基于周期极化晶体的1560nm激光SHG和THG及OPO研究

摘要

二阶非线性光学效应对人类认识和应用激光起到了重要的作用。作为扩充激光波长范围的实用技术，基于二阶非线性光学效应的倍频、和频以及光学参量振荡在紫外、可见光和中红外等波段均有着出色的表现。当前光纤通信市场发展迅猛，光纤通信波段各类激光器件性能优良且输出功率较高。1560nm激光位于光纤通讯C波段，是光纤传输的低损耗窗口。依托1560nm光纤放大器作为基波光源，我们依次开展了二次谐波产生、三次谐波产生以及参量下转换三方面的相关的实验研究。
　　由于780nm波段对应于铷原子D2跃迁线，在铷原子的冷却和操控以及铷原子触发式单光子源产生方面有着重要应用，中高功率1560nm光纤放大器经非线性倍频直接获得的780nm激光，光束质量好而且转化效率高，是服务上述应用的理想方案之一；进一步经非线性和频所得520nm三次谐波激光，同样具有上述优点，在激光显影、生物医学、以及量子光学等等方面有着重要的应用前景；经光参量振荡过程生成的1560nm和780nm下转换场在光纤传输以及铷原子存储中有着特殊的地位。比如，以铷原子作为量子信息的存储单元，而以1560nm激光作为长距离信息传输过程中量子通道的载体，这种具有量子纠缠特性的双色波长组合在未来长程量子通讯中将展示巨大的潜力。
　　本论文集中于光学二阶非线性效应，结合近年来发展成熟的非线性周期极化晶体，以光纤通信波段1560nm激光做为基波光源，经过合理的理论分析和实验设计，分别以单次穿过晶体和腔谐振倍频方式获得了780nm倍频激光，通过单共振和频方式获得520nm和频激光以及双共振光参量振荡生成1560和780nm双色下转换光场。
　　本论文的研究内容主要包括以下几方面：
　　1）利用光通讯C波段种子光放大系统(1560nm外腔反馈式半导体激光器做种子源，掺铒光纤放大器做激光功率放大)，结合新型准位相匹配掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体（MgO:PPLN）作为非线性媒介。分别经过单次穿过倍频和外腔谐振倍频方式，实现了对应于铷原子D2跃迁线的高光束质量的780nm倍频激光输出，已在实验中用于光通讯波段的激光频率校准；
　　2）分析了块状MgO:PPLN晶体的光学非均匀性。从块状MgO:PPLN晶体的温度调谐曲线入手，对于实验中出现的偏离理想相位匹配的sinc2曲线的现象，采用晶体沿光传播方向折射率分区均匀的思想，获得了和实验结果吻合的理论拟合结果；
　　3）推导了单共振和频光生成理论，采用非线性光学频率链，将1560nm基波光源分别历经倍频、和频过程，在1560nm激光往返两次穿过PPKTP晶体，780nm倍频光与腔单共振的和频方式下，最终获得高光束质量的单频520nm绿光；
　　4）结合新型高效非线性周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体，采用分离式双共振光参量振荡器（DROPO）获得高转换效率且可大范围波长调谐的下转换双色光场（信号光1.5μm，闲置光0.78μm）。通过调谐PPKTP晶体温度，对于信号光的波长粗调范围为～44nm，闲置光为～11nm；采用室温下自然分度比例混合的铷原子气室做频率标定，通过连续调谐1560nm基波种子激光频率，可以实现闲置光（780.2nm）至少1.6GHz的频率调谐范围。该系统有潜力应用于铷原子作为量子存储（对应780nm），光纤作为量子信道（1560nm）的远程量子信息传输装置。
　　上述工作的创新之处有以下几点：
　　1）采用单次穿过晶体倍频和外腔谐振倍频方式获得高光束质量、高输出功率的780nm激光，在1小时监视时间内，功率方均根起伏优于1.3％；
　　2）提出了周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体（MgO:PPLN）沿光传播方向的光学非均匀性的假设，并采用理论拟合实验数据的方法进行验证。
　　3）周期极化PPKTP晶体结合单共振和频的方式，实现了1560nm三次谐波520nm单频激光。
　　4）利用和频所得的520nm单频激光作为泵浦激光，经高效率PPKTP双共振光学参量振荡器（DROPO）实现了1560nm和780nm双色下转换光场。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2非线性光学的研究现状

1.3非线性光学的理论基础

1.4 相位匹配

1.5 论文内容与结构安排

1.6 本章参考文献

第二章 1560nm倍频780nm单频激光的实现

2.1 引言

2.2单次穿过PPLN和PPKTP晶体倍频

2.3单次穿过MgO:PPLN晶体的倍频

2.4外腔谐振倍频

2.5本章小结

2.6本章参考文献

第三章 单共振和频产生1560nm三次谐波520nm单频激光

3.1 引言

3.2 单共振和频理论计算

3.3 520nm单频激光的实现

3.4 本章小结

3.5 本章参考文献

第四章 520nm激光泵浦的1560nm+780nm双共振光参量振荡器

4.1引言

4.2 理论分析

4.3实验装置和实验结果

4.4本章小结

4.5 本章参考文献

第五章 总结与展望

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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