绿光通过蝶形谐振倍频腔获得253.7 nm深紫外激光的过程

封面展示了507.4 nm绿光通过蝶形谐振倍频腔获得253.7 nm深紫外激光的过程。深紫外激光通过双色分光片输出，用于汞原子的激光冷却装置（磁光阱）。汞原子激光冷却须长时间连续运行，对深紫外激光的频率稳定性、功率稳定性和连续运行能力提出了很高的要求。该系统结合了转移腔稳频、光学锁相、光纤激光放大、周期极化晶体单通倍频和CLBO晶体的外腔谐振倍频等技术，实现了253.7 nm深紫外激光的低噪声、较高功率的长期稳定输出。

一、背景介绍

随着量子操控手段的不断丰富，在激光冷却等原子操控实验中，深紫外激光得到越来越多的应用。相较于以镱原子和锶原子为参考的光晶格钟，汞原子具有更低的黑体辐射频移和简单的钟频跃迁超精细结构等独特优势，也是目前能够被激光冷却的最重的元素。在汞原子光晶格钟研究中，用于激光冷却的1S0-3P1跃迁波长为253.7 nm，线宽为1.27 MHz，需要用100 mW的深紫外连续激光功率来实现激光冷却，这意味着要将红外激光四倍频才能获得。另外，在钟跃迁频率探询中，探测光的强度噪声会被引入到钟频探测中，导致钟频探测荧光信号的信噪比降低。因此，稳定连续运行的低噪声大功率的深紫外冷却光光源尤为重要。实现深紫外激光并使其连续运转的难点在第二级倍频，传统方法是基于BBO晶体的谐振倍频，但是BBO晶体的走离角大、紫外吸收系数高、损伤阈值较低，难以实现长时间连续运行。

二、创新工作

该工作中，中国科学院上海光学精密机械研究所徐震团队采用了CLBO晶体进行第二级倍频。和传统的BBO晶体相比：当波长为253.7 nm时，CLBO晶体的线性吸收系数比BBO晶体低近5倍，尽管其有效非线性系数相对略小，但其走离角要减小约3倍，因此倍频转换效率略微高一些。在布儒斯特角出射下CLBO晶体的s偏振波反射率更低，对于深紫外激光的输出损耗较小；并且CLBO晶体的激光损伤阈值要比BBO晶体高1-2个数量级，不容易损伤，对于长时间连续运行有较大优势。由于CLBO晶体极其容易潮解，因此，该工作将整个倍频腔密封在一个铝盒内，同时CLBO晶体被控温在150 ℃左右，并在铝盒内持续通入高纯度气体以降低水分子和其他有机分子对晶体的影响，提高晶体的寿命。倍频腔采用蝶形四腔镜环形腔结构设计，CLBO晶体采用布儒斯特角入射，一个45°双色分光片将深紫外激光耦合输出，如图1所示。

图1 蝶形腔光路和整体机械结构图。（a）光路；（b）机械结构

采用转移腔稳频和光学锁相等技术，获得了低噪声和频率稳定的窄线宽种子激光器，激光频率稳定度可以达到10-12，线宽小于27 kHz，在10小时的连续测量中，种子光总频率波动小于20 MHz。通过光纤激光放大和周期极化晶体单通倍频得到1.1 W绿光，采用PDH（Pound-Drever-Hall）边带稳频技术使得腔和激光共振后，获得了198 mW的深紫外激光输出，倍频转换效率为18%。通过光束整形和空间滤波系统，远场的光斑呈现为平滑的高斯型圆斑，相应的光束质量因子分别为Mx2=1.59和My2 =1.15。深紫外激光输出具有极低的功率噪声，在10 Hz以上小于-100 dBc/Hz，而在1 Hz最大为-90 dBc/Hz，比BBO晶体倍频的同类型激光器要低20 dB，这主要得益于种子激光器频率和倍频腔PDH稳频的高稳定性。

图2 深紫外激光系统连续运行48 h的功率变化，插图为深紫外激光的功率稳定度

如图2所示，经测试，该激光系统累计运行时间超过150小时，在48小时的连续测量中，功率涨落峰峰值为9.8%，RMS功率涨落为3.1%，表现出了较好的长期稳定性。这种高功率、低噪声和较高稳定性的深紫外激光系统可以较好地满足汞原子冷却实验的需要，并且未来会显著提高冷原子实验的连续运行能力。

三、总结与展望

经过长时间运行后，发现深紫外光功率输出功率仍有缓慢下降的态势。经诊断发现，损伤来源为输出耦合镜的损伤。今后将改进镀膜技术，进一步提高输出耦合镜的损伤阈值，并通过电控平移结构换点来进一步提升深紫外激光系统的运行能力和长期稳定性。另外，还将通过调控激光放大器的电流来实现功率稳定，进一步提高深紫外激光输出的稳定性，为汞原子光晶格钟的连续运行提供良好的硬件支撑和技术储备。该方案也可用于其他的深紫外波长，在冷原子物理、高精密光谱和半导体检测等领域中得到应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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