冷原子、精密测量及量子信息相关解决方案（上）

对原子、分子、离子等微观粒子的激光冷却与陷俘，是近年物理科学取得重大成就的前言方向。冷却并陷俘的微观粒子体系具备极低的多普勒效应和碰撞效应，提供了纯净的、精密可控的能级结构，广泛应用于基础量子力学研究、时间频率基准、精密测量、量子通讯与量子计算等领域。
激光是原子冷却和陷俘的基础工具，也是针对冷原子体系进行操控的主要工具。冷原子研究中，通常需要激光器具备如下特征：
· 窄线宽，以便绝大多数能量位于原子的吸收线宽以内；
·  可调谐，可以调谐至原子精细能级的水平，或针对多普勒漂移等频率漂移机制进行有效的调谐；
· 可调制，可通过微波进行直接调制或腔外声光调制器调制，从而产生微小频率偏移以便对准原子的超精细能级结构；
· 可锁定，支持激光器锁定于原子吸收线甚至超精细腔，从而实现长时间稳定的频率和强度输出；
· 空间模式好、偏振度高；
· 适当的功率，不同实验目的对功率有不同的需求。
窄线宽、可调谐外腔式半导体激光器（External Cavity Diode Laser, ECDL）是冷原子领域广泛使用的激光器。在某些特定的波长（如780nm附近），单频光纤激光器则具备较高的功率输出。而普通半导体以及固体增益介质都无法覆盖的波段，则需要可调谐固体激光器及其倍频激光来实现。
特别地，在时频基准和精密测量领域，光频梳是精密定量激光波长和精密位移测量的不可或缺的基本手段。通常用飞秒振荡器，通过重复频率锁定和载波包络漂移频率（f_ceo）的锁定来构建光频梳。飞秒激光器本身的可靠性、易用性、稳定性以及频率/位相噪声，直接决定了光频梳的性能，从而决定精密测量最终可以达到的精度和信噪比。
冷原子和精密测量应用，将激光器的参数指标要求推进到接近量子极限的苛刻水平。在激光器输出参数通过不同技术手段逐级精密化、稳定化的过程中，不同精度级别的激光测试设备也具备重要的用途。一个典型的示例是光原子钟精密测量的实现：
光钟信号光（通常称为“钟光”，通过将激光锁定于超精细腔获得Hz~亚Hz的线宽和频率稳定性，用于侦测光频波段的超窄跃迁能级）的频率需要以精度为Hz量级的准确测量；这一测量精度横跨14~15个数量级（10^{-5 ~ -6}ppb），通常采用的方法是将钟光与光频梳（频率间隔确定）拍频，并以高精度测量拍频频率，这一测量可通过以原子射频能级为参考的频率计实现。然而参与拍频的光频梳梳齿的绝对频率却并不知晓。此时可通过基于干涉仪的激光波长计，以亚GHz的准确度测量激光的波长；只要波长计的准确度优于光频梳的梳齿间距，就可通过简单的数量关系计算参与拍频的梳齿对应的纵模级次，再结合纵模间距、载波包络漂移频率、拍频频率即可准确计算光钟频率。而纵模间距、f_ceo、拍频信号频率均可与原子微波跃迁锁定或以原子微波频率为参考进行测量，从而将测量精度要求降低为1~10 ppb量级。可见在光频的Hz量级准确度测量中，亚GHz精度（0.1ppm）的波长测量也具有重要作用。
先锋科技提供丰富的原子（分子、离子）冷却激光器领域的产品，包括窄线宽可调谐外腔式半导体激光器及放大器1、窄线宽可调谐固体/染料激光器及泵浦源、高功率窄线宽光纤激光器、高重频/高稳定性飞秒激光器等；大多数激光器或其控制器均具备专为原子冷却需求而设计的PID反馈控制、高带宽直接调制、高精度PZT调谐及锁定等功能。
除常规的激光功率能量计、光斑分析仪等激光测试设备外，先锋科技还提供不同精度级别的波长计、光频谱仪，用于精密测量激光的波长、频谱、纵模特征等。
原子/分子/离子体系的操控中，电磁相互作用是最主要的手段，所涉及的电磁波覆盖从直流电磁场到射频、光频波段，需要丰富的电子学产品支持。这些电子学设备包括低噪声激光控制器、函数和任意波形发生器、射频发生器、各种带宽低噪声放大器/滤波器、频谱分析仪、鉴相及锁相放大器、时间频率计数器、商品原子钟及标准信号发生器等等；先锋科技提供多种通用型或专用型电子学仪器。
同时，先锋科技还提供多种光学实验中非常重要的光学镜片/窗片/透镜、偏振器件、开关与隔离器件、衍射光学与位相控制元件、精密镜架与精密位移器件、光电探测器与信号读取设备、真空测试设备、科研级光谱仪与成像相机等。敬请浏览先锋网站www.teo.com.cn或致电垂询，以获取相关产品信息，满足您实验的需求。

一、可调谐外腔式半导体激光器

来自澳大利亚的MOGLabs公司源自墨尔本大学的原子光学实验室光学团队，“MOG”即“Melbourne Optics Group”的缩写。MOGLabs结合多年冷原子领域的实验经验，澳、美两地的专家团队以及先进的工业化设计制造能力，提供为冷原子应用量身定做的可调谐窄线宽半导体激光器及其驱动器、射频电子学设备、激光波长测量及隔离器、碱金属泡等附件产品。
MOGLabs产品的设计以满足冷原子实验研究的灵活多变的需求核心，在稳定、可靠的基础上集成多方面的功能，例如激光器和激光驱动器内置的调制、调谐、锁定功能，射频电子学的调制、开关、自动指令表等等功能。冷原子实验耗时冗长的激光器调节、电子学设备协同设置和调节工作得以大幅度优化，使科学家节约宝贵的时间用于物理研究本身。
与此同时MOGLabs提供超越同行的质量保证条款和激光器便利维护功能，使得激光器的维护成本和停机时间得以大大缩减。

（1）CATEYE结构ECDL

CEL系列为MogLabs推出的新型外腔式半导体激光器，采用超窄线宽滤光片结合CATEYE反射器作为选频和调谐机构。相比于传统的采用光栅（Littrow或Littman-Metcaf）结构，CATEYE结构不需要弹性装载活动元件，对振动免疫，即使在锤击下仍旧能够保持锁定；激光器的自准直结构使其能够在宽达数十纳米的调谐范围中保持准直性。
配合MOGLabs的电子学设备使用，线宽可低于100kHz。CEL提供450 ~ 530nm，630 ~ 1620nm波段范围，出腔功率可达250mW。
 CEL提供与DFB/ DBR二极管媲美的可靠性、稳定性，同时低一个数量级的窄线宽、宽调谐范围、数量众多的波长、对背散射光更低敏感，以及低得多的LD成本。

特性
· 创新Cateye设计
· 450 ~ 530nm、630 ~ 1620nm可选
· 最高250mW输出功率
· <100kHz窄线宽，可低至20kHz
· 振动惰性，被动稳定结构
· 精密波长调节，调谐范围达数十纳米
· 20MHz高带宽直接调制，20ns超短延时
· 高速压电陶瓷反馈控制，高反馈带宽
· 自准直，调谐波长无需准直调节
· 二极管保护电路及继电器
· 极低频率噪声
· 可使用MOGLabs ECDL 控制器或用户自备驱动器
· LD芯片现场可更换

 
Cateye 外腔式二极管激光器

（2）LDL系列：利特罗结构ECDL

在较短波段，受限制于滤光片的参数，光栅结构相对于滤光片结构有一定优势。
借鉴高性能赛车引擎的灵感，MOGLabs LDL系列利特罗结构ECDL采用类似“DESMO*”免弹簧的光栅的装载机构和调节机构，消除弹性挠曲，提升抗振动性能。激光器主体采用整块铝材加工制成，紧凑、坚固、稳定；全密封结构消除了外界气压变化影响。精密、可重复的垂直调节与光栅旋转调节相互独立，从而实现LD增益范围内数十纳米调谐而不需要重新准直。LDL在长波段可实现100kHz以下线宽，而在蓝光波段可实现200kHz以下线宽。LDL特别为370nm - 500nm短波光设计。

特性
· 振动惰性，被动稳定结构
· 宽调谐范围达数十纳米
· 368 - 1620nm可选，可达250mW输出功率（取决于LD芯片）
· 可适用宽带镀膜LD芯片或低成本无镀膜芯片，用户可自行更换芯片
· 光栅倾斜与旋转无耦合调节
·  无跳模宽范围扫描，可达40GHz
· 窄线宽<200kHz，取决于LD
· 高速压电陶瓷反馈控制
· 精密准直控制
· 20MHz高带宽直接调制，20ns超短延时
· 二极管保护电路及继电器
· 低频率噪声
· 可使用MOGLabs ECDL 控制器或用户自备驱动器
* “DESMO”为著名奢侈摩托车品牌杜卡迪发明的无弹簧、紧密直连的赛车发动机气门配时结构。

（3）MSA系列：一体式锥形激光放大器 

MOGLabs MSA 系列为集成种子源及锥形半导体放大器的紧凑、坚固、稳定的高功率窄线宽激光放大器，可提供最高4W输出功率。
输入输出透镜采用挠性安装，提供杰出的被动稳定性以及用户自行更换锥形放大芯片的便利。
可灵活选配多种隔离器，包括4mm口径紧凑型隔离器以及5mm口径双级隔离器。
MSA系列采用MOGLabs 独特的Cateye系列自准直激光器作为种子源，具备非常低的频率漂移和被动线宽。

特性
· 波长范围：650 ~ 1080nm
· 最高功率可达4W
· 高稳定性线切割挠性装载机构，简便优化调节
· 用户可更换放大芯片
· 像散矫正透镜，高效率耦合，10mW种子亦可驱动

（4）MOA系列：锥形半导体激光放大器 

MOGLabs MOA系列 为紧凑、坚固、稳定的锥形半导体激光放大系统，适用于650 ~ 1080nm激光放大，最高提供4W输出。
MOA系列有三个版本。全尺寸版本具备MOA的所有功能，输入、输出端口预留单级、双级隔离器空间；MOA-L采用简化外壳，适用于无需输入隔离器的场合；MOA-C非常紧凑，适合DIY用户，无内置隔离器位。
三个版本的输入输出透镜均采用与MSA系列相同的线切割挠性装载系统，确保杰出的被动稳定性与现场更换锥形放大芯片的功能。采用精心设计的光学系统，MSA达到了非常高的耦合效率，可适用mW量级的种子源（取决于波长和输出功率需求）。
MOA以及MOA-L可支持双端口分束输出，提供一路自由光输出和一路光纤耦合输出。

特性
· 波长范围：650 ~ 1080nm
· 最高功率可达4W
· 高稳定性线切割挠性装载机构，简便优化调节
· 用户可更换放大芯片
· 像散矫正透镜
选项
· 多级光隔离器
· 单模光纤耦合输出
· 双光束输出（自由光或光纤）
·  增强ASE抑制
· 集成光束整形，降低椭圆度

（5）ILA系列：注入锁定激光器 

在蓝、紫以至紫外短波段，较高功率的放大器常常难于获得。使用种子注入的F-P激光二极管是一种可以获得窄线宽、较高功率激光的途径。
MOGLabs 发展了稳定的注入锁定F-P激光二极管的新技术。传统的注入锁定经常被诟病其环境敏感性：温度、准直或电流的极小变化将导致激光器失锁。MOGLabs开发了自动跟踪技术，持续监控激光输出并实时对激光二极管加以微小调节，以保持激光器的稳定锁定。

与MOGLabs稳定的种子激光结合，ILA可输出1W @ 461nm，400mW @ 399nm，分别用于锶（Sr）原子与镱（Yb）原子冷却。ILA为短波长冷原子应用提供了紧凑、低成本的光源，替代造价高昂、体积巨大的二倍频固体激光器。ILA输出光束质量优于锥形放大器。目前已实战的注入锁定激光器包括：
· 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多功能平台提供多种可能的架构，您有任何波长需求敬请垂询。
特性
· 波长范围：370 ~ 1080nm
· 最高功率可达1W，取决于所需波长
· 高稳定性线切割挠性装载机构，简便优化调节
· 用户可更换放大芯片
· 像散矫正透镜
选项
· 多级光隔离器
· 单模光纤耦合输出
· 双光束输出（自由光或光纤）
· 集成光束整形，降低椭圆度

二、可调谐钛宝石/ 染料激光器

随着种类越来越丰富的原子、分子、离子成为激光操控的对象，在实验中对激光器波长的灵活性提出了更高的要求。广泛使用的外腔式半导体激光器、窄线宽光纤激光器在部分波段（紫外、蓝绿光）有较多空缺，无法完全满足要求。可调谐激光器可以弥补这些空缺，满足不停扩展和变化的实验需求。
TekhnoScan公司提供环形腔钛宝石激光器、环形腔染料激光器、混合激光器及倍频器，实现570 - 1100nm的W级连续可调谐输出，100kHz或更低线宽锁频运行，5~30GHz无跳模调谐范围；通过共振倍频器可实现280 - 550nm 短波长输出。

部分型号主要参数

三、窄线宽激光器选型指南

下表简单汇总了窄线宽可调谐激光器的主要参数区间，供您选择参考：
 

  四、激光控制器和驱动器

MOGbox DLC202 系列激光二极管控制器是集成所有冷原子应用需求的ECDL窄线宽激光器驱动及频率锁定控制器。每个型号均包括：
· 超低噪声二极管电流源，<100pA/√Hz噪声（DC-1MHz）
· 温度控制器，含TEC驱动器
· 扫描发生器
· 两路高压压电陶瓷驱动器
· 差分低噪声光电管，700kHz带宽
· 解调器（锁相放大器）
· AC调制源（250kHz，50mA，可用于赛曼线圈等）
· 伺服反馈滤波电路
· 人机界面，包括4.5位显示，示波器选择等
· 激光器接口及保护板，带高带宽调制
· l 全套线缆及厚达120页的说明书
· 698nm/ 100mW  (Sr clock)
DLC在设计中借鉴了HIFI领域专家的设计原理以及高速光通讯领域24层PCB的设计经验，采用10层PCB设计。实验结果超过市售商品化产品，最高可实现5kHz的线宽。

  （2）LDD激光二极管驱动器 

LDD锥形放大器驱动器为电流驱动源以及温控仪的组合，提供完整的前面板菜单以及以太网/USB/串口界面的字符串指令控制。高精度电流源可提供8A电流驱动多种激光二极管。计算机弹性定义的PID温度控制器可输出60W功率驱动TEC制冷器。
LDD为MOA/MSA放大器设计，也可用于其他高功率激光二极管及光纤放大器。ILD为LDL的变体，采用增强的运算功能以驱动注入锁定激光器（ILA系列）自动运行。

特性
· 低噪声电流源，8A/5V
· 温控器，60W TEC驱动
· 数字PID温度伺服
· 压电驱动，150V
· 100mA调制深度，40kHz带宽
· 友好人机交互，LCD显示
· 网口/USB/RS232控制
· 用于激光功率监控的光电管输入
·  钥匙启动，外置内锁机构，光电管监控

（3）FSC快速伺服驱动器 

FSC是一台超快速PID伺服驱动器，用于高带宽激光器锁定控制，包括分离的快速（电流）于慢速（压电）反馈控制回路，可完整控制激光器频率。控制回路可为锁腔、激光线宽压缩、拍频偏移锁定等应用优化调节。
FSC兼容具备直接注入调制功能的激光头（如MOGLabs CEL/LDL），以及具备外接压电控制功能的驱动器（如DLC）。
MOGlabs匹配使用的低噪声30MHz光电探测器PDA030，可直接由FSC驱动。

特性
· 高带宽PID/ PI²D控制
· 全模拟信号处理，40ns低传输延时
· 直观控制
· 两路示波器轨迹选择器开关
· 自动锁定示波器轨迹中心
· 两路反馈回路
· 高带宽外部调制
· 内置斜升发生器
· 两路低噪声光电探测器供电

（4）LDC500系列通用半导体激光器控制器 

Stanford Research Systems 公司LDC500系列激光二极管控制器是通用性激光二极管驱动器。驱动器提供横流、恒压驱动模式，支持调制，内置温控仪、TEC驱动源。

特性
· 100mA（LDC500），500mA（LDC501），2A（LDC502）源
· <10ppm/℃漂移
· <0.3μA电流噪声（LDC500）
· 横流/恒压模式动态切换
· GPIB，RS-232，以太网接口
· 36WTEC驱动
· 高稳定性（0.0005℃/℃）
· 热电偶、RTD及IC温度传感器兼容