可用于量子光学的高质量单频连续波激光器的研究

摘要

激光二极管泵浦的全固态单频连续波激光器因其具备低噪声、窄线宽、高光束质量等特性，现已被广泛应用于非线性光学频率变换、量子光学与量子信息、冷原子物理、高分辨率光谱等基础科学研究以及激光医疗、工业制造等领域。特别是随着量子光学相关技术的快速发展及研究工作的不断深入，相关领域对激光光源的波长、输出功率、激光噪声以及激光调谐范围等方面提出了进一步要求。其中备受关注的1.34μm波段处于光纤低损耗和低色散传输窗口，可在降低光场位相噪声的同时有效提高信道容量，该波段激光器在远距离光纤通信、量子光学与量子信息等领域有着广阔的应用前景。其倍频光的波长0.67μm对应于锂原子的吸收线，该波段激光可用于以锂原子为载体的量子信息存储和交换、精密光谱、锂原子俘获、锂原子同位素分离等领域；1080nm激光作用于α切割的Ⅱ类非临界相位匹配KTP（KTiOPO4）晶体，可基于光学参量振荡或光学参量放大过程直接产生偏振方向互相垂直的双模压缩态光场以及纠缠态光场，被广泛应用于量子计算和量子信息领域；1.5μm波段对应于光纤的低损耗传输窗口，相比1.3μm波段（0.35dB/km），该波段激光在单模光纤传输中具有更小的传输损耗（0.2dB/km），被广泛应用于超长距离量子密钥分发。为此，针对量子光学对高质量单频连续波激光器的特殊需求，我们依次开展了波长为1342nm、671nm、1080nm以及1550nm的高性能单频连续波激光光源及其调谐光源的研制工作，以满足相关研究领域对激光光源的需求。具体研究内容包括：　　1．发展了一种利用类双稳输出特性测量增益晶体热透镜效应及热负荷的简便方法，利用该方法对Nd:YVO4晶体工作在1.34μm波段的热特性进行了精确测量。受量子亏损、激发态吸收和能量传输上转换热效应的影响，激光器出射1.34μm激光时Nd:YVO4晶体热效应剧增，激光器出光前后热效应发生突变现象，诱发产生类双稳输出特性。因此，通过精确测量激光器在增大和减小泵浦功率时的输入输出特性，结合Nd:YVO4晶体热透镜效应对激光器谐振腔的影响，精确测量了增益晶体的等效热透镜和热负荷。在此基础上，通过优化谐振腔结构，研制了目前国际上最高指标的全固态内腔倍频单频连续波1342/671nm双波长激光器。单频1342nm和671nm激光的输出功率分别达到1.09W和3.35W。　　2．针对锂原子同位素D1、D2跃迁吸收谱线的需求，在制备全固态内腔倍频单频连续波1342/671nm双波长激光器的基础上，通过在谐振腔内插入可以精确锁定的电光铌酸锂标准具，研制了具有超宽范围无跳模连续调谐的671nm激光器。当铌酸锂标准具插入激光谐振腔后，通过在铌酸锂标准具光轴方向施加具有一定幅值和频率的正弦波调制信号，实现对谐振腔内振荡光场的调控。利用光电探测器精准探测调制光场信号后，经伺服控制系统处理后反馈控制铌酸锂标准具的倾角，从而将铌酸锂标准具精确锁定到振荡激光模式上。在此基础上，连续扫描谐振腔腔长，实现了激光器无跳模连续调谐，连续调谐范围高达81.94GHz（@671nm），是目前实现的无跳模连续调谐范围最宽的内腔倍频671nm激光器。　　3.发展了一种选用受激发射截面相对较小的增益晶体实现低强度噪声激光器的方法，利用具有较小受激发射截面的Nd:CYA晶体，在国际上首次研制了波长位于1080nm的低强度噪声全固态单频连续波Nd:CYA激光器。通过研究增益晶体受激发射截面和激光器强度噪声之间的关系，发现小的受激发射截面可以有效降低激光器的强度噪声。实验上，通过比较Nd:CYA和Nd:YAP分别作为激光增益介质所发射1080nm激光的归一化强度噪声谱线，可以发现，相比Nd:YAP激光器，利用具有更小受激发射截面的Nd:CYA晶体作为增益介质所研制的激光器，其强度噪声到达散粒噪声极限的截止频率更低，实验结果很好地验证了理论分析。　　4．利用Nd:CYA无序晶体本身具有的发射谱较宽的特性，研制了宽范围连续无跳模调谐的单频连续波Nd:CYA激光器。在研制瓦级低噪声单频连续波Nd:CYA激光器的基础上，通过在谐振腔内插入精细选模元件熔融石英标准具，联合腔内锁定标准具和非线性损耗的共同作用，实现了最大调谐范围及无跳模连续调谐范围分别为183.71GHz和60.72GHz的全固态单频连续波Nd:CYA激光器。　　5．研究了单共振光学参量振荡器产生激光的输出特性及调谐特性，实现了低噪声宽调谐单频连续波1.5μm激光输出。首先选用低噪声全固态单频连续波1064nm激光器作为泵浦源，并理论设计了基于MgO:PPLN晶体的信号光单共振环形光学参量振荡腔。通过改变参量振荡晶体的控温温度及极化周期，获得了调谐范围分别为1497.7224nm-1676.1884nm和3674.1857nm-2913.2608nm的信号光和闲置光。当信号光波长为1550nm，泵浦功率增加至18.5W时，信号光和闲置光的最高输出功率分别为3.65W和2W，总的光光转换效率可达30.54%，且输出信号光的强度噪声可在分析频率2.4MHz达到散粒噪声极限。

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