冷原子、精密測量及量子信息相關(guān)解決方案（上）

對原子、分子、離子等微觀粒子的激光冷卻與陷俘，是近年物理科學取得重大成就的前言方向。冷卻并陷俘的微觀粒子體系具備極低的多普勒效應(yīng)和碰撞效應(yīng)，提供了純凈的、精密可控的能級結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)量子力學研究、時間頻率基準、精密測量、量子通訊與量子計算等領(lǐng)域。
激光是原子冷卻和陷俘的基礎(chǔ)工具，也是針對冷原子體系進行操控的主要工具。冷原子研究中，通常需要激光器具備如下特征：
· 窄線寬，以便絕大多數(shù)能量位于原子的吸收線寬以內(nèi)；
·  可調(diào)諧，可以調(diào)諧至原子精細能級的水平，或針對多普勒漂移等頻率漂移機制進行有效的調(diào)諧；
· 可調(diào)制，可通過微波進行直接調(diào)制或腔外聲光調(diào)制器調(diào)制，從而產(chǎn)生微小頻率偏移以便對準原子的超精細能級結(jié)構(gòu)；
· 可鎖定，支持激光器鎖定于原子吸收線甚至超精細腔，從而實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的頻率和強度輸出；
· 空間模式好、偏振度高；
· 適當?shù)墓β?，不同實驗?zāi)康膶β视胁煌男枨蟆?br /> 窄線寬、可調(diào)諧外腔式半導(dǎo)體激光器（External Cavity Diode Laser, ECDL）是冷原子領(lǐng)域廣泛使用的激光器。在某些特定的波長（如780nm附近），單頻光纖激光器則具備較高的功率輸出。而普通半導(dǎo)體以及固體增益介質(zhì)都無法覆蓋的波段，則需要可調(diào)諧固體激光器及其倍頻激光來實現(xiàn)。
特別地，在時頻基準和精密測量領(lǐng)域，光頻梳是精密定量激光波長和精密位移測量的不可或缺的基本手段。通常用飛秒振蕩器，通過重復(fù)頻率鎖定和載波包絡(luò)漂移頻率（f_ceo）的鎖定來構(gòu)建光頻梳。飛秒激光器本身的可靠性、易用性、穩(wěn)定性以及頻率/位相噪聲，直接決定了光頻梳的性能，從而決定精密測量最終可以達到的精度和信噪比。
冷原子和精密測量應(yīng)用，將激光器的參數(shù)指標要求推進到接近量子極限的苛刻水平。在激光器輸出參數(shù)通過不同技術(shù)手段逐級精密化、穩(wěn)定化的過程中，不同精度級別的激光測試設(shè)備也具備重要的用途。一個典型的示例是光原子鐘精密測量的實現(xiàn)：
光鐘信號光（通常稱為“鐘光”，通過將激光鎖定于超精細腔獲得Hz~亞Hz的線寬和頻率穩(wěn)定性，用于偵測光頻波段的超窄躍遷能級）的頻率需要以精度為Hz量級的準確測量；這一測量精度橫跨14~15個數(shù)量級（10^{-5 ~ -6}ppb），通常采用的方法是將鐘光與光頻梳（頻率間隔確定）拍頻，并以高精度測量拍頻頻率，這一測量可通過以原子射頻能級為參考的頻率計實現(xiàn)。然而參與拍頻的光頻梳梳齒的絕對頻率卻并不知曉。此時可通過基于干涉儀的激光波長計，以亞GHz的準確度測量激光的波長；只要波長計的準確度優(yōu)于光頻梳的梳齒間距，就可通過簡單的數(shù)量關(guān)系計算參與拍頻的梳齒對應(yīng)的縱模級次，再結(jié)合縱模間距、載波包絡(luò)漂移頻率、拍頻頻率即可準確計算光鐘頻率。而縱模間距、f_ceo、拍頻信號頻率均可與原子微波躍遷鎖定或以原子微波頻率為參考進行測量，從而將測量精度要求降低為1~10 ppb量級?？梢娫诠忸l的Hz量級準確度測量中，亞GHz精度（0.1ppm）的波長測量也具有重要作用。
先鋒科技提供豐富的原子（分子、離子）冷卻激光器領(lǐng)域的產(chǎn)品，包括窄線寬可調(diào)諧外腔式半導(dǎo)體激光器及放大器1、窄線寬可調(diào)諧固體/染料激光器及泵浦源、高功率窄線寬光纖激光器、高重頻/高穩(wěn)定性飛秒激光器等；大多數(shù)激光器或其控制器均具備專為原子冷卻需求而設(shè)計的PID反饋控制、高帶寬直接調(diào)制、高精度PZT調(diào)諧及鎖定等功能。
除常規(guī)的激光功率能量計、光斑分析儀等激光測試設(shè)備外，先鋒科技還提供不同精度級別的波長計、光頻譜儀，用于精密測量激光的波長、頻譜、縱模特征等。
原子/分子/離子體系的操控中，電磁相互作用是最主要的手段，所涉及的電磁波覆蓋從直流電磁場到射頻、光頻波段，需要豐富的電子學產(chǎn)品支持。這些電子學設(shè)備包括低噪聲激光控制器、函數(shù)和任意波形發(fā)生器、射頻發(fā)生器、各種帶寬低噪聲放大器/濾波器、頻譜分析儀、鑒相及鎖相放大器、時間頻率計數(shù)器、商品原子鐘及標準信號發(fā)生器等等；先鋒科技提供多種通用型或?qū)Ｓ眯碗娮訉W儀器。
同時，先鋒科技還提供多種光學實驗中非常重要的光學鏡片/窗片/透鏡、偏振器件、開關(guān)與隔離器件、衍射光學與位相控制元件、精密鏡架與精密位移器件、光電探測器與信號讀取設(shè)備、真空測試設(shè)備、科研級光譜儀與成像相機等。敬請瀏覽先鋒網(wǎng)站www.8zz.com.cn或致電垂詢，以獲取相關(guān)產(chǎn)品信息，滿足您實驗的需求。

一、可調(diào)諧外腔式半導(dǎo)體激光器

來自澳大利亞的MOGLabs公司源自墨爾本大學的原子光學實驗室光學團隊，“MOG”即“Melbourne Optics Group”的縮寫。MOGLabs結(jié)合多年冷原子領(lǐng)域的實驗經(jīng)驗，澳、美兩地的專家團隊以及先進的工業(yè)化設(shè)計制造能力，提供為冷原子應(yīng)用量身定做的可調(diào)諧窄線寬半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動器、射頻電子學設(shè)備、激光波長測量及隔離器、堿金屬泡等附件產(chǎn)品。
MOGLabs產(chǎn)品的設(shè)計以滿足冷原子實驗研究的靈活多變的需求核心，在穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上集成多方面的功能，例如激光器和激光驅(qū)動器內(nèi)置的調(diào)制、調(diào)諧、鎖定功能，射頻電子學的調(diào)制、開關(guān)、自動指令表等等功能。冷原子實驗耗時冗長的激光器調(diào)節(jié)、電子學設(shè)備協(xié)同設(shè)置和調(diào)節(jié)工作得以大幅度優(yōu)化，使科學家節(jié)約寶貴的時間用于物理研究本身。
與此同時MOGLabs提供超越同行的質(zhì)量保證條款和激光器便利維護功能，使得激光器的維護成本和停機時間得以大大縮減。

（1）CATEYE結(jié)構(gòu)ECDL

CEL系列為MogLabs推出的新型外腔式半導(dǎo)體激光器，采用超窄線寬濾光片結(jié)合CATEYE反射器作為選頻和調(diào)諧機構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的采用光柵（Littrow或Littman-Metcaf）結(jié)構(gòu)，CATEYE結(jié)構(gòu)不需要彈性裝載活動元件，對振動免疫，即使在錘擊下仍舊能夠保持鎖定；激光器的自準直結(jié)構(gòu)使其能夠在寬達數(shù)十納米的調(diào)諧范圍中保持準直性。
配合MOGLabs的電子學設(shè)備使用，線寬可低于100kHz。CEL提供450 ~ 530nm，630 ~ 1620nm波段范圍，出腔功率可達250mW。
 CEL提供與DFB/ DBR二極管媲美的可靠性、穩(wěn)定性，同時低一個數(shù)量級的窄線寬、寬調(diào)諧范圍、數(shù)量眾多的波長、對背散射光更低敏感，以及低得多的LD成本。

特性
· 創(chuàng)新Cateye設(shè)計
· 450 ~ 530nm、630 ~ 1620nm可選
· 最高250mW輸出功率
· <100kHz窄線寬，可低至20kHz
· 振動惰性，被動穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
· 精密波長調(diào)節(jié)，調(diào)諧范圍達數(shù)十納米
· 20MHz高帶寬直接調(diào)制，20ns超短延時
· 高速壓電陶瓷反饋控制，高反饋帶寬
· 自準直，調(diào)諧波長無需準直調(diào)節(jié)
· 二極管保護電路及繼電器
· 極低頻率噪聲
· 可使用MOGLabs ECDL 控制器或用戶自備驅(qū)動器
· LD芯片現(xiàn)場可更換

 
Cateye 外腔式二極管激光器

（2）LDL系列：利特羅結(jié)構(gòu)ECDL

在較短波段，受限制于濾光片的參數(shù)，光柵結(jié)構(gòu)相對于濾光片結(jié)構(gòu)有一定優(yōu)勢。
借鑒高性能賽車引擎的靈感，MOGLabs LDL系列利特羅結(jié)構(gòu)ECDL采用類似“DESMO*”免彈簧的光柵的裝載機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)，消除彈性撓曲，提升抗振動性能。激光器主體采用整塊鋁材加工制成，緊湊、堅固、穩(wěn)定；全密封結(jié)構(gòu)消除了外界氣壓變化影響。精密、可重復(fù)的垂直調(diào)節(jié)與光柵旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)相互獨立，從而實現(xiàn)LD增益范圍內(nèi)數(shù)十納米調(diào)諧而不需要重新準直。LDL在長波段可實現(xiàn)100kHz以下線寬，而在藍光波段可實現(xiàn)200kHz以下線寬。LDL特別為370nm - 500nm短波光設(shè)計。

特性
· 振動惰性，被動穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
· 寬調(diào)諧范圍達數(shù)十納米
· 368 - 1620nm可選，可達250mW輸出功率（取決于LD芯片）
· 可適用寬帶鍍膜LD芯片或低成本無鍍膜芯片，用戶可自行更換芯片
· 光柵傾斜與旋轉(zhuǎn)無耦合調(diào)節(jié)
·  無跳模寬范圍掃描，可達40GHz
· 窄線寬<200kHz，取決于LD
· 高速壓電陶瓷反饋控制
· 精密準直控制
· 20MHz高帶寬直接調(diào)制，20ns超短延時
· 二極管保護電路及繼電器
· 低頻率噪聲
· 可使用MOGLabs ECDL 控制器或用戶自備驅(qū)動器
* “DESMO”為著名奢侈摩托車品牌杜卡迪發(fā)明的無彈簧、緊密直連的賽車發(fā)動機氣門配時結(jié)構(gòu)。

（3）MSA系列：一體式錐形激光放大器 

MOGLabs MSA 系列為集成種子源及錐形半導(dǎo)體放大器的緊湊、堅固、穩(wěn)定的高功率窄線寬激光放大器，可提供最高4W輸出功率。
輸入輸出透鏡采用撓性安裝，提供杰出的被動穩(wěn)定性以及用戶自行更換錐形放大芯片的便利。
可靈活選配多種隔離器，包括4mm口徑緊湊型隔離器以及5mm口徑雙級隔離器。
MSA系列采用MOGLabs 獨特的Cateye系列自準直激光器作為種子源，具備非常低的頻率漂移和被動線寬。

特性
· 波長范圍：650 ~ 1080nm
· 最高功率可達4W
· 高穩(wěn)定性線切割撓性裝載機構(gòu)，簡便優(yōu)化調(diào)節(jié)
· 用戶可更換放大芯片
· 像散矯正透鏡，高效率耦合，10mW種子亦可驅(qū)動

（4）MOA系列：錐形半導(dǎo)體激光放大器 

MOGLabs MOA系列 為緊湊、堅固、穩(wěn)定的錐形半導(dǎo)體激光放大系統(tǒng)，適用于650 ~ 1080nm激光放大，最高提供4W輸出。
MOA系列有三個版本。全尺寸版本具備MOA的所有功能，輸入、輸出端口預(yù)留單級、雙級隔離器空間；MOA-L采用簡化外殼，適用于無需輸入隔離器的場合；MOA-C非常緊湊，適合DIY用戶，無內(nèi)置隔離器位。
三個版本的輸入輸出透鏡均采用與MSA系列相同的線切割撓性裝載系統(tǒng)，確保杰出的被動穩(wěn)定性與現(xiàn)場更換錐形放大芯片的功能。采用精心設(shè)計的光學系統(tǒng)，MSA達到了非常高的耦合效率，可適用mW量級的種子源（取決于波長和輸出功率需求）。
MOA以及MOA-L可支持雙端口分束輸出，提供一路自由光輸出和一路光纖耦合輸出。

特性
· 波長范圍：650 ~ 1080nm
· 最高功率可達4W
· 高穩(wěn)定性線切割撓性裝載機構(gòu)，簡便優(yōu)化調(diào)節(jié)
· 用戶可更換放大芯片
· 像散矯正透鏡
選項
· 多級光隔離器
· 單模光纖耦合輸出
· 雙光束輸出（自由光或光纖）
·  增強ASE抑制
· 集成光束整形，降低橢圓度

（5）ILA系列：注入鎖定激光器 

在藍、紫以至紫外短波段，較高功率的放大器常常難于獲得。使用種子注入的F-P激光二極管是一種可以獲得窄線寬、較高功率激光的途徑。
MOGLabs 發(fā)展了穩(wěn)定的注入鎖定F-P激光二極管的新技術(shù)。傳統(tǒng)的注入鎖定經(jīng)常被詬病其環(huán)境敏感性：溫度、準直或電流的極小變化將導(dǎo)致激光器失鎖。MOGLabs開發(fā)了自動跟蹤技術(shù)，持續(xù)監(jiān)控激光輸出并實時對激光二極管加以微小調(diào)節(jié)，以保持激光器的穩(wěn)定鎖定。

與MOGLabs穩(wěn)定的種子激光結(jié)合，ILA可輸出1W @ 461nm，400mW @ 399nm，分別用于鍶（Sr）原子與鐿（Yb）原子冷卻。ILA為短波長冷原子應(yīng)用提供了緊湊、低成本的光源，替代造價高昂、體積巨大的二倍頻固體激光器。ILA輸出光束質(zhì)量優(yōu)于錐形放大器。目前已實戰(zhàn)的注入鎖定激光器包括：
· 370nm/ 100mW  (Yb⁺)
· 399nm/ 400mW  (Yb)
· 461nm/ 1000mW (Sr)
· 509nm/ 200mW  (Cs Rydberg)
· 657nm/ 300mW  (Ca clock)
· 689nm/ 100mW  (Sr MOT)
· 698nm/ 100mW  (Sr clock)
ILA多功能平臺提供多種可能的架構(gòu)，您有任何波長需求敬請垂詢。
特性
· 波長范圍：370 ~ 1080nm
· 最高功率可達1W，取決于所需波長
· 高穩(wěn)定性線切割撓性裝載機構(gòu)，簡便優(yōu)化調(diào)節(jié)
· 用戶可更換放大芯片
· 像散矯正透鏡
選項
· 多級光隔離器
· 單模光纖耦合輸出
· 雙光束輸出（自由光或光纖）
· 集成光束整形，降低橢圓度

二、可調(diào)諧鈦寶石/ 染料激光器

隨著種類越來越豐富的原子、分子、離子成為激光操控的對象，在實驗中對激光器波長的靈活性提出了更高的要求。廣泛使用的外腔式半導(dǎo)體激光器、窄線寬光纖激光器在部分波段（紫外、藍綠光）有較多空缺，無法完全滿足要求?？烧{(diào)諧激光器可以彌補這些空缺，滿足不停擴展和變化的實驗需求。
TekhnoScan公司提供環(huán)形腔鈦寶石激光器、環(huán)形腔染料激光器、混合激光器及倍頻器，實現(xiàn)570 - 1100nm的W級連續(xù)可調(diào)諧輸出，100kHz或更低線寬鎖頻運行，5~30GHz無跳模調(diào)諧范圍；通過共振倍頻器可實現(xiàn)280 - 550nm 短波長輸出。

部分型號主要參數(shù)

三、窄線寬激光器選型指南

下表簡單匯總了窄線寬可調(diào)諧激光器的主要參數(shù)區(qū)間，供您選擇參考：
 

  四、激光控制器和驅(qū)動器

MOGbox DLC202 系列激光二極管控制器是集成所有冷原子應(yīng)用需求的ECDL窄線寬激光器驅(qū)動及頻率鎖定控制器。每個型號均包括：
· 超低噪聲二極管電流源，<100pA/√Hz噪聲（DC-1MHz）
· 溫度控制器，含TEC驅(qū)動器
· 掃描發(fā)生器
· 兩路高壓壓電陶瓷驅(qū)動器
· 差分低噪聲光電管，700kHz帶寬
· 解調(diào)器（鎖相放大器）
· AC調(diào)制源（250kHz，50mA，可用于賽曼線圈等）
· 伺服反饋濾波電路
· 人機界面，包括4.5位顯示，示波器選擇等
· 激光器接口及保護板，帶高帶寬調(diào)制
· l 全套線纜及厚達120頁的說明書
· 698nm/ 100mW  (Sr clock)
DLC在設(shè)計中借鑒了HIFI領(lǐng)域?qū)＜业脑O(shè)計原理以及高速光通訊領(lǐng)域24層PCB的設(shè)計經(jīng)驗，采用10層PCB設(shè)計。實驗結(jié)果超過市售商品化產(chǎn)品，最高可實現(xiàn)5kHz的線寬。

  （2）LDD激光二極管驅(qū)動器 

LDD錐形放大器驅(qū)動器為電流驅(qū)動源以及溫控儀的組合，提供完整的前面板菜單以及以太網(wǎng)/USB/串口界面的字符串指令控制。高精度電流源可提供8A電流驅(qū)動多種激光二極管。計算機彈性定義的PID溫度控制器可輸出60W功率驅(qū)動TEC制冷器。
LDD為MOA/MSA放大器設(shè)計，也可用于其他高功率激光二極管及光纖放大器。ILD為LDL的變體，采用增強的運算功能以驅(qū)動注入鎖定激光器（ILA系列）自動運行。

特性
· 低噪聲電流源，8A/5V
· 溫控器，60W TEC驅(qū)動
· 數(shù)字PID溫度伺服
· 壓電驅(qū)動，150V
· 100mA調(diào)制深度，40kHz帶寬
· 友好人機交互，LCD顯示
· 網(wǎng)口/USB/RS232控制
· 用于激光功率監(jiān)控的光電管輸入
·  鑰匙啟動，外置內(nèi)鎖機構(gòu)，光電管監(jiān)控

（3）FSC快速伺服驅(qū)動器 

FSC是一臺超快速PID伺服驅(qū)動器，用于高帶寬激光器鎖定控制，包括分離的快速（電流）于慢速（壓電）反饋控制回路，可完整控制激光器頻率?？刂苹芈房蔀殒i腔、激光線寬壓縮、拍頻偏移鎖定等應(yīng)用優(yōu)化調(diào)節(jié)。
FSC兼容具備直接注入調(diào)制功能的激光頭（如MOGLabs CEL/LDL），以及具備外接壓電控制功能的驅(qū)動器（如DLC）。
MOGlabs匹配使用的低噪聲30MHz光電探測器PDA030，可直接由FSC驅(qū)動。

特性
· 高帶寬PID/ PI²D控制
· 全模擬信號處理，40ns低傳輸延時
· 直觀控制
· 兩路示波器軌跡選擇器開關(guān)
· 自動鎖定示波器軌跡中心
· 兩路反饋回路
· 高帶寬外部調(diào)制
· 內(nèi)置斜升發(fā)生器
· 兩路低噪聲光電探測器供電

（4）LDC500系列通用半導(dǎo)體激光器控制器 

Stanford Research Systems 公司LDC500系列激光二極管控制器是通用性激光二極管驅(qū)動器。驅(qū)動器提供橫流、恒壓驅(qū)動模式，支持調(diào)制，內(nèi)置溫控儀、TEC驅(qū)動源。

特性
· 100mA（LDC500），500mA（LDC501），2A（LDC502）源
· <10ppm/℃漂移
· <0.3μA電流噪聲（LDC500）
· 橫流/恒壓模式動態(tài)切換
· GPIB，RS-232，以太網(wǎng)接口
· 36WTEC驅(qū)動
· 高穩(wěn)定性（0.0005℃/℃）
· 熱電偶、RTD及IC溫度傳感器兼容