封面 | 梦天实验舱中的激光交叉光阱，冲击宇宙最低温！

封面解析：

本封面生动地展示了中国空间站梦天实验舱超冷原子物理实验平台进行全光两级深度冷却实验制备极低温超冷原子的实验过程。其中主体结构为本文研究的全光纤激光器提供的两对波长为1064 nm的交叉光阱激光。正中心的红色圆形气团代表着被冷却的超冷原子气体。在斜向上的淡蓝色通道内，三团密度逐渐提高、温度逐渐降低的粒子团代表着超冷气体冷却时密度和温度的变化；通道中轴线上，淡蓝色的曲线则是代表了实验验证阶段中粒子团所经历的超冷相变过程。（注：为使封面整体美观，两对同心的交叉光阱的颜色和尺寸未严格按实际实验情况来展示）

《光学学报》2023年第01期封面文章| 谢昱, 梁昂昂, 李文文, 黄名山, 汪斌, 刘亮. 超冷原子冷却用集成全光纤1064 nm激光系统的研制[J]. 光学学报, 2023, 43(01): 0114001.

导读：

低噪声、高稳定、高动态范围的光阱激光器是轨微重力环境中全光两级深度冷却实验的核心设备。中国科学院上海光学精密机械研究所刘亮研究员课题组研制了一种满足在轨超冷原子冷却实验需求的全光纤1064 nm的集成化光阱激光器。经过整机测试和实验验证，该激光器性能、噪声和控制等方面充分满足空间站超冷原子实验平台的科学及工程需求，为未来其他微重力超冷原子实验装备提供了设计依据。

1、研究背景

中国空间站（又称天宫空间站）是由我国自主建造的空间站平台，是我国载人航天自1992年起步以来连续发展30年成果的结晶。它主要包括天和核心舱、梦天实验舱、问天实验舱（如图1所示）。

图1 中国空间站梦天实验舱（图片来源于网络）

2022年10月31日，中国空间站梦天实验舱搭载国内首个微重力超冷原子物理实验平台，超冷原子物理实验柜（超冷柜），发射入轨，并与在轨的天宫空间站顺利完成交会对接。

实验舱中的冷原子物理实验平台将采用全光两级冷却的方式，将原子气体冷却至100 pK以下，制备在轨最低温度的超冷原子气体。而这一全光冷却的温度，完全受限于光阱激光的输出功率、强度噪声和控制能力等方面。因而，如何研制满足上述实验需求的激光系统，是在轨超冷原子冷却亟待解决的问题。

2、超冷原子冷却用集成化全光纤1064-nm光阱激光系统的研制

为了实现在轨全光深度冷却的工程目标，中国科学院上海光学精密机械研究所刘亮研究员课题组研制了一套1064-nm光机激光系统（如图2所示），采用全光纤器件实现了单一种子光的两级光纤主振荡放大（MOPA）、分束合束、对偶移频和末级功率反馈等功能。

图2 1064-nm激光系统全光纤光学链路设计

MOPA放大器选用发射波段为1000~1100 nm的掺镱光纤（YDF）作为增益介质，同时选用976 nm光栅锁波长LD对YDF进行包层正向泵浦（图3）。通过预放大器（PA）和增益放大器（BO）的两级光放大方案，可以为CH1 & CH2通道提供大于5 W的有效光功率。BO配合声光调制器（AOM），经过严格的功率反馈，可以实现最高60 dB的高动态范围的稳定低噪的光功率控制。

图3 两级MOPA放大器光学设计

研制阶段进行了组件测试（图4），结果显示：（1）MOPA输出功率未出现明显损伤和饱和现象；（2）MOPA较种子源没有发生明显的光谱加宽和噪声；（3）光纤AOM具有较宽的单调调制范围。各部组件设计均满足设计指标。

图4 激光器部组件测试，a) & b) MOPA放大特性，c) 输出光谱，d) AOM调制特性

完成整机集成后，进行了两级光阱的相对强度噪声（RIN）测试（图5）以及输出能力测试（表1），测试结果显示：（1）输出激光的功率噪声加热效应低于实验要求的十分之一；（2）输出能力和稳定性充分覆盖设计指标。

图5 激光器功率噪声测试

最后，经过进一步的地面两级冷却预实验（图6）对激光器各项技术指标进行考核。结果表明，应用该激光器能够在标准重力环境中实现10 nK以下的冷却温度（对应在轨实验温度约100 pK量级），说明激光器的性能、噪声、稳定性和控制功能充分满足在轨实验需求，达到研制目标。

图6 地面两级冷却预实验

3、未来展望

近期，中国空间站梦天舱成功发射，其上搭载的超冷柜于11月15日成功传回了第一次实验结果。截至本文撰写时，此光阱激光系统已顺利在轨开机且运行稳定，配合其他冷却激光，实现了μK量级的冷原子光阱装载。接下来几个月时间里，将针对在轨微重力环境对光阱激光进行微调，配合团队自主研发的实验仿真系统和地面镜像设备，进行一系列在轨深度冷却实验，冲击低温极限，进而观察到更多的新奇物理现象。

科学编辑：谢昱, 梁昂昂, 汪斌，刘亮

编辑：张浩佳