高功率全固態(tài)連續(xù)單頻激光器的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、以激光器為核心的激光技術(shù)，對(duì)先進(jìn)制造業(yè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)和國(guó)防科技的進(jìn)步與發(fā)展起到越來(lái)越重要的作用。特別是單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器以其噪聲小、相干長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在非線性過(guò)程、量子光學(xué)、量子信息、冷原子物理、光學(xué)測(cè)量、光譜、和國(guó)防科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。許多研究人員在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作并取得可喜結(jié)果。目前在相對(duì)成熟的中小功率全固單頻激光器的研究中，一般采用扭轉(zhuǎn)模諧振腔、短諧振腔、諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具或雙折射濾光片等方法使激光器以單縱模方

2、式運(yùn)轉(zhuǎn)。但在高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)，特別是要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單頻運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，最佳方案仍是利用環(huán)形激光諧振腔，通過(guò)在諧振腔內(nèi)插入光學(xué)單向器迫使激光器單向運(yùn)轉(zhuǎn)、消除空間燒孔效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)單頻激光的輸出。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)單頻激光器的性能和指標(biāo)也提出更高要求，優(yōu)質(zhì)的鈦寶石激光器和光學(xué)參量振蕩器(OPO)需要高輸出功率和低噪聲的單頻激光作為泵浦源;而量子信息及冷原子物理的發(fā)展，則需求頻率可調(diào)的各種特定波長(zhǎng)的激光器，以滿足與不同原子的激發(fā)及通信波段

3、的匹配;在高精度光學(xué)測(cè)量、光譜和頻標(biāo)等領(lǐng)域，頻率穩(wěn)定的窄線寬激光器的應(yīng)用起到非常重要的作用。因此，提高輸出功率，發(fā)展選模和調(diào)諧技術(shù)，拓展激光波段范圍，改善激光器整體性能和主要指標(biāo)，就成為發(fā)展現(xiàn)有單頻激光器的主要研究?jī)?nèi)容。
　　我們分別從發(fā)展調(diào)諧技術(shù)及選模技術(shù)和拓展激光波段范圍三個(gè)方面對(duì)環(huán)形腔選模的單頻激光器進(jìn)行了一系列研究工作，取得如下研究成果:
　　1.設(shè)計(jì)了一種全固態(tài)單頻Nd∶YVO4/KTP綠光激光器，考慮到通過(guò)選取合

4、適的基頻光偏振方向，使橢圓高斯光束橫截面橢圓的長(zhǎng)軸位于KTP晶體的走離平面內(nèi)。這種設(shè)計(jì)既提高了激光器的效率，也減小了晶體損傷的危險(xiǎn)。當(dāng)抽運(yùn)功率為20W時(shí)，單頻綠光最大輸出功率達(dá)4.8W，相應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)化效率為25.5％。
　　2.由于KTP晶體的損傷閾值較低，我們選用LBO作為倍頻晶體，設(shè)計(jì)了全固態(tài)單頻Nd∶YVO4/LBO綠光激光器。與KTP晶體相比，LBO晶體的光譜接收帶寬較小，不容易得到穩(wěn)定的單縱模激光輸出。我們從模的起振條

5、件出發(fā)，從理論上分析了激光器多模工作的原因—非線性晶體的光譜接受帶寬與增益介質(zhì)的受激發(fā)射帶寬的比值較小時(shí)，和頻引起的非線性損耗不足以抑制腔內(nèi)的非激活模振蕩，容易引發(fā)激光器多縱模振蕩或者模式跳變。在高功率內(nèi)腔倍頻單頻環(huán)形激光器中插入合適精細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)具，由于腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具能壓窄激光介質(zhì)增益曲線的帶寬，從而提高了非線性光譜接受帶寬和增益曲線帶寬的比值，結(jié)果大大改善了高功率激光器縱模和輸出功率的穩(wěn)定性。連續(xù)觀察6小時(shí)沒(méi)有模式跳變和多?，F(xiàn)象發(fā)生。

6、r>　　3.在高效內(nèi)腔倍頻情況下，對(duì)基模來(lái)說(shuō)，非線性轉(zhuǎn)化過(guò)程是主要的損耗，而且非線性轉(zhuǎn)化對(duì)基模的損耗有偏振選擇性，對(duì)滿足位相匹配的偏振方向來(lái)說(shuō)，損耗最大，隨著基模的偏振方向遠(yuǎn)離位相匹配方向，非線性損耗也逐漸減小。這樣，為了避免非線性損耗，激發(fā)可能發(fā)生在受激發(fā)射截面較小的方向。我們?cè)O(shè)計(jì)了一塊楔子狀Nd∶YVO4晶體作為單頻激光器的增益介質(zhì)，這個(gè)設(shè)計(jì)能有效阻止激光器輸出光的偏振方向偏離Nd∶YVO4晶體的光軸方向，從而獲得偏振度高、偏振方向

7、穩(wěn)定的激光輸出，從而獲得穩(wěn)定的激光輸出。最后，我們獲得6.5W單縱模綠光激光輸出，輸出激光的偏振度大于500∶1，激光器3小時(shí)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.3％。
　　4.由于Nd∶YAP晶體受激發(fā)射輸出的1080nm光可以在KTP晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)Ⅱ類非臨界位相匹配，從而容易獲得雙模壓縮態(tài)光場(chǎng)和糾纏態(tài)光源，引起許多研究工作者極大的興趣。但是，Nd∶YAP晶體嚴(yán)重的熱效應(yīng)使它不容易獲得高功率內(nèi)腔倍頻540nm激光輸出，而在量子糾纏交換、量子網(wǎng)絡(luò)及

8、量子通信等研究中需要抽運(yùn)多個(gè)OPO腔，獲得關(guān)聯(lián)度高的多組份糾纏光束。為了配合基礎(chǔ)研究的需要，我們研制了高功率雙波長(zhǎng)1080nm/540nm激光輸出，通過(guò)擴(kuò)大Nd∶YAP晶體處基模光斑的大小和減小腔內(nèi)基頻光功率密度的方法，獲得540nm的最大輸出功率為3W，和1080nm的最大輸出功率為1.1W。
　　5.設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高調(diào)諧速度、寬調(diào)諧范圍和高輸出功率的可調(diào)諧激光器。它的主要特征是采用兩塊電光調(diào)制晶體作為調(diào)諧元件。其中一塊

9、加工成通光面相互平行的薄片，利用晶體的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)實(shí)現(xiàn)寬范圍、非連續(xù)調(diào)諧。另一塊是通光面相互不平行的電光晶體，晶體電極上電壓的改變引起晶體折射率的變化，從而使光線在諧振腔內(nèi)的光程發(fā)生改變，來(lái)達(dá)到連續(xù)調(diào)諧的目的。獲得最大調(diào)諧范圍為17.2GHz、調(diào)諧速度為10ns、最大輸出功率為500mW的單頻可調(diào)諧激光器。
　　其中，創(chuàng)新性的工作包括:
　　1.在橢圓高斯光束的倍頻過(guò)程中，通過(guò)合理放置非線性晶體，既可以獲得高效倍頻效率，也能減

10、小晶體損傷的危險(xiǎn)。我們首次將這種設(shè)計(jì)應(yīng)用在內(nèi)腔倍頻激光器中，獲得高效內(nèi)腔倍頻激光輸出。
　　2.首次從理論上分析了模式穩(wěn)定的激光器中，非線性晶體的光譜接受帶寬與增益介質(zhì)的受激發(fā)射帶寬的比值與泵浦功率應(yīng)滿足的關(guān)系。并通過(guò)在環(huán)形諧振腔中插入合適精細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)具，大大改善了高功率激光器縱模穩(wěn)定性。
　　3.我們首次利用各向異性晶體的雙折射性質(zhì)，選用楔形晶體作為增益介質(zhì)，獲得偏振方向和輸出功率穩(wěn)定的單頻內(nèi)腔倍頻激光輸出。
　　4