雙波長(zhǎng)外腔共振和頻產(chǎn)生的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光在人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，然而由于增益介質(zhì)的缺乏，某些特殊波段的激光不能采用直接受激輻射的方法獲得，因此需要非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)。非線性頻率轉(zhuǎn)換其本質(zhì)是光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的一種非線性光學(xué)效應(yīng)，該效應(yīng)突破了傳統(tǒng)光學(xué)中光波線性疊加和獨(dú)立性傳播的局限性，揭示了介質(zhì)中光波場(chǎng)之間相位關(guān)聯(lián)、能量的交換的變化過(guò)程。非線性頻率變換主要包括光的倍頻、和頻、差頻及光學(xué)參量振蕩。與倍頻相比，和頻是一種三波相互作用，基頻光有兩種不同的波長(zhǎng)

2、，因此特殊性和復(fù)雜性也有所增加，但它可以在倍頻技術(shù)不能達(dá)到的某個(gè)短波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)相干輻射，因此成為人們研究和探索的熱點(diǎn)。非線性光學(xué)和頻轉(zhuǎn)化效率主要取決于基頻光的功率密度，雙波長(zhǎng)外腔共振技術(shù)就是將兩基頻光同時(shí)耦合到外部諧振腔中共振，從而放大基頻光功率，并對(duì)基頻光的腰斑半徑進(jìn)行控制，提高和頻轉(zhuǎn)化效率。
　　在本文中，我們主要以938nm和1583nm兩基頻光和頻產(chǎn)生589nm鈉黃光為例，對(duì)雙波長(zhǎng)外腔共振和頻過(guò)程中涉及的基本理論進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹

3、，對(duì)晶體的相位匹配角度和有效非線性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)激光到外腔耦合過(guò)程中的模式匹配和阻抗匹配進(jìn)行詳細(xì)分析。然后圍繞系統(tǒng)的頻率級(jí)聯(lián)鎖定、外腔的腔參數(shù)優(yōu)化、和頻光的波長(zhǎng)調(diào)諧與鎖定三方面展開(kāi)詳細(xì)的研究，其具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、從理論和實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)雙波長(zhǎng)外腔系統(tǒng)的頻率級(jí)聯(lián)鎖定進(jìn)行研究，從而使得兩基頻光能在腔內(nèi)同時(shí)共振。首先對(duì)常用的鎖頻技術(shù)進(jìn)行比較，選擇了操作簡(jiǎn)單并適合雙波長(zhǎng)外腔系統(tǒng)進(jìn)行頻率級(jí)聯(lián)鎖定的Hansch-Couillau

4、d(HC)技術(shù)。然后研究單KTP晶體和鍵合KTP晶體對(duì)HC鎖頻技術(shù)的影響。結(jié)果表明對(duì)于單KTP晶體，激光會(huì)在晶體內(nèi)發(fā)生走離，相互走離的兩個(gè)偏振光束不能在環(huán)形腔內(nèi)共振，從而使得HC技術(shù)不能用于Ⅱ類相位匹配的和頻過(guò)程，而利用鍵合KTP晶體或者周期極化晶體就可以克服此缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，我們將外腔腔模頻率鎖定到938nm激光器的輸出頻率上，然后將1589nm激光輸出頻率鎖定到外腔腔模頻率上，從而使三者之間級(jí)聯(lián)鎖定，實(shí)現(xiàn)了兩基頻光在腔內(nèi)的共振。此外為

5、了優(yōu)化鎖頻系統(tǒng)中的反饋電路，基于基本的控制理論研究了伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，并通過(guò)測(cè)量激光-腔系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)出了伺服反饋電路，提高了穩(wěn)頻性能。
　　2、從理論和實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)雙波長(zhǎng)外腔共振和頻系統(tǒng)的外腔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足最佳的Boyd-Kleinman(BK)因子與系統(tǒng)的阻抗匹配。首先建立了雙波長(zhǎng)外腔共振和頻產(chǎn)生的理論模型，分析了BK因子與腔增強(qiáng)因子對(duì)和頻轉(zhuǎn)化效率的影響，然后詳細(xì)研究了影響B(tài)K因子的因素，建立了BK因子與腔長(zhǎng)參數(shù)的

6、依賴關(guān)系，詳細(xì)研究了影響腔增強(qiáng)因子的因素，建立了腔增強(qiáng)因子與入射腔鏡反射率的依賴關(guān)系，從而通過(guò)計(jì)算模擬優(yōu)化了腔長(zhǎng)參數(shù)與入射腔鏡鍍膜參數(shù)，提高和頻轉(zhuǎn)化效率。實(shí)驗(yàn)上，利用938nm激光與1583nm激光在蝶形環(huán)形腔內(nèi)的PPLN晶體中共振和頻獲得了波長(zhǎng)為589nm，功率大于0.2W的鈉黃光，在考慮了兩基頻光到環(huán)形腔的耦合過(guò)程中不完全的模式匹配以及晶體和出射腔鏡對(duì)和頻光的損耗之后，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果符合的很好。
　　3、從理論

7、和實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)雙波長(zhǎng)外腔共振和頻系統(tǒng)產(chǎn)生的和頻光進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧、頻率鎖定和參數(shù)測(cè)量。首先從理論上分析了雙波長(zhǎng)外腔系統(tǒng)在級(jí)聯(lián)鎖定的情況下的頻率掃描。為了將和頻光鎖定到標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率上，詳細(xì)研究了和頻光通過(guò)氣體吸收池之后不同溫度下的直接吸收光譜和飽和熒光譜。實(shí)驗(yàn)上，我們將掃描信號(hào)加載到調(diào)諧范圍較大的938nm基頻激光器上，通過(guò)掃描其頻率來(lái)獲得和頻光的波長(zhǎng)調(diào)諧;利用高精細(xì)度的F-P腔對(duì)和頻光的線寬進(jìn)行測(cè)量;通過(guò)溫控裝置的設(shè)計(jì)，測(cè)量了不同溫度下N

8、a原子的直接吸收光譜和飽和熒光譜;利用波長(zhǎng)調(diào)制的一次諧波技術(shù)將和頻產(chǎn)生的589nm激光鎖定到Na的D2a線上;最后測(cè)量了頻率失鎖到鎖定誤差信號(hào)的變化，反映了鎖頻前后和頻光的頻率穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在雙波長(zhǎng)外腔級(jí)聯(lián)鎖定情況下589nm和頻光的最大掃描范圍為2.2GHz，線寬為7MHz，將589nm和頻光精確鎖定到Na的D2a線上，將頻率穩(wěn)定度由400MHz改善到了4MHz。
　　在上述的研究工作中，屬于創(chuàng)新性的內(nèi)容有以下幾方面:

9、r>　　1、對(duì)雙波長(zhǎng)外腔共振和頻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)地研究，在基頻光受限的情況下分析了影響和頻轉(zhuǎn)化效率的因素，通過(guò)對(duì)腔長(zhǎng)參數(shù)的優(yōu)化獲得了最佳的BK因子，通過(guò)對(duì)入射腔鏡反射率的優(yōu)化使系統(tǒng)達(dá)到完全的阻抗匹配，提高了腔增強(qiáng)因子，從而提高了和頻轉(zhuǎn)化效率。
　　2、分析了單塊晶體中兩相互垂直偏振光的走離效應(yīng)對(duì)HC鎖頻技術(shù)的影響，并設(shè)計(jì)利用鍵合晶體或者周期極化晶體來(lái)克服這種影響，使得相互垂直的兩束偏振光能夠基于HC鎖頻技術(shù)在雙波長(zhǎng)外腔系統(tǒng)中共振，實(shí)

10、現(xiàn)Ⅱ類相位匹配的和頻。
　　3、利用HC鎖頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩基頻光到環(huán)形腔的頻率級(jí)聯(lián)鎖定，即先將環(huán)形腔腔模頻率鎖定到激光器Ⅰ的輸出頻率上，然后將激光器Ⅱ的輸出頻率鎖定到環(huán)形腔腔模頻率上，從而實(shí)現(xiàn)了兩基頻光在腔內(nèi)的共振。
　　4、基于雙波長(zhǎng)外腔頻率級(jí)聯(lián)鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了和頻光的波長(zhǎng)調(diào)諧，只要通過(guò)調(diào)諧主激光的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)和頻光的可調(diào)諧輸出。
　　5、采用1583nm和938nm兩波段在雙波長(zhǎng)外腔共振系統(tǒng)中進(jìn)行高效和頻，產(chǎn)生58