全固态连续单频可调谐钛宝石激光器及其内腔倍频实验研究

摘要

全固态连续单频可调谐钛宝石激光器是迄今为止最优质的可调谐固体激光器，几乎可以有效的输出700～1000nm的红光和近红外波段激光。钛宝石激光器不仅具有较宽的调谐范围，同时还具有较高的输出功率和较低的强度噪声特性，已经被广泛地应用于量子光学、激光光谱学、原子物理、生物医学等研究领域。同时利用非线性频率转换，可以使钛宝石激光器产生更多常规激光器难以实现的特定波长输出。特别是随着非线性晶体学的迅猛发展，出现了许多性能优异的非线性晶体如LBO、BIBO、PPKTP等，他们可以作为优秀的倍频晶体通过激光倍频使得钛宝石激光器产生蓝紫光波段激光，大大拓展了钛宝石激光器的应用领域。为此，一方面我们对钛宝石激光器及其连续调谐特性进行了细致的研究；另一方面我们利用激光倍频技术进行内腔倍频钛宝石激光器实验，拓展钛宝石激光器输出波段，获得蓝紫光激光输出。本文的主要工作展示如下：
　　1.通过研究石英旋光特性和磁致旋光特性，设计了一种适用于可调谐钛宝石激光器中在较宽波长范围内都能使激光器单向运转的宽带单向器。通过研究双折射滤波器的调谐特性，采用三片厚度为0.5:2:8mm的双折射滤波器组合使用，作为可调谐钛宝石激光器中的粗略调谐元件。选用厚度为0.5mm的标准具作为可调谐钛宝石激光器的精细调谐元件。在此基础上研究设计了结构紧凑的钛宝石谐振腔，通过在腔内插入宽带光学单向器、双折射滤波器和标准具，利用标准具锁定系统锁定标准具，获得了760～825nm可连续频率调谐的单频钛宝石激光器，同时激光器连续频率扫描范围达到15GHz。当激光器输出波长为794.97nm时，采用连续频率扫描激光输出通过87Rb原子气室，获得了87Rb原子D1吸收光谱线。
　　2.设计了一个六镜环形谐振腔钛宝石激光器，通过在钛宝石激光器腔内插入非线性晶体BIBO使部分基频光产生倍频而引入非线性损耗，在研究非线性损耗对激光器调谐性能的影响的基础上，获得了无调制锁定的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器。激光器不仅能够极好的单频运转，同时具有较低强度噪声和连续频率调谐能力，频率连续调谐范围高达48GHz。
　　3.利用钛宝石激光器阈值公式，研究了内腔倍频钛宝石激光器中增益晶体的最佳长度。在最佳长度增益晶体情况下，利用LBO和BIBO晶体作为倍频晶体，获得了阈值为5.1W、输出功率分别为780mw和1.58W的单频397.5nm激光输出。在本文中，具有创新性的工作有：
　　（1）标准具锁定系统中加入偏置电路，精准控制标准具的位置，实现标准具定点的频率锁定，通过对腔内标准具采用调制锁定的方法实现了连续单频钛宝石激光器的频率连续调谐。
　　（2）在谐振腔内插入非线性晶体进而引入非线性损耗，实现了无调制锁定的可连续频率调谐的低噪声钛宝石激光器。
　　（3）提供了一种确定内腔倍频钛宝石激光器增益晶体最佳长度的方法并以此获得了低阈值、高输出功率的内腔倍频钛宝石激光器。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究的意义

1.3国内外研究进展

1.4本文的主要工作

第二章 全固态单频可连续频率调谐钛宝石激光器

2.1 引言

2.2 增益介质掺钛蓝宝石晶体

2.3 宽带光学单向器

2.4 钛宝石激光器选频

2.5 实验装置

2.6 实验结果

2.7 结论

第三章 二次谐波理论基本原理

3.1 引言

3.2 光波在非线性晶体中的传播

3.3 二次谐波产生与相位匹配

3.4 激光倍频效率

第四章 操控非线性损耗实现单频钛宝石激光器可连续调谐激光输出

4.1 引言

4.2 频率调谐原理

4.3 腔型设计

4.4 实验结果

4.5 结论

第五章 内腔倍频单频钛宝石激光器及增益晶体最佳长度的研究

5.1 引言

5.2 理论分析

5.3 实验装置

5.4 实验结果

5.5 结论

第六章 总结与展望

参考文献

硕士学位期间已发表期刊论文

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