WHITEPAPER
Hochstabile Laserquelle für Kaltatom-Anwendungen
Die Erforschung kalter Atome, die historisch als Teil der Atomphysik begann, hat sich zu einem umfassenden, stark interdisziplinären Forschungsvorhaben entwickelt. Aufbauend auf Entwicklungen der Laserkühlung und -einfangung [1] und der Demonstration eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) [2] umfasst das Gebiet nun Atom-, Molekular- und optische (AMO) Physik, theoretische Modellierung, Physik der kondensierten Materie und Quantenphysik Chemie, Lasertechnik und andere Disziplinen. Dank der verschiedenen magneto-optischen Techniken kann das BEC nun manipuliert, untersucht und untersucht werden und stellt ein leistungsstarkes Werkzeug für Forscher dar, die mit verschiedenen Aspekten der Grundlagenphysik, Atomuhren, Quanteninformation, Sensorik, Metrologie und Supraleitung arbeiten.
Basierend auf einer umfassenden Forschung besteht weltweit ein starker Fokus [3 – 5] auf der Entwicklung technologischer Geräte der nächsten Generation, die auf Funktionselementen basieren, die kalte Atome nutzen. Im sogenannten „Atomtronik“-Bereich geht es beispielsweise darum, Elemente zu schaffen, die den herkömmlichen elektronischen Bauteilen entsprechen, darunter Dioden, Transistoren und Speicherelemente. Die Hauptbausteine solcher Bemühungen sind typischerweise BECs, das Einfangen von Potenzialen und Möglichkeiten, Atome zu bewegen, zu manipulieren und zu erkennen. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um praktische ultrapräzise Mess- und Sensorgeräte (Gravimeter, Beschleunigungsmesser, Magnetfeldsensoren usw.) sowie Quanteninformations- und Rechenelemente zu entwickeln, indem Bausteine verwendet werden, die von der Gemeinschaft der kalten Atome ermöglicht werden.
In diesem Whitepaper diskutieren wir eine der wichtigsten Methoden im Bereich kalter Atome – das Einfangen, Kühlen und Manipulieren von Atomen mithilfe von weit abgestimmtem, nicht resonantem Laserlicht. Wir besprechen die Techniken und Hauptanwendungen der optischen Dipolfallen, der Verdunstungskühlung und der optischen Gitter und diskutieren die strengen Anforderungen, die diese Techniken an die verwendeten Lasersysteme stellen. Wir geben auch einen Einblick in die Technologie hinter der extrem rauscharmen Dauerstrichlaser-Produktlinie von Coherent, die in den besprochenen Anwendungen erfolgreich eingesetzt wird.
Optisches Einfangen von Dipolen ist eine etablierte Technik, die es ermöglicht, die Wolke kalter Atome mithilfe von Laserstrahlen einzuschließen [6]. Die verwendeten Atome werden mithilfe herkömmlicher Doppler-Kühltechniken bereits auf Temperaturen im mK-μK-Bereich abgekühlt, bevor sie in die Falle geladen werden. Eine solche optische Falle entsteht, wenn das oszillierende elektrische Feld einer Lichtwelle ein elektrisches Dipolmoment in den Atomen induziert, die daher von den Extrema der Lichtintensität angezogen oder abgestoßen werden. Das Vorzeichen der Kraft hängt davon ab, ob die Frequenz des Lichts niedriger (ωLaser < ωres, rot-abgestimmte Fallen) oder höher (ωlaser> ωres, blau-abgestimmte Fallen) ist als die atomare Resonanzfrequenz der jeweiligen Atomart.
Die einfachste Dipolfalle kann durch einfaches Fokussieren eines einzelnen rotverstimmten Laserstrahls erstellt werden, um die Lichtintensität in einem bestimmten Bereich des Experiments zu erhöhen, in dem Atome eingefangen werden müssen. Durch die Kreuzung mehrerer Laserstrahlen können auch unterschiedlich geformte Fallen erzeugt werden (Abb. 1). Blau verstimmtes Licht ermöglicht verschiedene Formen von Einfangpotentialen, wie zum Beispiel „Kasten“-Fallen.
Abb. 1. Optische Dipolfalle
Die optische Dipolfalle ist eine vielseitige Methode für Experimente mit kalten Atomen. Erstens ermöglicht die geladene Falle den Einschluss von Atomen in einem definierten Raum. Es ist dann auch möglich, sie von einem Teil des Experiments auf einen anderen zu verschieben. Da es sich um eine konservative Falle handelt, kommt es nicht zu einer optischen Anregung und die Kräfte hängen nur von der Position der Atome ab.
Optische Dipolfallen spielten in den 80er und 90er Jahren eine wichtige Rolle, als Doppler-Kühltechniken bei Temperaturen im mK-Bereich ihre untere Grenze erreichten. Das Erreichen niedrigerer Temperaturen wurde hauptsächlich durch Erwärmungseffekte aufgrund von Photonenstreuung verhindert. Die erreichten Temperaturen waren zu hoch, um atomares BEC zu erzeugen. Die Methode der Verdampfungskühlung wurde daher entwickelt, um die Temperatur der Atome weiter zu senken. Das Prinzip dieser Methode beruht auf der Potentialfalle, die durch nichtresonante Laserstrahlen wie zuvor diskutiert oder durch die Verwendung inhomogener Magnetfelder erzeugt wird [6]. Sobald die Atome eingeschlossen sind, wird die Höhe der Falle durch Steuerung der Laserintensität verringert. Die schnellsten („heißesten“) Atome entweichen („verdampfen“) dann aus der Falle und nehmen kinetische Energie mit, während die übrigen Atome bei einer niedrigeren Temperatur erneut thermisch reagieren (Abb. 2). Die Höhe der Falle wird verringert und der Vorgang wiederholt, bis die Atome ein BEC bilden. Diese Methode wird heute in der einen oder anderen Form häufig in Experimenten verwendet, bei denen Temperaturen kalter Atome von wenigen μK bis nK erforderlich sind.
Abb. 2. Verdunstungskühlung
Ein weiteres leistungsfähiges Werkzeug, das durch die Verwendung von nicht-resonantem Laserlicht bereitgestellt wird, sind optische Gitter. Durch die Verwendung von stabilem, nicht resonanten Licht werden optische Gitter durch Interferenz mehrerer Laserstrahlen erzeugt. Anstelle einer Massenfalle in einer optischen Dipolfalle bietet ein optisches Gitter viele mikroskopisch kleine Potentialtöpfe, die in einem periodischen Muster angeordnet sind (Abb. 3). Verschiedene Formen solcher potenziellen Landschaften können durch die Verwendung von rot-verstimmtem Licht, blau-verstimmtem Licht oder einer Kombination aus beidem erzeugt werden. Optische 3D-Gitter können die Struktur eines Festkörperkristalls in einem viel größeren Maßstab nachahmen, wobei Lichtinterferenzmuster das Kristallgitter darstellen und kalte Atome die Elektronen nachahmen. Solche defektfreien, abstimmbaren Gitter ermöglichen Messzeiten im Sekundenbereich und dienen als Untersuchungsmodell zur Beantwortung einiger Schlüsselfragen der Festkörperphysik. Einige Forschungsschwerpunkte sind in der folgenden, nicht erschöpfenden Liste aufgeführt:
Phasenübergänge – Die Arbeit mit ultrakalten Atomen und die Möglichkeit, ihre Zustände mithilfe optischer Gitterkonfiguration und Magnetfelder zu manipulieren, ermöglichen den Zugang zu verschiedenen Quantenphasen. Die Untersuchung dieser Materiezustände, ihrer Eigenschaften und Übergangsdynamik ist für Forscher, die sich mit der Physik der kondensierten Materie und Supraleitern befassen, von großem Interesse. Beispielsweise wurden reversible Übergänge von einem supraflüssigen BEC zu einem Mott-Isolator gründlich untersucht [7].
Atomuhren – Atomuhren, eine Schlüsseltechnologie der Metrologie, basierten früher auf Mikrowellentechnik. Optische Atomuhren haben im letzten Jahrzehnt eine rasante Entwicklung erlebt, wobei optische gitterbasierte Atomuhren derzeit führend in Bezug auf Stabilität und systematische Unsicherheitsleistung sind.
Abb. 3. Kalte Atome, eingeschlossen in einem optischen Gitter
Zweiatomige Moleküle – Der Großteil der bisherigen Forschung wurde durch Kühlen und Arbeiten mit einem einzelnen Atomtyp (typischerweise neutrale Alkaliatome mit Übergangslinien, die mit abstimmbaren Laserquellen in der Kühlstufe leicht zugänglich sind – Rb, Cs, Li, Na, K, aber auch) durchgeführt Atome mit komplizierterer Struktur wie Ca, Sr, Yb, Dy). Mittlerweile besteht auch ein wachsendes Interesse an ultrakalten polaren zweiatomigen Molekülen, die zusätzliche Funktionalität bieten. Solche Paarungen könnten durch einen Fotoassoziationsprozess oder durch Feshbach-Resonanzen entstehen. Für die Forscher, die Quantenwechselwirkungen untersuchen, bieten sie eine gut kontrollierbare Möglichkeit, Vielteilchenphänomene und weitreichende Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu untersuchen, wenn sie in optischen Gittern platziert werden. Solche im Labor hergestellten ultrakalten zweiatomigen Moleküle wurden mit Natrium-Kalium- (NaK), Kalium-Rubidium- (KRb) und Lithium-Rubidium-Paaren (LiRb) demonstriert. Mit solchen Techniken wurden auch homonukleare kalte Moleküle erzeugt (K2, Rb2, Na2). Neben dieser „synthetischen“ Erzeugung kalter Moleküle werden auch große Anstrengungen in die direkte Kühlung von Molekülen gesteckt.
Quantensimulatoren – Kalte Atome in optischen Gittern bieten die Möglichkeit, experimentelle Systeme zu entwerfen, die als Modell für bestimmte Fragestellungen der Quantenphysik dienen könnten, die theoretisch oder numerisch noch nicht zugänglich sind. Solche Simulatoren sollten über Mittel verfügen, um die Parameter des Experiments zu steuern, die atomaren Zustände zu manipulieren und die Ergebnisse auszulesen. In solchen Experimenten werden häufig zuvor diskutierte Werkzeuge (wie verschiedene Quantenphasen und zweiatomige Moleküle) verwendet. Solche Simulatormodelle könnten möglicherweise Einblicke in Probleme liefern, die mit klassischer Informatik nicht gelöst werden können.
Anforderungen an die Laserquelle
Da es sich bei den oben besprochenen Experimenten um Atome mit Temperaturen im Mikro- bis Nano-Kelvin-Bereich handelt, sind sie äußerst empfindlich gegenüber jeglichen Rauschquellen, die letztendlich die Auflösung des Experiments oder die Messzeit begrenzen. Das Lasersystem wird dies zwangsläufig beeinflussen. Verschiedene Lasersysteme können Intensitätsrauschen aufweisen, das von seinen Pumpdioden, Relaxationsoszillationsgeräuschen, elektronischer Steuerung und nichtlinearen Effekten herrührt. Frequenzrauschen (Jitter in der Laseremissionsfrequenz) kann durch thermomechanische Eigenschaften des Hohlraums beeinflusst werden. Außerdem reagieren die Experimente möglicherweise empfindlicher auf bestimmte Frequenzen, beispielsweise auf die Fallenfrequenz. Neben der Frage der Laserstabilität müssen beim Kauf einer Laserquelle für Arbeiten mit kalten Atomen noch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Da der Laser Teil eines großen und komplexen Versuchsaufbaus ist, ist es wichtig, dass er im Alltag zuverlässig funktioniert, ohne dass er neu eingestellt oder aktiv gewartet werden muss. Jede ungeplante Ausfallzeit im Experiment wirkt sich negativ auf den Durchsatz der wissenschaftlichen Forschung aus. Daher ist ein zuverlässiges, schlüsselfertiges und einfach zu bedienendes System erforderlich.
Für Experimente mit optischen Dipolen und gitterkalten Atomen wird häufig eine kontinuierliche Welle (CW) mit einer weit außerhalb der Resonanz liegenden Wellenlänge um 1 μm gewählt (für rotverstimmte Fallen). Diese Wellenlänge bietet für die meisten Atome einen ausreichenden spektralen Versatz, um jegliche optische Anregung zu vermeiden, und ist bequem auf dem Markt von Ytterbium-dotierten Festkörper- und Faserlasern mit skalierbaren Ausgangsleistungen von bis zu mehreren zehn Watt erhältlich. Eine hohe Leistung ist vorteilhaft, da sie die Tiefe der optischen Dipolfalle erhöht. Weitere wichtige Laserparameter sind:
Laserlinienbreite – Für wohldefinierte Interferenzmuster ist eine schmalbandige Einzelfrequenzemission unerlässlich. Bei der Angabe dieses Parameters muss die Messzeit der Laserlinienbreite berücksichtigt werden.
Relatives Intensitätsrauschen (RIN) – Es ist ein möglichst geringes Rauschen erwünscht, da etwaige Intensitätsschwankungen die Erwärmungsraten der kalten Atome erhöhen.
Frequenzrauschen – Das Frequenzrauschen des Lasers beeinflusst auch die Heizraten der Atome, daher sind minimale Schwankungen wünschenswert, insbesondere wenn der Laser im Experiment nicht gegenüber externen Referenzen frequenzstabilisiert ist.
Mephisto – Laser für höchste Ansprüche
Der Ansatz von Coherent für hochstabile CW-Laserquellen basiert auf einer nichtplanaren Ringoszillator-Technologie (NPRO). Seit ihrer Erfindung an der Stanford University [8] gilt diese Technologie als die rauschärmste verfügbare CW-Laserarchitektur. Es stellt die Basis für alle Mephisto-Laser dar, wobei der Hauptoszillatorhohlraum ausschließlich auf einem monolithischen Kristall und nicht auf diskreten optischen Elementen basiert (Abb. 4). Solche Laser liefern Rauschen mit extrem niedriger Frequenz und Amplitude. Aufgrund des extrem geringen Phasenrauschens des Lasers sind intrinsische Linienbreiten von <1 kHz über 100 Millisekunden verfügbar. Darüber hinaus kann diese schmale Emissionslinie mit hoher Präzision um ihre zentrale Emissionsfrequenz abgestimmt werden, indem die NPRO-Kristalltemperatur angepasst oder mit einem schnellen integrierten Piezowandler (PZT) fein abgestimmt wird. Es ermöglicht dem Benutzer die vollständige Kontrolle über die Laseremission – was bei Experimenten zur Atomkühlung und zum Einfangen von Atomen äußerst wichtig ist. Diese Steuerung ermöglicht auch die Kopplung des Lasers an eine externe Referenz, wenn eine noch höhere Frequenzstabilität erforderlich ist. Beispielsweise möchte der Benutzer den Laser möglicherweise an einen externen hochstabilen Hohlraum oder eine Jodleitung koppeln, indem er Zugriff auf die Frequenzsteuerung des Lasers hat.
Neben einer schmalen Linienbreite und einem geringen Phasenrauschen, die für die Erzeugung effizienter Interferenzstrukturen wichtig sind, bieten Mephisto-Produkte auch Rauschen mit geringer Amplitude, das durch die Noise Eater (NE)-Technologie weiter verbessert wird. Wie bei vielen diodengepumpten Festkörper- oder Faserlasern sind Pumpdioden und die Relaxationsschwingungen die Hauptursachen für das Intensitätsrauschen. Der Noise Eater eliminiert diese beiden Komponenten effektiv, indem er ein Rückkopplungssignal an die Pumpdioden liefert. Eine detailliertere Beschreibung der Technologie hinter den Mephisto-Produkten finden Sie unter [9].
Abb. 4. Schematische Darstellung des NPRO-Kristalls. Der orangefarbene Pfeil zeigt das Pumplicht an und die blauen Pfeile zeigen den Pfad des Lasermodus.
Aufgrund seiner überlegenen Stabilitätsparameter ist Mephisto der Laser der Wahl für einige der anspruchsvollsten rauscharmen Laseranwendungen. Dazu gehören die Detektion von Gravitationswellen [10], interferometrische Messungen, Niedersignal-Überlagerung, Messtechnik und ähnliche Anwendungen. Atomphysik-Experimente profitieren besonders von hoher Stabilität und hoher Leistung, wenn außerresonante Wellenlängen verwendet werden, um eine ausreichende Tiefe potenzieller Fallen und hochpräzise stabile optische Gitter zu bilden.
Die Ausgangsleistung direkt vom NPRO-Masteroszillator ist im Handel bis zu 2 W erhältlich. Bei höheren Leistungen kann die Laserleistung durch transversale und longitudinale Modeninstabilitäten aufgrund thermischer Effekte beeinträchtigt werden. Die in diesem Whitepaper besprochenen Anwendungen erfordern jedoch viel höhere Leistungen, nämlich mehrere zehn Watt, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ultraschmalen Linienbreite, geringem Rauschen und Hochfrequenzstabilität.
Abb. 5. Coherent Mephisto MOPA
Abb. 6. Schematische Darstellung des Mephisto MOPA-Designs
Um diese Leistungsbegrenzung zu überwinden, verwendet Coherent einen Master Oscillator Power Amplifier (MOPA)-Ansatz Der NPRO-Oszillator wird in dieser Konfiguration als Seed-Quelle verwendet. Die Leistung dieses Seed-Lasers wird durch den Einsatz von bis zu vier Verstärkungsstufen (diodengepumpte Neodym-Vanadat-Kristalle, Abb. 6) schrittweise verstärkt. Aufgrund der MOPA-Konfiguration werden die Parameter des Lasers innerhalb des Seed-Lasers definiert, wo der NPRO-Kristall mit einem optimalen Leistungsniveau betrieben wird.
Der MOPA bietet eine Leistungsverstärkung von bis zu 55 W bei 1064 nm mit kompromissloser Stabilität des Standard-Mephisto in einer werkseitig integrierten Single-Box-Lösung. Dadurch stehen ähnlich ultraschmale Linienbreiten, Phasenrauschspektrum und Frequenzabstimmungsmöglichkeiten zur Verfügung. Wichtig für die Anwendungen mit kalten Atomen ist, dass der Einfluss auf das Laseramplitudenrauschen minimal ist – bei Frequenzen über 50 kHz kommt kein zusätzliches Rauschen hinzu. Eine kleine Erhöhung bei niedrigeren Frequenzen wird durch die MOPA-Steuerelektronik erzeugt (siehe Abb. 7). Mithilfe des RIN-Spektrums kann die durch Laserrauschen induzierte Aufheizrate kalter Atome in der optischen Falle berechnet werden [11] – Abb. 8. Aufgrund des Rauschens geringer Intensität von Mephisto MOPA kann die Aufheizrate im Vergleich zu anderen Lasertechnologien deutlich niedriger sein. Gute Strahlparameter und eine extrem lange Kohärenzlänge (>1 km) erleichtern die Manipulation des Strahls im Versuchsaufbau, insbesondere wenn mehrere Strahlen durch Strahlteiler und Retroreflektoren gebildet werden. Die meisten wissenschaftlichen Experimente mit kalten Atomen sind relativ komplex und umfassen abstimmbare Laser, Zeeman-Slower, Vakuumkammern, Atomquellen, zugehörige Optoelektronik usw. Daher ist es für uns wichtig, eine "Single-Box"-Lösung anzubieten, die ein vollständig integriertes Lasersystem und einen einfachen, schlüsselfertigen Betrieb umfasst - auf diese Weise kann sich der Benutzer auf das Experiment und nicht auf die Wartung des Lasers konzentrieren. Neben Mephisto MOPA, das auf All-Solid-State-Technologie basiert, bietet Coherent über die NuAmp-Produktlinie auch CW-Einzelfrequenz-Faserverstärker an. NuAmp-Produkte bieten eine Leistungsverstärkung bis zu 50 W, ermöglichen die Strahlübertragung per Glasfaser und sind im Wellenlängenbereich von 1030 – 1110 nm erhältlich.
Abb. 7. Relatives Intensitätsrauschen (RIN), gemessen vom Seed-Laser und der MOPA-Leistung bei einer Leistung von 55 W
Abb. 8. Erwärmungsrate kalter Atome aufgrund des Laserintensitätsrauschens vom MOPA
Zusammenfassung
Stabile CW-Laser werden in einer Reihe verschiedener experimenteller Methoden zur Untersuchung kalter Atome eingesetzt. Coherent Mephisto MOPA nutzt die NPRO-Technologie und bewährte Techniken zur Laserleistungsverstärkung, um eine hochstabile Laserquelle bereitzustellen, die in einer gründlich praxiserprobten, schlüsselfertigen Einzellösung geliefert wird. Ultraschmale Linienbreiten und marktführende Phasen- und Intensitätsstabilitätsparameter ermöglichen geringstes Rauschen und längste Messzeiten in Experimenten, bei denen optische Dipolfallen oder optische Gitter verwendet werden.