GUÍA TÉCNICA: Alta potencia de 780 nm para enfriamiento láser y manipulación de átomos de Rb

La manipulación de átomos de Rb se realiza comúnmente mediante sistemas láser de diodo que suelen producir varios cientos de mW de potencia útil a 780 nm. Sin embargo, muchas aplicaciones de óptica atómica prefieren una mayor potencia láser, manteniendo un ancho de línea estrecho y una alta calidad espacial del haz. Un método consiste en duplicar la frecuencia de los láseres de fibra de 1560 nm, que pueden proporcionar decenas de vatios de potencia óptica.

Se han utilizado cristales de MgO:PPLN de Covesion para generar hasta 11 W a 780 nm en un sistema SHG de onda continua (CW) de 1560 nm con frecuencia duplicada [1]. Además, se ha alcanzado una potencia pico de 43 W a 780 nm en un sistema cuasi-CW utilizando dos cristales de MgO:PPLN en cascada, con una eficiencia del 66 % [2]. A continuación, se detallan la configuración experimental, los cristales SHG y las condiciones de enfoque que dieron lugar a estos resultados.

Estos sistemas láser basados ​​en MgO:PPLN se han utilizado en varias aplicaciones, incluida una demostración de una superposición cuántica µm en 54 centímetros [3], un gravímetro de precisión [4], un interferómetro atómico de doble especie para BEC [5] y un nuevo tipo de sensor que mide simultáneamente los gradientes de gravedad y campo magnético con alta precisión [6].

11 W a 780 nm con un sistema SHG de una sola pasada.
Quant µm y Láser Atómico de la ANU demostró una fuente láser de ancho de línea estrecho de 11,4 W [1]. Utilizando un láser de fibra de 30 W y 1560 nm en un esquema de duplicación de frecuencia de una sola pasada, Sané et al. lograron un láser de 780 nm con un ancho de línea de 6 kHz y una eficiencia del 36 %. Esto corresponde a una eficiencia del 0,3 %/Wcm (en un sistema de baja ganancia, normalmente se puede alcanzar el 0,6 %/W/cm), y la intensidad máxima µm al cristal es de 500 kW/cm². El sistema funcionó durante más de 2200 horas sin reducción de potencia. La potencia de salida del SHG se muestra en la Fig. 1, con un recuadro que muestra el modo espacial de la luz de 780 nm. Se mide que la fuente de 780 nm tiene un ancho de línea de 6 kHz integrado durante 100 ms.

La configuración óptica del sistema láser se muestra en la Fig. 2, con el láser de 30 W y 1560 nm, el cristal de MgO:PPLN y la celda de Rb para bloquear el láser de semilla. Se utilizó un cristal estándar MSHG1550-1.0-40 como SHG, calentado en un horno PV40 con un controlador de temperatura OC1. Los parámetros del cristal y las condiciones de enfoque utilizados fueron:

• Periodo = 19,5 µm, T = 81,60 °C
• Longitud del cristal = 40 mm, grosor = 1 mm
• 1/e2 de diámetro para una lente de distancia focal de 50 mm = 1,1 mm
• equivalente a un tamaño de punto calculado de 45 µm (radio de 1/e²) en el centro de la longitud del cristal
• Intensidad máxima de entrada en µm al cristal = 500kW/cm²

El grupo Kasevich de la Universidad de Stanford ha demostrado 43 W de luz cuasi-CW de 780 nm [2]. Chiow et al. describen un sistema SHG de un solo paso en cascada utilizando dos cristales de MgO:PPLN. El sistema está ped p µm con dos amplificadores de fibra combinados de 1560 nm y 30 W, y al ajustar la fase relativa entre estas dos fuentes, se puede controlar el perfil temporal de la salida de 780 nm. Con una potencia combinada p µm de 65 W, se alcanza una potencia pico de 43 W a 780 nm, lo que corresponde a una eficiencia del 66 %. Con un solo cristal, se alcanza una eficiencia del 52 %. La potencia pico de salida del SHG de un solo cristal y de dos cristales en cascada se muestra en la Fig. 3. Los datos de Sané et al. también se muestran en verde, mostrando resultados casi idénticos.

La configuración óptica del sistema láser se muestra en la Fig. 4 con dos amplificadores de fibra (AF) y dos cristales de MgO:PPLN en cascada. Se utilizaron cristales estándar MSHG1550-1.0-40 en hornos PV40, con un período de 19,2 µm, a una temperatura de operación de 150 °C. El µm salida se enfocó en PPLN1 con una lente de distancia focal de 50 mm. Un espejo curvo (CM) con ROC de 10 cm colimó los haces de salida, que posteriormente se enfocaron en PPLN2 con otro CM. El análisis del perfil espacial del haz de 780 nm del sistema en cascada mostró una calidad de haz de M² = 1,15 ± 0,2.

Referencias

1. SS Sané et al., “Fuente láser de ancho de línea estrecho de 11 W a 780 nm para enfriamiento láser y manipulación de Rubidi µm .”, Opt. Express, vol. 20, n.º 8, págs. 8915–9, 2012.
2. S. Chiow et al., “Generación de 43 W de luz láser cuasicontinua de 780 nm mediante duplicación de frecuencia de un solo paso y alta eficiencia en cristales de niobato de litio de µm con polarización periódica”, Opt. Lett., vol. 37, n.º 18, págs. 3861–3, 2012.
3. T. Kovachy et al., “Superposición cuántica µm a escala de medio metro”, Nature, vol. 528, n.º 7583, págs. 530–533, 2015.
4. PA Altin et al., “Gravímetro atómico de precisión basado en difracción de Bragg”, New J. Phys., vol. 15, n.º 2, pág. 23009, 2013.
5. CCN Kuhn et al., “Un interferómetro atómico de Mach-Zehnder de especie dual simultáneo y condensado por Bose”, New J. Phys., vol. 16, n.º 7, pág. 73035, 2014.
6. KS Hardman et al., “Gravimetría de precisión simultánea y gradiometría magnética con un condensado de Bose-Einstein: Un sensor µm cuántico de alta precisión”, Phys. Rev. Lett., vol. 117, n.º 13, p. 138501, 2016