連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器及其強度噪聲特性的研究.pdf

1、緊湊穩(wěn)定高效的全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器，以其較寬的輸出光譜、較高的輸出功率、較低的強度噪聲等優(yōu)點，可廣泛應用于高靈敏度的干涉儀、高分辨率激光光譜、引力波探測、量子通訊、原子冷卻等領域。一方面，我們可以通過對鈦寶石晶體本身特性進行分析，設計并優(yōu)化光學諧振腔，以及在諧振腔內(nèi)插入激光器必須的光學元件等手段，獲得高效穩(wěn)定的連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器。另一方面，隨著科學技術的發(fā)展，人們對激光器的強度噪聲更加關注，因為激光器強度噪聲的存在對

2、許多實驗結果產(chǎn)生不利的影響，進而阻礙了鈦寶石激光器在科研領域中的應用。因此，提高全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器的相關指標和降低鈦寶石激光器的強度噪聲就成為了發(fā)展全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器的主要內(nèi)容。為此，我們主要從設計和優(yōu)化激光器諧振腔，降低激光器強度噪聲等方面對全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器進行了研究，其主要工作如下:
　　1.通過對具有寬帶吸收光譜和寬帶發(fā)射光譜的增益介質(zhì)鈦寶石晶體的分析，設計了消除像散的四鏡環(huán)行諧振

3、腔。利用傳輸矩陣，分析了四鏡環(huán)行諧振腔的穩(wěn)區(qū)和腰斑的變化特性，合理選擇諧振腔參數(shù)，使激光器工作在最佳狀態(tài)。在諧振腔內(nèi)插入了由外加磁場的TGG晶體和消色差半波片組成的寬帶該光學單向器后，激光器在可調(diào)諧的波長范圍內(nèi)均實現(xiàn)了單向運轉。
　　2.理論上分析了最大輸出功率與腔內(nèi)損耗以及輸出耦合鏡透射率之間的關系，得到了不同泵浦功率下的輸出耦合鏡最佳透射率。實驗上利用腔內(nèi)插入薄熔融石英片和更換輸出耦合鏡透射率的方法，測量了腔內(nèi)損耗，在此基礎上

4、得到不同泵浦功率下的輸出耦合鏡最佳透射率，進而優(yōu)化了激光器。最后，將激光器鎖定在高穩(wěn)定度的光學參考腔上，提高了激光器的輸出穩(wěn)定性。
　　3.分析了雙折射濾波片和標準具以及壓電陶瓷在鈦寶石激光器中的調(diào)諧特性。在鈦寶石激光器中，鈦寶石晶體的發(fā)射譜決定了最大調(diào)諧范圍;雙折射濾波片在激光器中起粗調(diào)作用，其最薄一片決定其最大調(diào)諧的范圍，而最厚一片決定其調(diào)諧的精度;標準具是一種選模調(diào)諧，盡管其調(diào)諧精度很高，但其仍是非連續(xù)的調(diào)諧;而要想獲得真正

5、的連續(xù)調(diào)諧，還需要改變諧振腔上的壓電陶瓷的電壓，通過改變壓電陶瓷的電壓，進而改變諧振腔腔長，最后達到連續(xù)調(diào)諧的目的。
　　4.在獲得高穩(wěn)定性的全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器后，我們研究了鈦寶石激光器的強度噪聲特性。首先，我們研究了泵浦源的縱模結構對鈦寶石激光器的影響，發(fā)現(xiàn)以單頻綠光激光器取代單橫模綠光激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源時，鈦寶石激光器的強度噪聲明顯降低。在此基礎上，我們還研究了泵浦源的泵浦速率等因素對鈦寶石激光器的影

6、響。隨著泵浦速率的增大，激光器的弛豫振蕩頻率向高頻方向移動，而弛豫振蕩的幅度減小。最后，我們用一種理論模型擬合了鈦寶石激光器的強度噪聲，該模型適用于泵浦源有一定分布特點的激光器。
　　5.盡管采用單頻綠光激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源，鈦寶石激光器的強度噪聲在2.5MHz處已達到量子噪聲極限，然而在低頻段，鈦寶石激光器的強度噪聲仍然高于量子噪聲極限。為了獲得低噪聲的鈦寶石激光器，我們采用光電負反饋來抑制鈦寶石激光器的強度噪聲。通過

7、選取合適的反饋增益，位相延時及帶通濾波，在頻率為1.125MHz處，鈦寶石激光器由原先的8.7dB降到了抑制后的1.4dB，抑制程度達7.3dB。而且通過選擇不同的位相延時和帶通濾波可以獲得不同頻率點的強度噪聲抑制。
　　創(chuàng)新性的工作:
　　A.設計并獲得了結構緊湊，穩(wěn)定性好的鈦寶石激光器，其相關指標基本上達到目前國外產(chǎn)品的水平。
　　B.利用腔內(nèi)插入熔融石英片的方法測量了腔內(nèi)損耗，研究了激光器在不同泵浦功率下的最佳透