光通信波段全固态连续单频激光器研制及非经典光场产生的理论与实验研究

【摘要】：1.34μm波段和1.5μm波段对应光纤的低色散和低损耗传输窗口,是目前光通信领域最常用的波段。波长位于光通信波段的连续变量非经典光场,是开展量子光学研究、实现实用化连续变量量子通信的基本资源。为了获得高质量的1.34μm纠缠态光场,需要首先研制出高功率、低噪声的连续单频1.34μm/671 nm激光光源。由于存在显著的能量传输上转换(ETU)、激发态吸收(ESA)等能量过程,该光源的输出特性迥异于常见的1.06μm激光器,尚未有输出功率超过10 W的报道。在量子信息领域,通过泵浦多个光学参量振荡腔制备的多组份纠缠态光场是构建量子信息网络的基本资源。其中扩展纠缠态的尺度时,对激光器的输出功率将是一个较大的挑战。本文详细阐述了光通信波段高功率、低噪声连续单频1.34μm激光光源的理论建模和实验研制。在此基础上,分别采用非简并光学参量放大器方案和简并光学参量放大器方案开展了1.34μm光通信波段的连续变量EPR量子纠缠态光场,以及1.5μm光通信波段的明亮振幅压缩态光场的研究制备工作。主要研究内容如下:1、实验研制了一台输出功率为16 W的连续单横模1.34μm激光器。理论上,首先建立了同时考虑ETU和ESA效应的四能级全固态连续单横模1.34μm激光器理论模型,并模拟了激光器的热效应和输出特性。在理论模拟时,利用迭代计算的方法解决了理论模型中晶体内温度分布与晶体热负载、ETU和ESA效应、输出功率以及依赖于温度的相关参数之间的相互耦合问题。实验上,通过采用880 nm的激光二极管(LD)双端偏振泵浦复合Nd:YVO_4晶体、降低晶体边界温度和优化输出耦合透射率的方法提高了激光器的输出功率,成功研制了一台输出功率为16 W的连续单横模1.34μm激光器,4小时内的功率稳定性优于±0.9%。实验结果与理论预测的结果能很好的吻合。2、实验研制了一台最高功率为11.3 W的全固态连续单频1.34μm Nd:YVO_4激光器。首先通过详细分析主振荡模与其它模式的小信号增益与非线性损耗,建立了固体激光器实现连续单频运转的物理条件。在此基础上,对激光器的输出耦合透射率、非线性晶体的控温温度进行了实验优化,研制了一台1.34μm激光输出功率为11.3 W、671 nm激光输出功率为0.3 W的稳定运转的全固态连续单频激光器。该激光器可长期稳定无跳模运转,3小时内1.34μm激光的功率稳定性优于±0.5%、频率稳定性优于±88 MHz,其强度噪声在分析频率为2.5 MHz处即可达到散粒噪声基准(SNL)。实验结果与理论模拟结果基本吻合。3、实验研制了一台全固态连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器。理论上,通过谐振腔设计消除了激光谐振腔自身的像散效应,并提高了振荡激光和泵浦光的模式匹配。实验上,采用880 nm的LD直接双端偏振泵浦复合Nd:YVO_4晶体,并利用I类临界相位匹配的LBO晶体内腔倍频,实验获得了3.17 W的连续单频671 nm激光和2.15 W的连续单频1.34μm激光。671 nm和1.34μm激光的强度和位相噪声均在分析频率为3 MHz处达到了散粒噪声极限(SNL)。4、利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器实验制备了3 dB的光纤通信波段1.34μm连续变量EPR量子纠缠态光场。理论上,从郎之万方程出发,分析了非简并光学参量放大器(NOPA)参量下转换产生纠缠态光场的原理,并讨论了纠缠态光场的探测方法。实验上,利用该低噪声连续单频激光泵浦由II类准相位匹配的PPKTP晶体构成的双共振NOPA,实验制备了纠缠度为3dB的光通信波段1.34μm连续变量量子纠缠态光场。5、利用商用的单频1.5μm光纤激光器作为激光光源,实验制备了压缩度为3 dB的1.5μm明亮正交振幅压缩态光场。理论上,从系统的哈密顿量出发,分析了有信号场注入的简并光学参量放大器(DOPA)参量下转换产生明亮振幅压缩态光场的原理。实验上,首先利用模式清洁器降低了1.5μm激光和采用外腔高效倍频产生的单频780 nm激光的额外噪声。然后利用780 nm激光泵浦由I类准相位匹配的PPKTP晶体构成的DOPA,实验制备了压缩度为3 dB的1.5μm明亮正交振幅压缩态光场。本论文的创新性工作如下:1、首次建立了一个同时考虑ETU和ESA效应的四能级全固态1.34μm Nd:YVO_4激光器理论模型,并利用迭代的方法解决了理论模型中晶体内温度场分布与晶体热负载、ETU和ESA效应、输出功率以及依赖于温度的相关参数之间的相互耦合问题。实验上通过采用880 nm的LD双端偏振泵浦复合Nd:YVO_4晶体、降低晶体边界温度和优化输出耦合透射率的方法提高了激光器的输出功率,研制了一台输出功率为16 W的连续单横模1.34μm激光器,实验结果与理论预期能很好的吻合。2、研究了1.34μm Nd:YVO_4环形激光器中引入非线性损耗后,激光器实现单纵模运转的物理条件。并利用880 nm LD双端偏振泵浦复合Nd:YVO_4晶体减轻激光晶体热效应,研制了一台1.34μm激光输出功率为11.3 W、671 nm激光输出功率为0.3 W的长期稳定无跳模运转的全固态连续单频激光器。3、利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器泵浦非简并光学参量放大器,实验制备了3 dB的光纤通信波段1.34μm连续变量EPR量子纠缠态光场。4、利用商用的单频1.5μm光纤激光器作为激光光源,首次实验制备了压缩度为3 dB的1.5μm明亮正交振幅压缩态光场。

【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1;TN248