S. 138501, 2016