利用周期极化KTP晶体外腔倍频铯原子D2线激光

摘要

原子与光场之间相互作用的研究是量子光学和原子物理中至关重要的问题，也是量子信息科学的重要研究课题。非经典光场作为一种重要的量子资源，在光和原子相互作用的研究中扮演着非常重要的角色。理论上已经有许多关于非经典光的研究，比如:非经典光谱，非经典激发，原子与非经典光的作用。实验上也有很多这部分的工作。实验上制备出原子跃迁线附近的非经典光场是开展这方面研究的重要前提。目前，国内外有一些利用铌酸钾(KNbO3)或者周期极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)产生铷原子线或者铯原子线压缩光的报道。该方案是通过光学参量振荡(OPO)的方法产生正交位相压缩态。这个过程中首先需要制备一束原子线频率的倍频光去泵浦OPO。本实验主要是利用周期极化的KTiOPO4(PPKTP)产生铯原子D2线(852.356nm)的倍频蓝光。该连续蓝光(426.178nm)除了可以运用到下一步的光与原子相互作用的实验中，在光学存储、激光光谱、激光印刷术、材料科学等很多领域也有着非常重要的应用。基于此，对蓝光激光源的研究有着非常重要的意义。
　　本文的主要内容如下:
　　(1)从理论上简要介绍非线性相互作用的基本方程—耦合波方程以及二次谐波的理论。讨论了影响二次谐波效果的一个重要因素—位相匹配。随后介绍了常见的两种位相匹配技术—角度匹配与温度匹配，主要讲述了与本实验相关的一种新型的位相匹配技术—准位相匹配技术，并且比较了这三种位相匹配技术各自的优缺点。
　　(2)倍频腔的腔型结构。首先是当倍频腔采用环型结构时，腔镜的参数以及腔长、腰斑大小等问题。实验中我们的腔长为516mm;两凹面镜间的距离为58mm;两凹面镜间的腰斑取为20μm。为了提高倍频转换效率，实验主要从模式匹配，光学阻抗匹配这两个方面对倍频腔进行了优化，并且测量出了晶体的非线性转换系数ENL为1.4％W-1，内腔额外损耗Lloss为2.65％。经过综合考虑，实验选用焦距为80mm的透镜进行模式匹配，透射率为7.6％@852nm的镜片作为输入耦合镜。根据已有的参数对实验结果进行了理论上的预测。
　　(3)实验装置，实验过程以及实验结果。起初我们的实验采用四镜环型腔作为倍频腔，以非线性晶体PPKTP为倍频晶体，半导体激光器(SDL-TC40)为泵浦源。SDL-TC40出射波长位于铯原子D2跃迁线(852.356nm)，能够提供的最大泵浦功率为140mW。当基频光852.356nm的泵浦功率为136.4mW时，实验上获得了54.4mW的倍频蓝光，倍频转换效率为40％，实验结果与理论计算吻合的很好。实验中仔细调节控温仪，测得非线性晶体(PPKTP)的最佳匹配温度为318.3K。实验获得的单频连续蓝光(426.178nm)除了可以应用到原子物理和量子光学等方面，通过光学参量振荡(OPO)过程也可以获得运转于铯原子D2跃迁线的量子态光场。
　　(4)讨论了采用驻波腔作为倍频腔的可行性。在上述实验过程中发现由于环型腔具有四个镜子，机械稳定性不好，倍频腔腔长的锁定效果不好，所以后来我们采用驻波腔作为倍频腔，用钛宝石激光器作为泵浦源，因为相对半导体激光器来说钛宝石激光器能够提供的泵浦功率大，位相噪声低，模式好。经过这些改进后，希望获得更大功率的稳定的倍频光。本文对改进后能够获得的实验结果进行了理论上的预测。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 非线性光学的发展

1．2 光学二次谐波

1．3 倍频实验的研究背景

1．4 蓝光的应用

1．5 本文的主要工作

1．6 本章小结

第二章 二次谐波过程的理论简介

2．1 耦合波方程

2．2 二次谐波的产生

2．3 相位匹配技术—角度匹配和温度匹配

2．4 准位相匹配技术

2．4．1 准位相匹配技术的背景

2．4．2 准位相匹配技术的原理

2．5 PPKTP性能及应用

2．6 本章小结

第三章 实验装置及实验结果

3．1 倍频腔的结构

3．1．1 几种常见的谐振腔

3．1．2 环型腔的具体结构

3．2 环型谐振腔的优化

3．3 实验装置

3．4 实验过程及实验结果

3．5 实验装置的改进

3．6 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间完成的论文

致谢

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