光學(xué)非線性過程中的經(jīng)典及量子特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自從激光問世以來，光學(xué)的研究就邁入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。由于激光的單色性及方向性好、強(qiáng)度高，所以它的出現(xiàn)為現(xiàn)代光學(xué)研究提供了有力的工具，極大地促進(jìn)了非線性光學(xué)，量子光學(xué)的發(fā)展。而非線性光學(xué)是激光頻率變換及非經(jīng)典光場的產(chǎn)生的重要手段，是前沿光學(xué)研究的基礎(chǔ)，所以我們需要對非線性光學(xué)過程中的經(jīng)典及量子特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究。
　　本文中，我們分別研制了1.06μm的激光器和1.5μm的低噪聲激光光源，然后通過倍頻過程分別產(chǎn)生了532n

2、m和775nm的激光，同時(shí)對倍頻過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。在獲得的775nm激光基礎(chǔ)上，我們利用775nm激光作為泵浦光通過光學(xué)參量過程獲得了3.0±0.2dB的1.5μm連續(xù)變量壓縮真空態(tài)光場。由于1.5μm是光纖通信最低損耗窗口，可以最大限度保留光場的量子特性，所以1.5μm的非經(jīng)典光場對實(shí)用化量子通信系統(tǒng)具有重要價(jià)值。本學(xué)位論文圍繞激光光源制備、倍頻過程及光學(xué)參量過程進(jìn)行了一系列理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究，主要包括

3、以下幾方面的研究成果:
　　(1)設(shè)計(jì)研制了一臺激光二極管(LD)偏振光雙端面泵浦的高功率全固態(tài)連續(xù)單頻1.06μm Nd∶YVO4激光器。在設(shè)計(jì)中通過理論計(jì)算合理設(shè)計(jì)了含熱透鏡的激光諧振腔，實(shí)驗(yàn)上選擇熱效應(yīng)更小的雙端面泵浦方式。采用摻雜濃度為0.2％的Nd∶YVO4復(fù)合晶體，在LD泵浦功率為50W時(shí)輸出22W的連續(xù)單頻1.06μm激光，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)化效率達(dá)46.3％;激光器在4小時(shí)內(nèi)長期功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.7％;輸出激光光束質(zhì)量

4、M2＜1.05;激光的強(qiáng)度噪聲和相位噪聲在分析頻率5MHz處達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)。
　　(2)利用連續(xù)單頻1.06μm激光通過周期極化PPKTP晶體外腔倍頻過程產(chǎn)生532nm激光。我們設(shè)計(jì)了外腔倍頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在相位匹配條件下可以獲得75％的倍頻轉(zhuǎn)化效率。在相位失配條件下觀察到了級聯(lián)二階非線性效應(yīng)，獲得了非線性相移，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上觀察到方波型和階梯型自振蕩。我們分析認(rèn)為是由響應(yīng)較慢的熱致折射率改變和響應(yīng)較快的非線性相移相互競爭產(chǎn)生，之后建

5、立了相應(yīng)的模型進(jìn)行了理論計(jì)算，計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分吻合。
　　(3)制備了1.5μm及775nm高功率連續(xù)單頻低噪聲激光光源。實(shí)驗(yàn)中首先利用模清潔器對1.5μm光纖激光器輸出激光的噪聲進(jìn)行過濾獲得低噪聲的1.5μm連續(xù)單頻激光，然后利用獲得的1.5μm連續(xù)單頻激光作為泵浦光源，通過準(zhǔn)相位匹配晶體PPLN外腔諧振倍頻過程獲得775nm的高功率連續(xù)單頻激光光源，當(dāng)泵浦功率為770mW時(shí)，775nm激光輸出為552mW，最大倍頻效

6、率為72％。再通過過濾775nm激光噪聲來獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求的775nm高功率連續(xù)單頻低噪聲激光光源。其中，775nm激光在利用s偏振過濾后強(qiáng)度噪聲在4MHz達(dá)到散粒噪聲極限，而1.5μm激光在經(jīng)過兩級過濾后（p偏振），強(qiáng)度噪聲在5MHz達(dá)到了散粒噪聲極限，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了優(yōu)質(zhì)的光源。此外，對雙端輸出倍頻腔腔型的倍頻效率和輸出功率進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并在理論上分析了雙端輸出腔型下基頻光與倍頻光之間相對相位的變化對于輸出倍頻光功率的影響，

7、通過控制相對相位可以獲得高的倍頻光輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合。
　　(4)通過閾值以下(Ⅰ)類簡并光學(xué)參量過程獲得了1.5μm連續(xù)變量壓縮真空態(tài)光場。實(shí)驗(yàn)上我們利用前面制備的1.5μm和775nm高功率連續(xù)單頻低噪聲激光光源分別作為光學(xué)參量振蕩器的探針光和泵浦光，獲得了壓縮度為3.0±0.2dB的1.5μm壓縮真空態(tài)光場。參量振蕩器采用雙共振的兩鏡駐波腔，非線性晶體采用準(zhǔn)相位匹配PPLN晶體，775nm激光作為泵浦光。<

8、br>　　在以上研究內(nèi)容中，具有創(chuàng)新性的工作有以下幾個(gè)方面:
　　1.實(shí)驗(yàn)研制了一臺880nm直接泵浦的高功率全固態(tài)連續(xù)單頻激光器，輸出22W的連續(xù)單頻1.06μm激光，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)46.3％;激光器在4小時(shí)內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.7％;輸出激光的光束質(zhì)量M2＜1.05。
　　2.利用1.06μm連續(xù)單頻激光通過外腔諧振高效倍頻過程獲得了532nm激光，在相位匹配情況下倍頻效率可達(dá)75％。在相位失配時(shí)發(fā)生了級聯(lián)二階非線性過