卫栋，陈海霞，熊德智，张靖†
量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学光电所，太原 （030006）
E-mail：jzhang74@yahoo
摘 要: 本文对40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统进行了实验研究。采用三台外腔光栅反馈半导体激光器、四台注入锁定激光器和一台半导体激光放大器组成激光系统，三台外腔光栅反馈半导体激光器通过声光调制器产生四束光，分别作为40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光，四束不同频率成份的激光分别注入锁定四台从激光器，然后Rb cooling光、K cooling 光和K repump光再同时注入半导体激光放大器进行放大。该装置可同时产生冷却40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光，结构紧凑，工作稳定。 关键词：简并费米气体， 激光器系统，外腔光栅反馈半导体激光器（ECDL），半导体激光放大器（TA），注入锁定
近年来对费米气体和玻-费米混合气体的实验与理论研究引起了人们极大的兴趣，为研究高温超导的产生、强相互作用等物理机理提供了一个理想的实验研究平台。费米子与玻子具有不同的量子统计特性，由于受泡利不相容原理的限制，处于同一个量子态的费米子在温度很低时s－波碰撞被禁止，蒸发冷
却不能有效进行，费米气体因此无法达到量子简并。为了克服这一困难，得到简并费米气体，目前主要有两种方案。一是囚禁费米子的不同自旋态，尽管处于同一自旋态的费米子之间的s－波碰撞是禁止的，但是处于不同自旋态的费米子却可以相互发生碰撞，如选用40K原子的<9/2,7/2> 和<9/2,9/2>[1]；二是同时囚禁玻与费米气体，采用玻子作为中介，在蒸发冷却阶段，通过玻子与费米子之间的相互碰撞可以将费米子冷却到量子简并，这种方法称为Sympathetic cooling，成为冷却费米气体中使用较多的方法。人们已先后在40K和87Rb[2], 6Li和7Li[3-5]，6Li和23Na[6]，6Li和87Rb[7]等系统中实现了费米气体简并。其中40K和87Rb成为选用较多的一个系统。
在超冷原子物理研究领域，使用激光对原子进行冷却、俘获与操控已成为非常成熟的技术。半导体激光器以其价格低、可靠性高、操作简单等优点而被广泛采用。半导体激光器的缺点是输出功率比较小，但目前已经有比较成熟的半导体激光放大器，能够在输入功率很小的情况下，得到比较大的功率输出，如德国Toptica公司生产的Tapered Amplifier，在输入功
1教育部新世纪人才支持计划(批准号:.NCET-04-0256)和高等学校博士学科点专项科研基金（批准号：20050108007）。工装管理系统
†通讯联系人. E-mail：jzhang74@yahoo, jzhang74@sxu.edu
率几十毫瓦时，输出功率可以达到瓦级以上。在6Li和7Li实验中，Gabriele Ferrari[8]等人首先提出了
一种简单稳定的半导体激光系统方案，他们采用两台半导体激光器作为光源，两束光的频率相差可以达到12GHz，稳频后经过同一个半导体激光放大器进行放大，同时产生用于6Li和7Li磁光阱的冷却光和再抽运光。这种方法也可以推广到多束光且波长相差比较大的情况。40K和87Rb的D2跃迁线分别为767nm和780nm，波长相差是13nm，因此可以使用相同的反射镜、棱镜、光纤和放大器。目前，采用将40K和87Rb的冷却光和再抽运光注入到同一个放大器中得到比较大的功率来进行铷钾原子的冷却与俘获已被许多研究小组采用。[9，11]在冷原子实验中，冷却和俘获一种原子通常需要两束不同频率的激光，分别叫做冷却光和再抽运光。冷却光是指调谐到原子循环跃迁线上，对原子产生减速作用力的激光，而再抽运光是指把自发辐射落到基态与冷却光失谐的其它精细能级上的原子重新抽运到冷却过程中的激光。在量子简并费米气体40K实验中，要同时冷却40K和87Rb原子，就需要四束不同波长的激光来实现对两种原子的冷却与俘获。在我们的实验中，使用了三台半导体激光器、四台注入锁定激光器和一台半导体激光放大器组成激光系统，三台主激光器都是Littrow结构的外腔光栅反馈半导体激光器，都采用饱和吸收光谱技术进行稳频[12,13]，稳频后，通过声光调制器（AOM）移频产生四束不同频率成份的激光分别注入锁定四台从激光器，然后Rb cooling 光、K cooling光和K repump光再注入半导体激光放大器进行放大，从TA输出的激光单次穿过110MHz的AOM频率整体偏移－110MHz，用于40K和87Rb原子的磁光阱冷却和俘获。其中有两台激光器波长是780nm，一台(Toptica DL100)输出功率70mW，用作铷原子的冷却光，分出一小部分光B2（～1mW）用来做饱和吸收稳频，如图1 所示，B2又分成三束，1是检测光，2是参考光，3是饱和光，光束3通过110MHz的AOM移频后－1级衍
射光注入铷吸收泡，在空间上与检测光重合，但传播方向相反，稳频时对激光器的调制信号加载在AOM 上，这样既可以通过AOM设置激光的频率，又避免了直接对激光器电流进行调制所引起的抖动。把激光器锁在铷原子F＝2 → F’＝3跃迁线上，则激光器的输出频率νlaser＝ν2 →3–55MHZ，ν2 → 3表示87Rb原子52 S1/2 ，F＝2 → 52 P3/2，F’＝3共振跃迁频率。大部分激光B1双次穿过80MHz的声光调制器（AOM），频率偏移+160MHz，再加上从TA输出后－110MHz 的频移，Rb cooling 光频率设定在νRb cooling＝ν2 →3 –55MHZ+160MHz－110MHz＝ν2 →3–5MHz，即相对于F＝2 → F’＝3跃迁线负失谐5MHz。另一台激光器(Sacher DL100)用作铷原子的再抽运光，同Rb cooling光一样，稳频时通过80MHz的AOM对激光器进行外部调制，锁在铷原子F＝1→F’＝1－F’＝2交叉线上，出射光束双次穿过110MHz的AOM，频率偏移+220MHz。最后再通过AOM频率偏移－110MHz，νRb repump＝ν1 →2－157.1MHz/2－40MHZ
＋220MHz－110MHz＝ν1 → 2－8.5MHz，即相对于F＝1 → F’＝2跃迁线负失谐8.5MHz。第三台激光器(Toptic DL100)是767nm的，对应于钾原子的D2线，由于40K的基态能级分裂为1286MHz，因此通过AOM移频，可以同时产生钾原子的冷却光和再抽运光。通过110MHz 的AOM对激光器进行调制，把激光器锁在39K的F＝1→F’＝0，1，2跃迁线上，出射激光分作两部分，一部分用作40K原子的冷却光，双次穿过208MHz的AOM，频率偏移+416MHz；另一部分用作40K的再抽运光，四次穿过频率为202MHz的AOM，频率偏移－808MHz，注入TA放大输出后，再偏移－110MHz，K cooling光频率νK
cooling＝ν1 →0－2＋55MHz＋416MHz －110MHz＝ν1 →0－2＋ 361MHz＝ν9／2→11／2－12.2MHz，即相对于40K的F＝9/2 → F’＝11/2跃迁线负失谐12.2MHz，其中ν1 →0－2表示39K的F＝1→F’＝0，1，2跃迁线，ν9／2→11／2表示40K 的F＝9/2 → F’＝11/2跃迁线， K repump光频率νK repump＝ν1 →0－2＋55MHz－808MHz－110MHz ＝ν1 →0－2－863MHz＝ν7／2→9／2＋49.8MHz ，即相对于40K的F＝7/2 → F’＝9/2跃迁线正失谐49.8MHz，这四束不同波长的光分别通过单模保偏光纤（LPC-02-780-5/125-P-2.4-11AS-40-A3A-3-4 OZOptics），转移到另外一个光学平台上，这样所有的激光源可以单独放在一个光学平台上，尽量减小外界的干扰而保持稳定。
由于AOM衍射效率和光纤耦合效率以及光路中的损耗的限制，从光纤输出的光功率比较小，四束光的功率分别是，780nm trapping 12mW；780nm repump 8.2mW；767nm trapping 2.4mW；767nm repump 2.1mW，为了得到适当的激光功率注入TA进行放大，我们首先将光纤输出的光分出一小部分注入锁定从激光器，从激光器的LD（FP-0780-070，FP-0765-030，Sacher）固定在一个精确控温的紫铜热沉上，控温仪是我们所自己研制生产的高精度控温仪，控温精度是0.1℃。激光电流源是高精度电流源（Thorlabs LDC202），从LD发出的光首先用准直透镜（Thorlabs， C230TM－B）准直，然后经过一个隔离比40dB的带有偏振输出口的隔离器（ISOWA VE I－780T－5H）以防止光反馈，种子光从偏振输出口注入激光器，注入功率小于1mW。剩余的种子光可以用作推送光、探测光等。注入锁定如图1所示, 图中只画出了780nm cooling和767nm laser光部分，780nm repump光的光路与780nm
cooling光是相同的。调节从激光器的温度和电流，当从激光器的频率与注入的种子光的频率接近时，可以实现有效的注入锁定。锁定后，如果改变从激光器的电流，可以看到在大约2mA的范围内，从激光器的输出频率保持不变。实验中，用于K cooling和K repump注入锁定的激光二极管在25℃自由运转时的波长是771nm，距离钾原子的D2线767nm较远，我们对LD进行密封冷却，在0℃附近得到767nm的激光输出。用作铷原子冷却光和再抽运光的从激光器则工作在室温附近。
为了得到用于磁光阱的更大功率的激光，我们使用了一台半导体激光放大器（TA）来进行二级放大。因为Rb repump光在注入锁定后的输出功率有65mW，可以满足Rb原子的精细结构再抽运。而40K原子的激发态能级分裂很小，只有几十MHz，所以需要更多的repump 光，因此在实验中，只把Rb cooling光、K cooling光和K repump光三束注入到放大器中进行放大。图2是半导体激光放大器光路示意图。三台从激光器输出的激光，经过一系列的λ/2波片和偏振分光棱镜后，以相同的垂直偏振方向注入到放大器中，波片是767nm和780nm 的双波长波片。旋转波片的角度，可以很方便地调节三束激光的相对功率的大小。放大器从输入口和输出口两个方向会发出自发辐射荧光，要得到最佳的放大效果，需要对注入激光与TA的自发荧光进行匹配，我们采用了望远镜系统和一对整形棱镜对来进行匹配。在TA的温度为22℃、电流为2.3A时，测得的注入光与输出光的关系曲线如图3所示。可以看出该放大器对780nm的放大作用大约是对767nm的两倍，这与TA的出厂技术指标是一致的。K cooling光和K repump光的放大曲线略有差别，可能是K cooling光匹配的不是最佳造成的。
从TA输出的光首先经过一个隔离比60dB的光隔离器（FI－790－TV Linos）来防止剩余光反馈对放大器的影响，然后单次穿过110MHz的AOM来设置光的频率，偏移－110MHz，－1级光经过光纤滤波后用于MOT，0级光分出一小部分送入F－P腔监视激光器的模式。图4是扫描F－P腔得到的透射峰曲线，旋转λ/2波片，当三束光的功率相等时，TA输出约360mW。实验中，K cooling和repump光的频率相差只有1286MHz，同时注入TA后，由于非线性作用，我们观察到有边带模产生，但是Rb cooling 光与K cooling和repump光频率相差13nm，没有观察到边带出现。
总之，我们采用三台半导体激光器，四台注入锁定从激光器和一台半导体激光放大器组成40K－87Rb激光系统，该系统可以很方便地调节40K和87Rb冷却光和再抽运光的相对强度，结构紧凑、工作稳定，可以进行超冷玻费米混合物和费米气体相关实验研究。女厕老式沟槽式厕所
参考文献
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量脚器
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A Laser Diode System for 40K-87Rb Atomic Cooling2
Wei Dong，Chen Hai-Xia，Xiong De-Zhi，Zhang Jing
The State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices;
一氧化氮合成酶Institute of Opto-Electronics, Shanxi University; Taiyuan (030006)
美容按摩器E-mail：jzhang74@yahoo
Abstract
We experimentally studied a semiconductor laser system for 40K-87Rb trapping and cooling experi
ment. The laser diode system is composed of three external cavity diode lasers and four injection diode lasers and a tapered amplifier. Four laser beams as 40K and 87Rb cooling and repump lights are obtained by using acoustic optic modulators(AOM) to offset the frequencies from the three ECDL lasers. Four light beams with the different frequencies are injected into four slave lasers for injection locking, then Rb cooling light, K cooling light and K repump light are injected into a semiconductor tapered amplifier in a master oscillator-power configuration. This configuration is flexible and steady and can simultaneously produce the cooling and repump light for 40K and 87Rb trapping and cooling experiment.
Keywords: degenerate Fermi gas, laser system, external cavity grating feedback diode laser, semiconductor tapered amplifier, injection locking
2 Program for New Century Excellent Talents in University (Approval No.NCET-04-0256) and Doctoral Program Foundation of Ministry of Education China (Approval No.20050108007)
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图 1 激光器稳频及注入锁定示意图。上图：780nm cooling
laser；下图：767nm cooling and repump laser ；λ⁄2：half
waveplate；λ⁄4：quarter waveplate；PBS：polarising beamsplitter
cube； AOM：acousto-optical modulator；PD：photodiode；
SL：slave laser； TA：tapered amplifier
图2 半导体激光放大器光路示意图λ⁄2：half waveplate；PBS：polarising beamsplitter cube；
AP：anamorphic Prisms；TA：tapered amplifier；AOM： acousto-optical modulator
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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