激光晶體熱效應(yīng)的改善及全固態(tài)高功率單頻激光器的實驗研究.pdf

1、激光二極管(Laser Diode,LD)泵浦的全固態(tài)激光器因其體積小、穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)制造、激光醫(yī)學(xué)和國防科技等領(lǐng)域。通過縱模選擇技術(shù),實現(xiàn)激光器單頻運轉(zhuǎn),會有效降低輸出激光的強度與位相噪聲,增加其相干長度。因此,單頻激光器在量子信息、量子光學(xué)和冷原子物理等研究領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。同時,隨著研究工作的不斷深入,人們對激光源輸出功率的提高和噪聲水平的降低也提出了愈來愈高的要求,甚至需要一種低

2、于散粒噪聲基準(zhǔn)(shot noise limit,SNL)的非經(jīng)典光源。因此,為了滿足以上領(lǐng)域?qū)Φ驮肼暪庠吹膽?yīng)用需求,我們開展了高功率全固態(tài)單頻激光器和非經(jīng)典光源產(chǎn)生裝置方面的研究工作。
　　在高功率單頻激光器研究方面,主要介紹我們在全固態(tài)高功率單頻激光器研究中遇到的熱效應(yīng)問題,并且針對出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的解決方法。首先,為了滿足量子光學(xué)研究領(lǐng)域中糾纏態(tài)與壓縮態(tài)光場產(chǎn)生實驗對泵浦多個光學(xué)參量振蕩器(Optical Paramet

3、ric Oscillator,OPO)或者光學(xué)參量放大器(Optical Parametric Amplifier,OPA)應(yīng)用的需求,我們將激光器諧振腔的設(shè)計與內(nèi)腔倍頻中的最佳非線性耦合條件相結(jié)合,優(yōu)化了環(huán)形諧振腔,完成了540/1080nm雙波長輸出Nd:YAP/LBO高功率單頻激光器的研制。其次,采用相同的腔型設(shè)計,通過改善Nd:YVO4晶體的熱效應(yīng),完成了輸出功率高于10W的532nm單頻激光器的設(shè)計和樣機運轉(zhuǎn)。
　　在非

4、經(jīng)典光源研制方面,我們利用全固態(tài)單頻激光器泵浦工作于閾值以下的非簡并光學(xué)參量放大器(Non-degenerate Optical Parametric Amplifier,NOPA),完成了1080nm連續(xù)變量量子糾纏光源樣機的研制。該樣機集小型化1080/540nm激光器、NOPA和 Bell態(tài)探測系統(tǒng)為一體,并且配置了一體化的鎖定系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng),實現(xiàn)了糾纏態(tài)光場產(chǎn)生裝置的小型化與集成化。
　　在以上研究工作中

5、,我們?nèi)〉昧巳缦鲁晒?
　　1、低摻雜濃度Nd:YVO4晶體的應(yīng)用:在808nm波長端面泵浦時,Nd:YVO4晶體對泵浦光的吸收系數(shù)較高,晶體內(nèi)會產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng),限制激光器輸出功率的提高,導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量變差。在532nm高功率單頻激光器的設(shè)計中,為了進(jìn)一步降低 Nd:YVO4晶體的熱效應(yīng),我們將晶體的摻雜濃度由之前的0.3at.％降低為0.2 at.%,減輕了晶體的熱效應(yīng)。最終,完成了最高輸出功率為11.47W的532nm

6、單頻激光運轉(zhuǎn)。
　　2、兩凸-兩凹四鏡環(huán)形諧振腔的設(shè)計:我們通過分析內(nèi)腔倍頻效率與諧振腔參數(shù)之間的關(guān)系,設(shè)計了由兩面凸面鏡和兩面凹面鏡構(gòu)成的四鏡環(huán)形諧振腔。與兩面平面鏡和兩面凹面鏡組成的四鏡環(huán)形諧振腔相比,該腔型擴大了激光晶體處的光斑尺寸,有利于改善晶體的熱效應(yīng);同時縮小了兩凹面鏡之間的腰斑半徑,有利于提高內(nèi)腔倍頻的轉(zhuǎn)換效率。最終,通過采用該腔型,我們獲得了最高輸出功率為4.5W(1.5W)的540nm(1080nm)單頻Nd:Y

7、AP/LBO激光輸出;同時,采用該腔型,我們完成了輸出功率高于10W和20W的單頻532nm激光器樣機的研制。
　　3、像散自補償原理:實驗表明,Nd:YVO4晶體激發(fā)的π偏振光存在嚴(yán)重的熱透鏡像散,導(dǎo)致激光器工作穩(wěn)區(qū)產(chǎn)生分離,嚴(yán)重影響了激光器的穩(wěn)定性。為了補償熱透鏡像散,我們將Nd:YVO4晶體以c軸平行于環(huán)形諧振腔子午面方向放置,通過優(yōu)化諧振腔參數(shù),實現(xiàn)了熱透鏡像散與諧振腔像散的相互補償,從而獲得了穩(wěn)定的單頻激光輸出。采用像散

8、自補償?shù)霓k法,10W和20W的532nm單頻激光器的輸出功率及其穩(wěn)定性和光束質(zhì)量均得到了明顯改善。
　　4、直接泵浦方式的應(yīng)用:為了進(jìn)一步改善激光晶體的熱效應(yīng),我們采用888nm波長的LD泵浦Nd:YVO4晶體,在1064nm激光輸出時,與808nm泵浦方式相比,量子虧損降低了7.5%,同時,888nm波長表現(xiàn)出無偏振吸收的特性,因而晶體的熱效應(yīng)大幅度降低。最終,通過采用888nm波長的泵浦源,我們獲得了輸出功率高于20W的532

9、nm單頻激光輸出。
　　5、晶體邊界溫度對輸出激光特性的影響:能量傳輸上轉(zhuǎn)換效應(yīng)(Energy Transfer Upconversion,ETU)與晶體的摻雜濃度有關(guān),隨著摻雜濃度的升高ETU效應(yīng)加劇。在888nm波長泵浦條件下,我們選擇Nd:YVO4晶體的摻雜濃度為0.8at.%,因而需要考慮ETU效應(yīng)對熱效應(yīng)的影響。然而,在我們的研究中發(fā)現(xiàn),ETU不僅與摻雜濃度有關(guān),還受到晶體邊界溫度的影響。當(dāng) Nd:YVO4晶體的邊界溫度

10、由20℃升高到80℃時,532nm單頻激光器的輸出功率由25.3W降低至13.5W。因此,為了提高激光器的輸出功率,需降低晶體的邊界溫度。
　　6、連續(xù)變量量子糾纏源樣機:采用540/1080nm雙波長輸出的Nd:YAP/KTP單頻激光器泵浦工作于閾值以下的NOPA,完成了1080nm連續(xù)變量量子糾纏光源樣機的研制。該樣機集全固態(tài)單頻激光器、NOPA和Bell態(tài)探測器于一整塊鑄鋁底板上,同時配置了一體化設(shè)計的四路PID、溫度控制儀