基于双波长外腔共振的高效频率上转换理论与实验研究

【摘要】：随着块状、波导式非线性晶体和基于非线性晶体制作的回音壁微型谐振腔的快速发展,激光的频率上转换已经成为一项热门的研究课题,并且这种技术被使用在多种科研、生产及国防应用中,例如,新波长激光源的研制,非经典态的频率转换,长程量子密钥分发和高效红外光子探测等。实现稳定、高效的频率上转换尤其在激光应用领域内得到了广泛的关注。例如在基于经典光场的应用中,1.5μm通讯波段的激光到可见光波段的频率转换会使光子的探测效率提高,因为一般用于可见光单光子探测的硅计数器的探测效率高于用于红外波段的铟镓砷计数器效率的5倍。对于光强微弱的非经典态的光场,例如Fock态、压缩真空态或叠加态,高效的频率上转换不仅可以提高这类光场态非线性过程的效率,而且可在输出光中保留这些输入态的非经典特性。基于波导结构的频率上转换装置具有很强的内部转换效率,然而光纤的插入损耗将明显地降低入射光的总转换效率。另外,回音壁式微型谐振腔凭借其高效性也成为一种备受关注的技术。然而,近些年来,块状晶体中频率上转换的研究最为细致。多样化的腔与晶体设计极大地提高了非线性转换效率,这使得在一定条件下,近红外激光的转换效率可以超出90%。理论与实验证实上转换激光的功率与基频光功率有关。为了获得高效的频率上转换,通常使用外部谐振腔来放大基频光的功率。与内腔放大机制相比,外腔由于其方便的激光到外腔的模式匹配因而拥有更高的适用性。目前,双波长外腔共振方案,即两种基频光同时与外腔共振,得到了广泛关注。由于外腔的无源放大,双共振不仅可以降低系统的功耗,而且基于高稳定的频率锁定可实现频率漂移量小的上转换激光输出。本论文的主要研究内容包括以下几方面:1)对双波长外腔共振高效频率上转换的实现进行了研究。通过解调频率上转换输出激光的光强信号获得信号光与外腔的频率锁定误差信号。实验中,对比了分别由输出激光和信号光透射腔模获得的误差信号,基于前者实现了稳定的微弱信号光到外腔的频率锁定,并在此情况下获得了最高73%的信号光转换效率。之后基于采样保持电路优化后的PDH锁频电路实现脉冲抽运光与外腔的频率锁定;2)对弱光的高效频率上转换进行了详细的研究。在抽运不消耗近似下,以1064nm激光作为抽运光,1583nm激光作为信号光,研究了基于双波长外腔共振技术在25mm长周期极化铌酸锂晶体中高效频率上转换实现的条件,并在实验上获得了入射信号光94.6%的转换效率。同时,在高效频率上转换过程中研究了阻抗匹配度与耦合效率的关系,使用耦合效率拟合Pmax值,提高了拟合精度。在测量方面,提出了基于反射腔模修正功率计测量转换效率的方法;3)针对高功率激光的高效和频,计算了基于抽运不消耗近似和椭圆积分方程求解耦合波方程时两种方法之间的误差,并且结合外腔增强基本理论分析了可实现高于90%以上信号激光频率转换对应的入射信号光功率范围,并在实验上进行了详细测量。研究了外腔在信号光波段满足阻抗匹配时输出激光的长期稳定性和短期频率噪声。最后对输出激光的光束质量进行了测量。上述工作的创新之处有以下几点:1)基于频率转换过程中信号光的腔透射信号与输出激光强度谱的光强与失谐频率的关系,并根据基频激光携带信息可以传递到输出光的性质,以信号光的调制频率解调输出光的光强信号,从中提取信号光到外腔锁定的误差信号。证实了,相比信号光的腔模信号,由输出激光光强信号所得的误差信号有更好的信噪比,且基于此误差信号实现了双波长外腔共振的频率上转换;2)基于抽运不消耗近似条件下三波耦合方程的解和谐振腔理论,得到了实现微弱信号光高效转换的参数与条件。使用信号光单次通过晶体所测量的一系列数据优化了信号光入射腔镜反射率和抽运光功率。实验中设计外腔较低的信号光波段精细度,在信号光入射功率小于25mW范围内获得转换效率达到94.6%;3)基于三波耦合方程的精确解与谐振腔理论,得到了实现高功率信号光高效和频所需要的实验条件,并在此基础上分析了系统可实现90%以上转换效率的信号光入射功率范围。根据理论分析和模拟,确定了最佳的实验参数,并在实验上实现275mW入射信号光93%的转换效率,即产生637mW的636nm激光。当外腔在信号光波段满足阻抗匹配时,输出激光的长期稳定性为1.8%,M2因子在X和Y方向上均在1.09附近。

【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN24;O734