雙波長外腔共振和頻產(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

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)雙波長外腔共振和頻過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、和頻光的波長調(diào)諧與鎖定三方面展開詳細(xì)的研究，其具體的研究內(nèi)容如下:
　　1、從理論和實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)雙波長外腔系統(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，從而通過計(jì)算模擬優(yōu)化了腔長參數(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)雙波長外腔共振和頻系統(tǒng)產(chǎn)生的和頻光進(jìn)行波長調(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，通過掃描其頻率來獲得和頻光的波長調(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，通過對(duì)腔長參數(shù)的優(yōu)化獲得了最佳的BK因子，通過對(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、基于雙波長外腔頻率級(jí)聯(lián)鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了和頻光的波長調(diào)諧，只要通過調(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兩波段在雙波長外腔共振系統(tǒng)中進(jìn)行高效和頻，產(chǎn)生58