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,是開展量子光學研究、實現(xiàn)實用化連續(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的報道。在量子信息領(lǐng)域,通過泵浦多個光學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。其中擴展糾纏態(tài)的尺度時,對激光器的輸出功率將是一個較大的挑戰(zhàn)。本文詳細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驗研制。在此基礎(chǔ)上,分別采用非簡并光學參量放大器方案和簡并光學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、實驗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,利用迭代計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。實驗上,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小時內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.9%。實驗結(jié)果與理論預(yù)測的結(jié)果能很好的吻合。2、實驗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現(xiàn)連續(xù)單頻運轉(zhuǎn)的物理條件。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行了實驗優(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)定無跳模運轉(zhuǎn),3小時內(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,其強度噪聲在分析頻率為2.5 MHz處即可達到散粒噪聲基準(SNL)。實驗結(jié)果與理論模擬結(jié)果基本吻合。3、實驗研制了一臺全固態(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。實驗上,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,實驗獲得了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激光的強度和位相噪聲均在分析頻率為3 MHz處達到了散粒噪聲極限(SNL)。4、利用自制的低噪聲連續(xù)單頻671 nm/1.34μm雙波長激光器實驗制備了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。實驗上,利用該低噪聲連續(xù)單頻激光泵浦由II類準相位匹配的PPKTP晶體構(gòu)成的雙共振NOPA,實驗制備了糾纏度為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,實驗制備了壓縮度為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。實驗上,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類準相位匹配的PPKTP晶體構(gòu)成的DOPA,實驗制備了壓縮度為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、首次建立了一個同時考慮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。實驗上通過采用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,實驗結(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,激光器實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)的物理條件。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參量放大器,實驗制備了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,首次實驗制備了壓縮度為3 dB的1.5μm明亮正交振幅壓縮態(tài)光場。
【學位單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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，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。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 激光器的研究報道較晚，1994 年，G. C. Bowkett Nd: YVO4微片晶體實現(xiàn)了連續(xù)激光輸出，當泵浦功率為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，首先需要實現(xiàn)激光器高功率單橫模運轉(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 個量級[100]，這些粒子將以上能級，并導致熱量的產(chǎn)生與擴散[100]，示意圖如
【參考文獻】

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1 鄔志強;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];量子光學學報;2013年01期

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本文編號：2847185