基于雙波長外腔共振的高效頻率上轉(zhuǎn)換理論與實驗研究.pdf

1、隨著塊狀、波導(dǎo)式非線性晶體和基于非線性晶體制作的回音壁微型諧振腔的快速發(fā)展，激光的頻率上轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為一項熱門的研究課題，并且這種技術(shù)被使用在多種科研、生產(chǎn)及國防應(yīng)用中，例如，新波長激光源的研制，非經(jīng)典態(tài)的頻率轉(zhuǎn)換，長程量子密鑰分發(fā)和高效紅外光子探測等。實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的頻率上轉(zhuǎn)換尤其在激光應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。例如在基于經(jīng)典光場的應(yīng)用中，1.5μm通訊波段的激光到可見光波段的頻率轉(zhuǎn)換會使光子的探測效率提高，因為一般用于可見光單光子探

2、測的硅計數(shù)器的探測效率高于用于紅外波段的銦鎵砷計數(shù)器效率的5倍。對于光強微弱的非經(jīng)典態(tài)的光場，例如Fock態(tài)、壓縮真空態(tài)或疊加態(tài)，高效的頻率上轉(zhuǎn)換不僅可以提高這類光場態(tài)非線性過程的效率，而且可在輸出光中保留這些輸入態(tài)的非經(jīng)典特性。
　　基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頻率上轉(zhuǎn)換裝置具有很強的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率，然而光纖的插入損耗將明顯地降低入射光的總轉(zhuǎn)換效率。另外，回音壁式微型諧振腔憑借其高效性也成為一種備受關(guān)注的技術(shù)。然而，近些年來，塊狀晶體中頻率上轉(zhuǎn)

3、換的研究最為細致。多樣化的腔與晶體設(shè)計極大地提高了非線性轉(zhuǎn)換效率，這使得在一定條件下，近紅外激光的轉(zhuǎn)換效率可以超出90％。
　　理論與實驗證實上轉(zhuǎn)換激光的功率與基頻光功率有關(guān)。為了獲得高效的頻率上轉(zhuǎn)換，通常使用外部諧振腔來放大基頻光的功率。與內(nèi)腔放大機制相比，外腔由于其方便的激光到外腔的模式匹配因而擁有更高的適用性。目前，雙波長外腔共振方案，即兩種基頻光同時與外腔共振，得到了廣泛關(guān)注。由于外腔的無源放大，雙共振不僅可以降低系統(tǒng)的功

4、耗，而且基于高穩(wěn)定的頻率鎖定可實現(xiàn)頻率漂移量小的上轉(zhuǎn)換激光輸出。
　　本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾方面:
　　1)對雙波長外腔共振高效頻率上轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)進行了研究。通過解調(diào)頻率上轉(zhuǎn)換輸出激光的光強信號獲得信號光與外腔的頻率鎖定誤差信號。實驗中，對比了分別由輸出激光和信號光透射腔模獲得的誤差信號，基于前者實現(xiàn)了穩(wěn)定的微弱信號光到外腔的頻率鎖定，并在此情況下獲得了最高73％的信號光轉(zhuǎn)換效率。之后基于采樣保持電路優(yōu)化后的PDH鎖頻

5、電路實現(xiàn)脈沖抽運光與外腔的頻率鎖定;
　　2)對弱光的高效頻率上轉(zhuǎn)換進行了詳細的研究。在抽運不消耗近似下，以1064nm激光作為抽運光，1583nm激光作為信號光，研究了基于雙波長外腔共振技術(shù)在25mm長周期極化鈮酸鋰晶體中高效頻率上轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的條件，并在實驗上獲得了入射信號光94.6％的轉(zhuǎn)換效率。同時，在高效頻率上轉(zhuǎn)換過程中研究了阻抗匹配度與耦合效率的關(guān)系，使用耦合效率擬合Pmax值，提高了擬合精度。在測量方面，提出了基于反射腔模

6、修正功率計測量轉(zhuǎn)換效率的方法;
　　3)針對高功率激光的高效和頻，計算了基于抽運不消耗近似和橢圓積分方程求解耦合波方程時兩種方法之間的誤差，并且結(jié)合外腔增強基本理論分析了可實現(xiàn)高于90％以上信號激光頻率轉(zhuǎn)換對應(yīng)的入射信號光功率范圍，并在實驗上進行了詳細測量。研究了外腔在信號光波段滿足阻抗匹配時輸出激光的長期穩(wěn)定性和短期頻率噪聲。最后對輸出激光的光束質(zhì)量進行了測量。
　　上述工作的創(chuàng)新之處有以下幾點:
　　1)基于頻率轉(zhuǎn)

7、換過程中信號光的腔透射信號與輸出激光強度譜的光強與失諧頻率的關(guān)系，并根據(jù)基頻激光攜帶信息可以傳遞到輸出光的性質(zhì)，以信號光的調(diào)制頻率解調(diào)輸出光的光強信號，從中提取信號光到外腔鎖定的誤差信號。證實了，相比信號光的腔模信號，由輸出激光光強信號所得的誤差信號有更好的信噪比，且基于此誤差信號實現(xiàn)了雙波長外腔共振的頻率上轉(zhuǎn)換;
　　2)基于抽運不消耗近似條件下三波耦合方程的解和諧振腔理論，得到了實現(xiàn)微弱信號光高效轉(zhuǎn)換的參數(shù)與條件。使用信號光單

8、次通過晶體所測量的一系列數(shù)據(jù)優(yōu)化了信號光入射腔鏡反射率和抽運光功率。實驗中設(shè)計外腔較低的信號光波段精細度，在信號光入射功率小于25mW范圍內(nèi)獲得轉(zhuǎn)換效率達到94.6％;
　　3)基于三波耦合方程的精確解與諧振腔理論，得到了實現(xiàn)高功率信號光高效和頻所需要的實驗條件，并在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)可實現(xiàn)90％以上轉(zhuǎn)換效率的信號光入射功率范圍。根據(jù)理論分析和模擬，確定了最佳的實驗參數(shù)，并在實驗上實現(xiàn)275mW入射信號光93％的轉(zhuǎn)換效率，即產(chǎn)生6