本文選題：高效頻率上轉(zhuǎn)換 + 抽運(yùn)不消耗近似　； 參考：《山西大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著塊狀、波導(dǎo)式非線性晶體和基于非線性晶體制作的回音壁微型諧振腔的快速發(fā)展,激光的頻率上轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為一項(xiàng)熱門的研究課題,并且這種技術(shù)被使用在多種科研、生產(chǎn)及國(guó)防應(yīng)用中,例如,新波長(zhǎng)激光源的研制,非經(jīng)典態(tài)的頻率轉(zhuǎn)換,長(zhǎng)程量子密鑰分發(fā)和高效紅外光子探測(cè)等。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的頻率上轉(zhuǎn)換尤其在激光應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。例如在基于經(jīng)典光場(chǎng)的應(yīng)用中,1.5μm通訊波段的激光到可見(jiàn)光波段的頻率轉(zhuǎn)換會(huì)使光子的探測(cè)效率提高,因?yàn)橐话阌糜诳梢?jiàn)光單光子探測(cè)的硅計(jì)數(shù)器的探測(cè)效率高于用于紅外波段的銦鎵砷計(jì)數(shù)器效率的5倍。對(duì)于光強(qiáng)微弱的非經(jīng)典態(tài)的光場(chǎng),例如Fock態(tài)、壓縮真空態(tài)或疊加態(tài),高效的頻率上轉(zhuǎn)換不僅可以提高這類光場(chǎng)態(tài)非線性過(guò)程的效率,而且可在輸出光中保留這些輸入態(tài)的非經(jīng)典特性。基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頻率上轉(zhuǎn)換裝置具有很強(qiáng)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率,然而光纖的插入損耗將明顯地降低入射光的總轉(zhuǎn)換效率。另外,回音壁式微型諧振腔憑借其高效性也成為一種備受關(guān)注的技術(shù)。然而,近些年來(lái),塊狀晶體中頻率上轉(zhuǎn)換的研究最為細(xì)致。多樣化的腔與晶體設(shè)計(jì)極大地提高了非線性轉(zhuǎn)換效率,這使得在一定條件下,近紅外激光的轉(zhuǎn)換效率可以超出90%。理論與實(shí)驗(yàn)證實(shí)上轉(zhuǎn)換激光的功率與基頻光功率有關(guān)。為了獲得高效的頻率上轉(zhuǎn)換,通常使用外部諧振腔來(lái)放大基頻光的功率。與內(nèi)腔放大機(jī)制相比,外腔由于其方便的激光到外腔的模式匹配因而擁有更高的適用性。目前,雙波長(zhǎng)外腔共振方案,即兩種基頻光同時(shí)與外腔共振,得到了廣泛關(guān)注。由于外腔的無(wú)源放大,雙共振不僅可以降低系統(tǒng)的功耗,而且基于高穩(wěn)定的頻率鎖定可實(shí)現(xiàn)頻率漂移量小的上轉(zhuǎn)換激光輸出。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面:1)對(duì)雙波長(zhǎng)外腔共振高效頻率上轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。通過(guò)解調(diào)頻率上轉(zhuǎn)換輸出激光的光強(qiáng)信號(hào)獲得信號(hào)光與外腔的頻率鎖定誤差信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)比了分別由輸出激光和信號(hào)光透射腔模獲得的誤差信號(hào),基于前者實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的微弱信號(hào)光到外腔的頻率鎖定,并在此情況下獲得了最高73%的信號(hào)光轉(zhuǎn)換效率。之后基于采樣保持電路優(yōu)化后的PDH鎖頻電路實(shí)現(xiàn)脈沖抽運(yùn)光與外腔的頻率鎖定;2)對(duì)弱光的高效頻率上轉(zhuǎn)換進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在抽運(yùn)不消耗近似下,以1064nm激光作為抽運(yùn)光,1583nm激光作為信號(hào)光,研究了基于雙波長(zhǎng)外腔共振技術(shù)在25mm長(zhǎng)周期極化鈮酸鋰晶體中高效頻率上轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的條件,并在實(shí)驗(yàn)上獲得了入射信號(hào)光94.6%的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí),在高效頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程中研究了阻抗匹配度與耦合效率的關(guān)系,使用耦合效率擬合Pmax值,提高了擬合精度。在測(cè)量方面,提出了基于反射腔模修正功率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)換效率的方法;3)針對(duì)高功率激光的高效和頻,計(jì)算了基于抽運(yùn)不消耗近似和橢圓積分方程求解耦合波方程時(shí)兩種方法之間的誤差,并且結(jié)合外腔增強(qiáng)基本理論分析了可實(shí)現(xiàn)高于90%以上信號(hào)激光頻率轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的入射信號(hào)光功率范圍,并在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。研究了外腔在信號(hào)光波段滿足阻抗匹配時(shí)輸出激光的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和短期頻率噪聲。最后對(duì)輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量。上述工作的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn):1)基于頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中信號(hào)光的腔透射信號(hào)與輸出激光強(qiáng)度譜的光強(qiáng)與失諧頻率的關(guān)系,并根據(jù)基頻激光攜帶信息可以傳遞到輸出光的性質(zhì),以信號(hào)光的調(diào)制頻率解調(diào)輸出光的光強(qiáng)信號(hào),從中提取信號(hào)光到外腔鎖定的誤差信號(hào)。證實(shí)了,相比信號(hào)光的腔模信號(hào),由輸出激光光強(qiáng)信號(hào)所得的誤差信號(hào)有更好的信噪比,且基于此誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)外腔共振的頻率上轉(zhuǎn)換;2)基于抽運(yùn)不消耗近似條件下三波耦合方程的解和諧振腔理論,得到了實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)光高效轉(zhuǎn)換的參數(shù)與條件。使用信號(hào)光單次通過(guò)晶體所測(cè)量的一系列數(shù)據(jù)優(yōu)化了信號(hào)光入射腔鏡反射率和抽運(yùn)光功率。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)外腔較低的信號(hào)光波段精細(xì)度,在信號(hào)光入射功率小于25mW范圍內(nèi)獲得轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94.6%;3)基于三波耦合方程的精確解與諧振腔理論,得到了實(shí)現(xiàn)高功率信號(hào)光高效和頻所需要的實(shí)驗(yàn)條件,并在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)90%以上轉(zhuǎn)換效率的信號(hào)光入射功率范圍。根據(jù)理論分析和模擬,確定了最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù),并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)275mW入射信號(hào)光93%的轉(zhuǎn)換效率,即產(chǎn)生637mW的636nm激光。當(dāng)外腔在信號(hào)光波段滿足阻抗匹配時(shí),輸出激光的長(zhǎng)期穩(wěn)定性為1.8%,M2因子在X和Y方向上均在1.09附近。
[Abstract]:In recent years , the conversion efficiency of laser to visible wavelength band can be improved because of its convenient laser to external cavity . Based on the theoretical analysis and simulation , the optimum experimental parameters are obtained .
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN24;O734

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本文編號(hào)：2094053