1.34μm波段和1.5μm波段對應(yīng)光纖的低色散和低損耗傳輸窗口,是目前光通信領(lǐng)域最常用的波段。波長位于光通信波段的連續(xù)變量非經(jīng)典光場,是開展量子光學(xué)研究、實(shí)現(xiàn)實(shí)用化連續(xù)變量量子通信的基本資源。為了獲得高質(zhì)量的1.34μm糾纏態(tài)光場,需要首先研制出高功率、低噪聲的連續(xù)單頻1.34μm/671 nm激光光源。由于存在顯著的能量傳輸上轉(zhuǎn)換(ETU)、激發(fā)態(tài)吸收(ESA)等能量過程,該光源的輸出特性迥異于常見的1.06μm激光器,尚未有輸出功率超過10 W的報(bào)道。在量子信息領(lǐng)域,通過泵浦多個(gè)光學(xué)參量振蕩腔制備的多組份糾纏態(tài)光場是構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)的基本資源。其中擴(kuò)展糾纏態(tài)的尺度時(shí),對激光器的輸出功率將是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)闡述了光通信波段高功率、低噪聲連續(xù)單頻1.34μm激光光源的理論建模和實(shí)驗(yàn)研制。在此基礎(chǔ)上,分別采用非簡并光學(xué)參量放大器方案和簡并光學(xué)參量放大器方案開展了1.34μm光通信波段的連續(xù)變量EPR量子糾纏態(tài)光場,以及1.5μm光通信波段的明亮振幅壓縮態(tài)光場的研究制備工作。主要研究內(nèi)容如下:1、實(shí)驗(yàn)研制了一臺輸出功率為16 W的連續(xù)單橫模1.34μm激光器。理論上,首先建立了同時(shí)考慮ETU和ESA效應(yīng)的四能級全固態(tài)連續(xù)單橫模1.34μm激光器理論模型,并模擬了激光器的熱效應(yīng)和輸出特性。在理論模擬時(shí),利用迭代計(jì)算的方法解決了理論模型中晶體內(nèi)溫度分布與晶體熱負(fù)載、ETU和ESA效應(yīng)、輸出功率以及依賴于溫度的相關(guān)參數(shù)之間的相互耦合問題。實(shí)驗(yàn)上,通過采用880 nm的激光二極管(LD)雙端偏振泵浦復(fù)合Nd:YVO_4晶體、降低晶體邊界溫度和優(yōu)化輸出耦合透射率的方法提高了激光器的輸出功率,成功研制了一臺輸出功率為16 W的連續(xù)單橫模1.34μm激光器,4小時(shí)內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.9%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測的結(jié)果能很好的吻合。2、實(shí)驗(yàn)研制了一臺最高功率為11.3 W的全固態(tài)連續(xù)單頻1.34μm Nd:YVO_4激光器。首先通過詳細(xì)分析主振蕩模與其它模式的小信號增益與非線性損耗,建立了固體激光器實(shí)現(xiàn)連續(xù)單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。在此基礎(chǔ)上,對激光器的輸出耦合透射率、非線性晶體的控溫溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,研制了一臺1.34μm激光輸出功率為11.3 W、671 nm激光輸出功率為0.3 W的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)連續(xù)單頻激光器。該激光器可長期穩(wěn)定無跳模運(yùn)轉(zhuǎn),3小時(shí)內(nèi)1.34μm激光的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5%、頻率穩(wěn)定性優(yōu)于±88 MHz,其強(qiáng)度噪聲在分析頻率為2.5 MHz處即可達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)(SNL)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果基本吻合。3、實(shí)驗(yàn)研制了一臺全固態(tài)連續(xù)單頻671 nm/1.34μm雙波長激光器。理論上,通過諧振腔設(shè)計(jì)消除了激光諧振腔自身的像散效應(yīng),并提高了振蕩激光和泵浦光的模式匹配。實(shí)驗(yàn)上,采用880 nm的LD直接雙端偏振泵浦復(fù)合Nd:YVO_4晶體,并利用I類臨界相位匹配的LBO晶體內(nèi)腔倍頻,實(shí)驗(yàn)獲得了3.17 W的連續(xù)單頻671 nm激光和2.15 W的連續(xù)單頻1.34μm激光。671 nm和1.34μm激光的強(qiáng)度和位相噪聲均在分析頻率為3 MHz處達(dá)到了散粒噪聲極限(SNL)。4、利用自制的低噪聲連續(xù)單頻671 nm/1.34μm雙波長激光器實(shí)驗(yàn)制備了3 dB的光纖通信波段1.34μm連續(xù)變量EPR量子糾纏態(tài)光場。理論上,從郎之萬方程出發(fā),分析了非簡并光學(xué)參量放大器(NOPA)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏態(tài)光場的原理,并討論了糾纏態(tài)光場的探測方法。實(shí)驗(yàn)上,利用該低噪聲連續(xù)單頻激光泵浦由II類準(zhǔn)相位匹配的PPKTP晶體構(gòu)成的雙共振NOPA,實(shí)驗(yàn)制備了糾纏度為3dB的光通信波段1.34μm連續(xù)變量量子糾纏態(tài)光場。5、利用商用的單頻1.5μm光纖激光器作為激光光源,實(shí)驗(yàn)制備了壓縮度為3 dB的1.5μm明亮正交振幅壓縮態(tài)光場。理論上,從系統(tǒng)的哈密頓量出發(fā),分析了有信號場注入的簡并光學(xué)參量放大器(DOPA)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生明亮振幅壓縮態(tài)光場的原理。實(shí)驗(yàn)上,首先利用模式清潔器降低了1.5μm激光和采用外腔高效倍頻產(chǎn)生的單頻780 nm激光的額外噪聲。然后利用780 nm激光泵浦由I類準(zhǔn)相位匹配的PPKTP晶體構(gòu)成的DOPA,實(shí)驗(yàn)制備了壓縮度為3 dB的1.5μm明亮正交振幅壓縮態(tài)光場。本論文的創(chuàng)新性工作如下:1、首次建立了一個(gè)同時(shí)考慮ETU和ESA效應(yīng)的四能級全固態(tài)1.34μm Nd:YVO_4激光器理論模型,并利用迭代的方法解決了理論模型中晶體內(nèi)溫度場分布與晶體熱負(fù)載、ETU和ESA效應(yīng)、輸出功率以及依賴于溫度的相關(guān)參數(shù)之間的相互耦合問題。實(shí)驗(yàn)上通過采用880 nm的LD雙端偏振泵浦復(fù)合Nd:YVO_4晶體、降低晶體邊界溫度和優(yōu)化輸出耦合透射率的方法提高了激光器的輸出功率,研制了一臺輸出功率為16 W的連續(xù)單橫模1.34μm激光器,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期能很好的吻合。2、研究了1.34μm Nd:YVO_4環(huán)形激光器中引入非線性損耗后,激光器實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。并利用880 nm LD雙端偏振泵浦復(fù)合Nd:YVO_4晶體減輕激光晶體熱效應(yīng),研制了一臺1.34μm激光輸出功率為11.3 W、671 nm激光輸出功率為0.3 W的長期穩(wěn)定無跳模運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)連續(xù)單頻激光器。3、利用自制的低噪聲連續(xù)單頻671 nm/1.34μm雙波長激光器泵浦非簡并光學(xué)參量放大器,實(shí)驗(yàn)制備了3 dB的光纖通信波段1.34μm連續(xù)變量EPR量子糾纏態(tài)光場。4、利用商用的單頻1.5μm光纖激光器作為激光光源,首次實(shí)驗(yàn)制備了壓縮度為3 dB的1.5μm明亮正交振幅壓縮態(tài)光場。
【學(xué)位單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.1;TN248
【部分圖文】：

1.2.1 1.34 μm激光器的應(yīng)用(1) 1.34 μm 波段的激光具有良好的水分子吸收特性。圖 1.1 所示為人體皮膚主要成分：水、血液、表皮細(xì)胞對不同波長激光的吸收特性[17]。從圖中可以看出，水對 1.34 μm 波段激光的吸收系數(shù)是對 1.06 μm 波段激光的幾十倍。1.34 μm 激光在皮膚中的穿透深度要淺于 1.06 μm 激光，但比 2.1 μm 波段激光的穿透深度要深[18]。在激光嫩膚治療時(shí)，1.34 μm 波段激光入射的 90%的激光能量能在皮下 0.86 mm 范圍內(nèi)被吸收掉，該范圍正好與人體皮膚的厚度相當(dāng)。而 1.06 μm 激光更深的穿透深度有可能會損傷皮下組織里的脂肪、肌肉和軟骨。此外 1.34 μm 激光在臨床醫(yī)學(xué)中具

圖 1.2 光纖中的傳輸損耗隨激光波長的變化關(guān)系1.34 μm激光的研究現(xiàn)狀1.34 μm 激光器的研究報(bào)道較晚，1994 年，G. C. Bowkett Nd: YVO4微片晶體實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激光輸出，當(dāng)泵浦功率為W 的 1.34 μm 激光輸出[25]。1999 年，Y. F. Chen 等人研究 激光輸出功率的影響，并利用摻雜濃度為 0.5 at.%的 Nd輸出功率為 5.1 W 的 1.34 μm 激光[26]。2003 年，A. Dilie: YVO4晶體的諧振腔，利用兩臺 808 nm LD 分別泵浦這 W 的 1.34 μm 激光輸出，光束質(zhì)量約為 2 倍衍射極限[27]4 μm 激光器，首先需要實(shí)現(xiàn)激光器高功率單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。808 nm 的 LD 雙端端面泵浦 Nd: YVO4晶體，獲得了 11 W，光束質(zhì)量 M2=1.39[28]。2008 年，C. Lu 等人采用四臺光端面泵浦兩塊 Nd: YVO4晶體，獲得了 16.4 W 的基橫模

收(Excited StateAbsorption, ESA)：激發(fā)態(tài)吸收是指泵浦光或諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的激光能量后，躍遷至更高壽命比激光上能級短 1~5 個(gè)量級[100]，這些粒子將以上能級，并導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生與擴(kuò)散[100]，示意圖如
【參考文獻(xiàn)】

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1 鄔志強(qiáng);周海軍;王雅君;鄭耀輝;;利用自制的單頻激光器獲得近通訊波段正交振幅壓縮態(tài)光場[J];量子光學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

2 王志勇;李曉青;焦月春;劉建麗;張寬收;;激光二極管端面縱向泵浦Nd:YVO_4激光器的熱效應(yīng)研究[J];量子光學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

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本文編號：2847185