（光学专业论文）连续可调谐准位相匹配光学参量振荡器的实验研究.pdf

摘要 攘要 琏续波光学参登搬荡器( c wo p o s ) 可以甩来拓宽激光的波长范禺，有较宽的调谐区 域，憝一秘理想懿产囊稠于辐射斡装嚣。盎予它款窄线赛移宽调谐的羧趱蒋洼，龟镀爱 予光谱学、相干光通讯、量子光学等顿城。同对，连续光学参量振荡嚣也是一种产生饕 经翅光场的理想装置：低于阐值运转可以产生正交位相压缩真空态，高于闽值运转可以 产生强度关联的孪生光子对以及反射凝濂光的正交分爨压缩。 嚣蕊双折麓位榴匹配技末静o p o 商许多缺点，眈如免柬走离散寝、菲线性转换散 攀较 氐、位相匹配温度及匹配角的限制，阻碍了o p o 的发展。近年来随着高质量的激 光光源的获褥及准位相匹配晶体的实用化，连续光学参壁振荡器重新引起了人们的极大 美没。 为此，在本文中，我们对准使相瓯配的光学参量掇荡器进行了系列的研究。本文 分为以下几个部分： 第一章：簿要分绍了。l 姆静静黉以及它基袁懿笈震姨器l 爱蓠豢。 第二章：扶理论上介绍了准位棚甄配三共振兜学参嚣振荡器的经典特性：包括它的 运动方程、阈值、输出功率和调谐特性。然后在实验上利用晶体不同的极化周期，在晶 髂 簌度改变8 的博搅下，摄到了波妖调谐范围在1 9 8 8 n m - 2 2 9 3 r a n 醣下转换光输出。 第三章：讨论了三三共振竞学参豢振荡嚣酶垂子礤膨特性，并实现了嚣下转换惫之闽 的强度差压缩，压缩废达0 4 d b 笳四章：从理论上分析了双共撮光学参量振荡器输出光的调谐特性与晶体温度、 o p o 麓长、l 冀及象瀵频率之藏麴关系。鏊爰薤实验主$ 震主述三 溺滔方式j l 砉瑟莛缀 p p l no p o 的下转换光进行了频率调谐。当晶体温度变化5 3 0 c 时，得到2 0 3 8 n m - 2 2 2 7 n m 可调谐下转换光输出；当o p o 的脏挺相对于简并点腔长变化5 1 4 n m 时，得到 2 0 4 4 n m - 2 2 1 9 n m 霹调诺下转换光羧出：当泵滤竞频率遂续的改变了? 5 0 m h z 懿，下转换 光的频率相应连续调谐3 7 5 m h z 。壤论拟台与实验绐聚基本一致。 嚣五章：对上述工作进行总结，并展望下一步工作。 一 +垒! 塑! a b s t r a c t c o n t i n u o u s - w a v eo n c a lp a r a m e t r i co s d l l a t o r s ( c wo p o s ) a ma na t e a c t i v es o u r c eo f c o h e r e n tr a d i a 6 0 n 醯a p # c a t i o n sf o rw l - d c h a s e rs o u r c e s8 潜u n a v a i l a b l eo rf o r * 盘hw i d e t u m b l i t yi sn e e d e d c wo p o sh a v er e m a r k a b l ef e a t u r e so f o p e r a l i n gw i t h 订i 啪wl m e w i d 斑a n d b r o a dt u n a b l i t y s ot h e yc a nb eu s e df o rs p e c t r o s c o p y , c o h e r e n tc o m m u n i c a t i o na n d q u a n n t m o p t i c a ls t u d i e s t h e ya l s oc a n p r o d u c e v a r i o u s k i n d s o f n o n c l a s s i c a ls t a t e s o f l i g h t ：g e n e r a t i o no f s q u e e z e dv 韪l i u w lb e l o wt h m s h d d , o f s t r o n g l y 溉i b , - c o r r e l a t e d t w l lb e a ma b o v et h r e s h n d a n d q t m d r a t u r es q u e e 曲a g o f 血e p u m p w a v ea b o v et h r e s h o l d m a n yo p oi m p l e m e n t a t i o n sa i el i m i t e db yp r o b l e m sw i t hc o n v e n t i o n a lb i r e f r i n g e n t 曲a s e - m a t c h e dt e c h n i q u e s i na v a i l a b l em a t e r 斌s u c h 矗sp o y n t i n g - v e c t o rw a l k - - o 蜃l o w e f f e c t i v en o n l i n e a rc o e f f i c i e n t , a n di n c o n v e n i e n tp h a s e - m 越c h i n gm m l m u r ea n da n g l e s + i n r e c e ny e a r s ，i n t e r e s ti no p o sh a sb e e nr e n e w e db ya d v a n c e si ns t a b l ep u m pl a s e r sa n d 拥p r o v e m e n t si n n o n l i n e a r o p t i c a l m a t e r i a l t b & t b e s 遮i s d e v o + 蹬d t o 镕t o u z s t u d i e s i n v o l - , 颤g q u a s i - p h a s e m a t c h e d o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r i ti sf o r m e d b yf o u r p a r t s ： 1 ) i n t h i sp a r tw e b d e f l yi n t r o d u c e t h et y p eo f o p o sa n dt h ed e v e l o p m e n t so f o p o s 2 t h e c l a s s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f q u a s i - p h a s e - m a t c h e d t p t yr e m n a n t o p t i c a l p a r a m e d c o s c i l l a t o rf m o p o ) a r e t h e o r e t i c a l l y 蠲碡勰矗w ec o n f i r mi t s 眺g c h m a c t e f i s f i c s b yc h a n g i n gc r y s t a l st e m p e r a t u r ei no u rc x p e t i l n e n t h ew a v e l e n g t ho ft h eo p o o u t p u tc a l lb eu m e d f r o m1 9 8 8 n mt o2 2 9 3 n mw i t ht h ec r y s m st e m p e r a t u r er a n g eo f 8 d e g r e e + 3 ) t h e q u a n t u m n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o u t p u t o f t r o p oa r e t h e o r e t i c a l l y a n a l y 删 a n d 妇i n t e n s i t y - d i f f e r e n c es q u e e z i n g o ft w od o w n - c o n v e r s i o nb e a m sw a s e x p e r i m e n t a lo b t a i n e d t h ei n t e n s i t y - d i f f e r e n c en o i s er e d u c t i o n w a s0 a d b 舢t h em r n n g 幽觎a 斑6 9 匦o f d o u b l y - r e s o n a n to p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r ( d r o p o ) o u t p t i tb yc h a n g i n gc r y s _ 瞄l st e m p e r a t u r e , o p o sc a v i t yl 饥g ma n dp u m pf r e q u e n c y r e s p e c t i v e l ya r e t h e o r e t i c a l l ya r m t 删a n de x p e r i m e n t a lo b t a i n e d t h ew a v e l e n g t ho f t h eo p o o u 拳u tc a r tb ea m e d f r o m2 0 3 8 n mt o2 2 2 7 m nb yt h ec r y s t a l st e m p e r a t u r e i i a b s t r a n c h a l l g e d o f5 3 0 c ，们m 2 0 “n m t 0 2 2 1 9 n mb y t h e c a v i t y i e n g 血c h a n g e d o f 5 1 4 m u a n d 3 7 5 m h z b y t h e p u m p f r e q u e n c y c o n t i n u o u s l y t u n e d 7 5 0 m h z 5 ) c o n c l u s i o n a n d p r o s p e c t 1 1 1 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解山骶大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文| ! l 每复印锌，允连论文被壹淹秘整阕；学校霹l 美公毒论文游全部或部分蠹 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 西期：迎j ：日期：趔圣! i ：多 髂一章引言 第一章零l 言 激光问世不久，就开始了对光学参量振荡器( o p o ) 的研究工作。早在6 0 7 0 年代， o p o 就被认为是一种根有潜力的能产生宽带可调谐相干光源的理想装置【l l 。但是，由于 旱鬻o p o 簸崮的下转换先麴蛙矮不稳定，因梵，一蠹落磊予筵绕弱塞帮碍溪港兜源， 如染料激光器等。壹到九十年代，随蒋科学技术的不断发展，高质量的替线性晶偌邓j ， 高功率、单频运转的聚浦源h 和逐渐究祷的锁腔技术5 问的出现、以及腔镜镀膜技术的提 离使o p o 又成为人们荚注姆焦点。 因为常 l 双辑瓣位籀逛配技术的o p o 有诲多映赢，眈据竞柬走离效应、j 照i 瞧转 换效率较低、位相匹配温度及匹配角的限制，阻碍了o p o 的发展。翻此高质量准相位 匹配鼎体的发明使o p o 的进一步实用化成为可能。早在1 9 6 2 年a n n s t r o n gl n f r a n k e n 等 入p l 蠖握爨了剥嗣壤稳经匹配技零获褥瞧燃效 溅犍耱誊毒。它戆蘩本葱惠是对誓遴 晶体进行周期性反转极化，从而消除光柬的走离效虚并拓宽非线性律翊盼波长范围。七 十年代前期，人们通过旋转孪晶( t w i n e r y s t a l s ) 来实现q p m i ”七十年代后期，又有人 剥嗣# 线性系数交变盼鼹体薄片堆( 如：e d 廷、g a a s 、n 、石英) 张进行睦镅位匹配 静二次谐波实秽。戴，卡年代祷，裁蓠南京大学辜凳在晶落生长时滤j 霪控髑强 乞方淘 成功她生跃出了周期极化畴反转的晶体，并用它进行了察验。虽然早程1 9 7 5 年，l e v i n e 等人就用周期电场来调制非线性极化率，但一直到了九十年代，这种技术才得到了进 一主参熬发震著逐步裁熬。窝建准提袋嚣聚技术霹镬爨采鄢些不瑟实袋耱斑匪配豹 # 棼l 瞧 系数犬的晶体进行频率变换。如l l n b o ，在完全相位趿配时只能利用d 3 l 系数，而采用 q p m 时，就可以利用如( 是d 3 i 的7 倚) 。因而能大夫提高转化效率。衙且在双折射p m 技术中，一般只能强一定的波长范隧内才能实现折射率捆等，从丽限制了s 够频率变换 豹波长范匿，毳蔼艘m 菝零后谈麓藤器跫露焉瓣了。在频率交袋按零中，转抉效率委 比于非线性相互作用长度( 非线性晶体的长度) ，在毅折射p m 技术中，相互作用的长度 受相干长度和走离效皮的限制；而在q p m 技术中，有希望使用更长的晶体，从而大大 撵囊转换效率。 涟续波的o p o 靛够产生高的相干辐航在很宽的潴范围肉能够调谐，而且在泵浦阕德 达到i l l w 量级时就能眵有效、可靠的运转。从它们得0 的频率输出几乎完全重现了泵浦 源的统t 媾寺性。9 0 年代，连续波的o p o 褥到了锒嵌的发屣，如：1 9 9 3 年，y a n g t “1 等人 提獭了缓漫酶额率调谐，荠营先在遘绥浚静孳共振竞攀参壁援藩器串褥掏：实。 窜9 4 苹 第一章引言 c o m u e i q 等人在一个双腔、积共振的l b o 光学参繁摄荡器中也实瓣了频率调谐。2 0 0 1 年，法国c f a b m 小缎稠甩整瞒穗n d ：y a g 激光器作为泵浦源，泵漓连续准相位匹配翘 学参爨振荡器( p p l no p o ) ，得到2 - 2 3 1 a m 超低阈值的可调谐输出【1 ”。我们实验小缀 也从理论和实验上研究了, 溅o p o 瓤三共振o p o 的调谐特性。本文分别在第二和第 疆章审奔绥了这舔势蠹容。 连续光学参量搽荡腔以其宽调谐、窄线宽输出等特点、并作为捂餍激光频率范闰的 有效方法一直以来倍蹙科学家们关注。同时，o p o 在非经典光光场压缩态的产生， 裹分辨率光谱坶以及淹学频率分割岛频辜溪型1 7 , 1 等方露也毒萋 # 常黧要鳇意义。特爨 是程光场压缩态产生方蕊，o p o 也鼹种最有效鹣方法，二阶、三阶静线性效瘟的蕊缩 都能在o p o 中产划嘲。通过利用= 阶非线性过程，人们已经得到了备种压缩态光场， 如：通过倍频过程褥融兆子数压缩粥蝴l ；利用阑馕以下o p o ( 籀淀入或没有注入傣 号巍) 霭l 歪交舞糕( 往摇) 努耋垂缭磐箍蠲 弱楚阑馕以上埝褥到谥赛差压壤掰箱_ 2 s l 。 以上这些实验有一个菸同的特点，那飙是产生的压缩光的波长不同于聚浦光的波长。丽 通过三阶非线性过穰就可以直接获得光场的压缩而不改变光场的波长。例如当光沿着克 尔会矮转援时，是弱囊身裁会被压 拶蝴l ，但是在逶攀情况下，余艨熬三除 线陛系数 都穰小，要获得较大的压 薪薪需要豹介质长蘑琵长。2 0 0 0 年，我壤验小组在低游瀵准 相位匹配铌酸锂三欺攮光学参量振荡器的基础上t 利用o p o 中的级联二阶非线性过程得 到了反射泵浦光的愿 藏嗍。在本文中，我们也棚q p m o p o 来产生强度差压缩光，刹 臻p p l n 的较大蠡鼋黻牲系数，意效瓣硪毳了o p o 貔阙蓬，嚣靖将驱缭毙妻孽波长觚嚣 前的1 “m 附近扩展到了2 p m 附近。 o p o 按其泵浦光、信号光和闲鬣光在腔内的共振情况可分为：单：j 暇s r o p o ) 、双 共摄f d 烈) p 魏帮三共振图阮p o ) 。黥霉攀共熬s r ( 撑o ) ，1 只春个频率的下转换必( 信 号光或闲置光) 在o p o 腔内共振，另外一个下转换光和泵清光狂脏内不共振一崮予 s r o p o 只需信号波或闲置波满足相位匹配条件，因而稳定性比较女尹j ，并且频率程很 大范丽内可以连续调 皆刚，但是它的缺点是阈值较离( 1 w ) p 1 3 z o 如：用单频n d ：、g 激蹩器产生黪5 3 2 n m 豹倍颓燕，漱次穿过k t p 晶体缀或羲摹莛摄巍学参量羲荡器，聚 浦湖值达1 4 0 1 2 1 ；以5 3 2 n m 泵浦的蠛典丽研：形k t p 光学参量振荡，幽阚值功率4 3 w 时 产生1 9 w 的1 0 3 9 1 t r a 的单纵模非简并的闲置光输出例。积手e 振( d r o p o ) ：信号光和闲 登光在腔肉围时共搬，泵渤单歉蛾双次透过。因就，彀共振0 1 ： o 的阙值远低子零筵 掇o p o 但是它篱簧满足豹颓共搬象俘叉澉翩了它酌调谐特，征；静h 双共摄o p o 还 第一章引言 有个独特之处就是其输出的信号光与闲置光有很强的量子相干性，这使得它能榭“泛 应用于量子光学领域产生非经典光场。三共振( t r o p o ) ：是指泵浦光、信号光和闲置 光在腔内同时共振。因此，它的阐值最低，可咀达到9 w 量级i l ”，但是对它进行连续的 频率调谐比较困难。而且，双共振o p o 和三共振o p o 在自由运转时对腔长的微小变化， 频率的漂移和周围空气的抖动等干扰都很敏感，因此除了为增加腔长的机械稳定性而采 取的被动稳频措施外，还要对它采取主动稳频。一系列成功的实验证明，如果对o p o 系统的一个甚至多个参数进行主动控制是使o p o 稳定运转( 如防止跳模) 的一种比较 理想的方法。通常情况下。一般采取对泵浦光的频率和o p o 的腔长这两个参数进行控 制。 o p o 按其相位匹配条件可分为i 类相位匹配和i i 类相位匹配。i 类相位匹配是指两 个下转换光的偏振方向一致，与泵浦光的偏振方向可以垂直也可以一致。本文中两下转 换光的偏振方向与泵浦光的犏振方向是一致的，因为蕃酣f 用到了锯酸锂晶体中最大的非 线| 生系数d 3 3 ，它所对应的转换模式是e _ 盹，即下转换光的偏振方向与泵浦光的偏振 方向一裂” 。i i 类相位匹配是指两个下转换光的偏振方向相互垂直，而其中一个的偏振 方向平行于泵浦光的偏振方向。本文主要讨论了i 类准相位匹配的连续光学参量振荡器 ( p p l no p 0 ) 。 第二章准相位匹配三共振光学参量振荡器 第二章准相位匹配三共振光学参量振荡器 连续波光学参量振荡器( o p o ) 可以用来拓宽激光的波长范围，有较宽的调谐区域， 是一种理想的产生, t l l 干辐射的装置。但是常规双折射位相匹配技术的o p o 有许多缺点， 比如光束走离效应、非线性转换效率较坻、位相匹配温度及匹配角的限制，g 目碍了o p o 的发展。近年来，随着全固化单频澈光器技术的发展及高质量非线性晶体的出现，使得 低阈值、高转换效率、连续可调谐o p o 技术有了长足发展。特别是随着高质量准相 位匹配晶体的实用化，进一步促进了o p o 技术的发展。通过利用准相位匹配技术，不 仅可以利用非线性晶体最大的有效非线性系数进行频率变换，并且光束在晶体的整个长 度内都可以进行有效的参量相互作用，而且扩展了频率变换的范围。利用准相位匹配晶 体构建的连续光学参量振荡器可进一步提高参量转换效率。扩展波长调谐范围。 2 0 0 1 年，法国c f a b r e 小组p 利用整体腔n d ：y a g 激光器作为泵浦源，泵涌准相位 匹配连续光学参量振荡裰p p l n o p o ) ，得到2 - 2 3 岬超低阈值的可调谐下转换输出。我 们实验小组利用自制的全固化单频n d i y v 0 4 激光器输出的1 0 6 岬激光作为泵浦源t 泵 浦由p p l n 晶体构建的三共振连续光学参量振荡器，在2 0 0 2 年吲得到了低闽值的2 p m 激光输出，随后又相比基趾上实验研究了p p l n 的两伺；同极化周期对应的温度调谐特 性。 在本章中，我们首先介绍准相位匹配技术：然后介绍准相位匹配o p o 的理论模型， 以及三共振准相位匹配o p o 的经典运转特性，包括它的运动方程、闽值和输出功率、以 及它的调谐特性；最后介绍三共振准相位匹配o p o 的实验装置及其运转特性的实验结 果。 2 1 准相位匹配技术简介 准相位匹配技术是通过某种方法使在晶体中传播光柬的波矢的位相在经过一个相干 长度后改变”。使位相反转的方法是周期改变晶体非线性系数的符号，最基本的设想就 是薄的非线性晶体的晶片叠在起，交替的把晶片旋转1 8 0 0 。随着技术的发展，目前通 用技术是通过外加电场周期极化技术，就是将铁电晶体( 如l i n 蚣) 的非线性由给定的 电场所感应，沿着相干长度的方向电场可以周期的反转，因此非线性系数的符号就能周 期的进行变化。 4 第二章准相位匹配三共振光学参鬣振荡器 用躺爨。因此科甩建梅逝匹配技术可驻使现有蜊# 线性淹学材料的应露褥i f j 霄效的扩展。 壤相位匿琵晶体趋近几年发震匏一种薪鍪 线性菇拶”l ，与誊撬的颓新射匹配晶体 相比，它有几个优点：是它可以利用非线性晶体虽大的有效非线性系数进行频率变换； 二是在晶体的整个透明区域内，不满足严格相位匹配的光束也可以通过改变温度在晶体 内避 i 煮蓑戆参量$ 曩俘用，拭蔼扩攫了频率交换熬漩长蔻匿。翻用躔毒e 整嚣楗糕鞠 建的连续光学参量撖荡器可迸步降低泵浦阈值，提离频率转换的效率，扩展波长调谐 范围，到目前为止，融经成为个成熟的能产生相干的、波长可调谐的近红外和中红外 辐射光瓣光源p 5 鲫7 瑚。 常冤翁灌疆鼗医配耪料是l i n b 0 3 p g ，l i t a 0 3 嘲，k t 9 4 1 i 瑚陵【畦| 。麓饕援术静发糕， 这些铁电晶体被电场周期极化，已经被科学工作者广溅的用于实验。然而准相位匹配技 术的实现并不是没有问题很多非线性材料是非铁电黼体，也不能披电场周期极化来制 蚕壤榻位匹配麓辩。菇一个阏题是臻穗经匿琵奔质戆黻廷有限麴，因为彝隆技术瓣潮 难限制了准相位莲醚材料的最大簿度只有i m m 。 利用准相位匹落己材料构建的连续光学参量振荡器已经成为一个成熟的光源，产生相 于懿、波长可调谐的避红，暗中红外的激光。输出光波长的调谐可以邋过调谐泵浦激光 缮翻，毽可虢强定象演频率，改蠹j # 线往晶蒋豹瀑壤舞g 簿到。毽是这耱方洼鼹毒l 了璃诲 能力。要得到更宽范围的光谱调谐，个最常用的办法就是改变光栅周期( 也就是利用 晶体的不同极化周期) 。为此，产生了一种多个光栅周期的晶体，最主凝就p p l n 。但 是，避遘改交毙攘援褥缮戆嚣菠是累连续魄，纛墓麓要逶过强度谖潢寒 瞧 。我e 谈 验中用到的晶体就怒p p l n ，p p l n 晶体具有较高的 # 线性系数，长的榴互作角长度，而 且科学技术的发展，人们已经有能力对它的极化结构j 行控制。因此p p l n 是最成熟的 一种准相位匹配的妫期极化材料。 2 2 准相位匹配o p o 的理论分析 考虑燕频率为蛾的泵瀵竞入射蛏除有效菲线瞧系数为菇够鲶毅辑射匹配菲终陡 晶体上( 假设相位究全匹配) ，传撵方向为z 方向。由于非线性参鬣楣互作用，会自发 辐射产生一个角频率为，的信号光光子和一个角频率为：的闲置光光子。这时，崔晶 髂内郄总数复数电场可敬写为田l ： 第二章准柏能瓤配三共振光学瓣量振荡器 = s o ) e x p i ( k 。2 喝f 醵 萁中i = 0 , 1 。2 分剐代表泵浦光、信号光和闲簧光。 ( 2 1 ) 能蹙守恒关系式tq + f 0 2 = 甜o( 2 2 ) 动囊守藿关系蕊：矗蠹：k 。一黾- k 2 翠3 ) 动髓守匣也就是位相匹配，其中龇表示波矢的不匹配量，满足位相诞配条件( a k = 0 ) 的势量波长优先在o p o 中起振。其中女，= 吩峨。，( 1 = o l ，2 ) ，分别代表象清光、偿母 竞秘阕霉竞赘渡矢。强是晶荐薅燕颓率轰，蕊竞魏攒瓣率，o 为囊室中潞竞逮，在疆变 截络近似下，参擞作用耦合波方程w 写为： 拿：i 些嫩舔嚣2 e x w 艇z ) 啦 唯# 拿；i 9 2 z e f fe 。e t e x p ( ( _ 4 ) 船 1 2 c 拿：j r ”。z c f e t 匙e x p ( 一妣) a g n o e 氘是晶体韵有效菲线往系数。 对位相匹配的势蓬相互作用，相甄作用波以相同的相速度传措，因此在整个相甄作 臻长度中，它嚣】2 闸女g 位摆关系保持霉凌。因此袭漓淹蜓能量全帮转化为售号匕穰阁嚣 巍瓣链垂，琵量隧蒋距赛戆逮# 赣爨雏蠢逛莛黉掇。挺是在一夸琴满慧瘟辍匹配黪援甄 作用中，各个波以不同的相速度传措，这使得它们之间的相移也在增加。因此对于 皆搌 输出功率，它随蟹相移的增加而增大，直到相移达到n ，随后，它又随着相移的增犬瓶 逐渐减夺，塞至相移迭受2x 融它躐为零。 增加相位骈错要豹特征长度裁o 檄福干长攘t 。，它可以襄示为： f ；三( 2 ，s ) 址 在灌泣辐疆配技术孛，一墨鞠穆遮窭x 露，我释激；圭它重象鬟凳零，遮撵裁疆波了 由予相移豹增翔蔼g l 起的输出功率擐荡。菲线性树衬极纯区域的璃鲷反转也补谣了褶强 作用波之间的位相不匹配，极化区域的反转保证了张材料的整个长艘内，各个波满靛棚 干蕊侉。 6 第二章准相使匹配三共振光学参嚣振荡器 对于准相位匹配鑫薄来说，沿波豹簧撵方露尝瓣l 线性系数不鞠予双摄射匹配瑟 体，不再是一个常徽。我# 孺 它遘行傅立时展开：潮： z ( ：) = z 甜g 。e x p ( 一趾。! ) ( 2 6 ) z 够为萄棒过糕中革块晶髂( 采蠲期极纯鑫漆) 豹穗效菲缓莲系数。k m2 2 r a n a 烂 第m 阶傅立叶分量的光栅矢量，a 是准相位匹配晶体的极化反转周期。考虑到只有相 位暇配的傅立叶分爨对参量作用有显著的贡献，忽略掉其它不满足相位匹配的傅立叶分 羹( 这些努量只会g l 麓售号竞窝襄灌建量之润熬摇嚣薮荡，对参耋季爹麓且孚没寿贡献) n 遮时参量作用耦台波方程变为： 警= r 警岛e 2 e x p ( 哳) 孕：i ! ：二丝。秘l + e x p 锄z ) 馨7 ) d ：n ，c 。 阜：j c o o z o e l e 2e x p ( 一础o z ) 扭= n c 姨嚣菠曩嚣来看，砖准摇毽匹配臻霸终焉弱毒效嚣绕链系数霹强表豕灸： z o = z 。g 。 ( 2 8 ) 而波矢失配表示为：矗= k 。一霆l 女2 一k 。 ( 2 + 9 ) 箕中囊。，k ；，女：怒泵渍光、信号光鞫闲置光静渡哭。我# 穗l 定搿旁的波矢都与黉囊骑矢 量热线，实际上，当z 是相干长度的俯数，而且非相位匹配项引起的谐振成分被取消时， 这假设是合理的。当非线性系数被恩期的改变符号时，它的傅立时系数可写为； g m = 二s l 唾掰震动 旺1 铸 萁中因子d = f a 由反转【苎域的长度，除以极化周期a 采表不。对于准相位匹目a 采 说，当d = 1 2 和m = 1 时有教非线性系数昂大： 地2 詈z 够 刚 对于阶准相位匹配莛线作用其波矢先配表示为： 啦砥呐吨一詈 2 ) 由攘于长度的定义筑：矗= f ，令a k 口= o 拯# j 可戬得出对予一除准相位匹配强 第二章准相挝躐配三共振光学参擞振荡器 线幸譬粥箕反转周期葭长度等翻售的燕| 俸握手长度： 扣z p 亡 亿啪 除了在大盼泵瀵强度帮毫鲍转换效搴情况下，这孵盎子信号光葺鞋阑鐾光将会转纯为 泵浦必，导致泵浦光的楣证帮晶体的糯千长度被改变，在较祗的泵满强度籀较小酌转他 效率情况下，大部分o p o 的理论都可以被应用到准相位匹配o p o 的理论中，只需把 常娥o p o 理论中的肖效非线性系数和波矢失配替代为孙和a 幻& 口可。还有一点 毽褥= ；妻意，由于疆论摸鳖孛存在豹麓纯：准糖篷匿醚螽俸懿嚣线毪系数矮爵式孛曼敬了 其中起主要作用的一颈，因此下面的联论分析结果将冀适用于较小的凝浦功率和转换效 率下o p o 主要特性的平均结果。 在鞋下的讨论中，对孙，魏# 】假定在晶体长度b 内存在整数个周期。女g 果晶体不 是盘整数个褥期组成，i # 么耩合系数麟有个辩热顼z “般，它与辩加豹厨精部努有关。 因为这一项具有a l 的量级，因此在计算z 。时可以忽略。但是，它埘于晶体长度的黉 献将会对相互作用的光束之间的相对棚移产生非常薰要的影响。在线性o p o 腔中，遮 撵一个g 抽g 辐移褥套菠o p o 熬阑蘧耀对。为了藏夺阈蓬，毳】瘴该逡用媾嚣事黢亍 韵晶体这样可以精确选择晶体的长艘m 叫。 2 2 i 三共振准糖健匹配o p o 弱黔壤塔动万攫 我们；l 入交垂搿f ( z ) 嘲： 喇= j 嚣巨 2 1 4 其中，= 茂1 2 表示搂 在位鼗淹：楚摹泣耍雩闻离透过单位撩簸甄上的光子瀛( 攀 位是m 5 1 ) 。这时( 2 7 ) 式可以简化为： 警_ f 妒姚e 蝌。z ) 警叫舻觏+ e x p ( i k 0 力 ( 2 t 糟) 警“舻l 叩x p ( 以一 8 第 = 掌准搪整莲愆i 莛擐竞擎参量撵演嚣 舯白j 鬻 我们髅瑷稳位完全嚣聚：矗屯= 0 ，阉时参量增益锻小( 置级为吾努之尾) ，在这穗 情况f ，曼个模的振幅沿j e 线性晶体的传措方向上将变化不大。在线性近似下，( 2 1 5 ) 中 的第三式w 以被写为： 寤e 露) = g 。箨) i 白嚣掰i $ 趣f 霹 g 鸯 这样。在从z = 0 到= 上长度为二的晶体中，不同模的振幅的平均值就等于晶体 中部模的糨蠛埴( 2 = l 2 处) 。下面为方便起见，我们将娃模数振幅的乎均缓来诈为 搓述疆疲模戆交羹，魏下式： 辞。蒜群，( ，2 ) 那么在晶体输出端的场振幅，( e ) ( f 。0 , i ，2 ) 可以用相j 踅的输入场口。( o ) 和它们的 变量口：寐表示，莛怒路簿包含z 二蹬强上构骞蹬壤r ，n 2 于是我菇罄割一蕴方程 为： a l ( 上) 。拦l ( o ) + 2 i z a o 群2 +a l 。盘i ( 0 ) + 2 i z c t o 搿2 口2 ( ) 竺9 2 ( 0 ) + 2 i z c t 。c t i 丑日：口2 盘窃2 ( 0 ) + 2 i z a # 鼎l 。 犯1 7 ) g o ( 妨：臂o 0 ，2 t 菩穗i 寤2疗o = 窿$ t 霹+ 2 i z c q c t z 其中z ；勤l 2 把准柏位匹配晶体放程一个由平面镜构成的环形谐振胶中，腔的几f 可长度为，输 入藕台镜对襞辜妥毡懿巍麴菱蠡率帮辑瓤率努剽舞尊帮t 章= 韶，2 ，嚣谤j 将哭考塞 腔的藕绷发 e 较高的情况：o = 1 。 l 入参数岛= 1 - i ( 成 e8 0 要6 0 4 0 2 0 0 a b 040608 t i m e ( ms ) 图2 _ 4 在简菇温度时，腔长被扫描时，得到的下转换光a 和泵浦光b 的透射曲线。 下转换光右面的陡峭处为筒并点。 3 = 亡 亡 s c a n1 1 m e a u 图2 5 扫描共焦f - p 腔的腔长监视o p o 下转换输出。 1 6 第二章准相位匹配三共振光学势蕈振荡器 为了获零o p o 黪连续输鑫，我稻美9 k h z 熊夔i 菱蕊号谣裁o p o 膝长，穗嗣锁穗 技术与信号光豹嵬强获得误差信号缀高压放大器赦太话驱动o p o 靛的压电陶瓷，将 o p o 的共振频率锁定至i 对下转换光的透射峰上。圈2 - 5 是锁定o p o 后，用自由光谱 区为2 5 g h z 的共焦f - p 照监视o p o 瓣下转换输出，我船可鞋看出o p o 是 篾劳单攘 运转。 图2 _ 6 为极化周期a _ 3 1u l i l 对1 | 藏的o p o 输出信号光闲置光波特随着晶体温波的 调谐曲线，实心方块为实验曲线，下方空心方块是o p o 的闽值随着温度( 信号光波长) 瓣交稼夔凌，实线建秘瑶式盆3 动秘( 王3 4 ) 诗羹褥到弱懋逡魏线。由予艘镜戆镀臻存在一 个带宽( 中心煎2 1 p m ) ，在筒荠点阙德照低，最低静阕篷廷育t s t o w 。当信号光，闲鬣 光的波长远离简并点时，信号光和闲鼹光的损耗增加。导致阈值升高。当晶体温度改变 8 。c 的情瞧下，霉譬到波长范围为1 9 8 8 m n - 2 2 9 3 n m 的下转换光输出，进一步的波长调避受 藏镜渡骥翁袋裁，当僚号毙翡波长清蘧爨2 n z ( 霹囊髓溺鬟光固波长为2 2 7 5 筘m ) 闲德 l 升为2 7 m w 。 轴m 舻f a t u 。c 闰2 - 6o p o 输出波长随温度的调谐曲线a = 3 1 1 a m 孽书穗。蹴_w辑 第二章准相位匹配三共振光学参量振荡器 t e m p e r a t ur e ( o c 】 图2 7o p o 输出波长随温度的调谐图a - - 3 0 8 1 u n 图2 7 是极化周期a - - 3 0 8 岬对应的o p o 输出信号光闲置光波长随晶体温度的调 谐曲线，实心圆圈为实验曲线，空心圆圈为o p o 闽值随温度的变化曲线，实线为理论 值。根据理论计算，只有当温度达到2 1 0 0 c 时，此通道的下转换输出才达到简并点，但 是我们实验中所用的控温炉只能将温度控到2 0 7 以下，所以这个通道没有测出完整的 调谐曲线。从图上我们也可以看出，接近简并点的闽值较低，远离简并点的闽值较高。 当晶体温度改变4 的情况下，得到波长范围为1 9 8 7 n m - 2 2 9 2 n m 的下转换输出。 图2 - 8 为当温度改变时，给出了o p o 的转换效率随着信号光( 闲置光) 波长的变换 关系，其中泵浦功率等于四倍的阐值功率。从图中可以看出最大的转换效率是1 5 8 ， 对应的信号光的波长为2 0 2 2 8 n m 。图2 9 是当信号光波长为2 0 2 8 n m ( 对应闲置光波长为 2 2 3 8 n m ) o p o 的输出功率随着泵浦功率的变化曲线。契0 方块为实验测量值，理论计算 曲线利用式( 2 3 0 ) 得到。这时o p o 的阚值有7 3 r o w ，当注入2 9 7 m w 泵浦功率时，下 转换光输出4 6 5 m w ，转换效率为1 5 6 。o 。值得指出的是，从图2 - 8 和图2 - 9 我们看到 o p o 的转换效率比较f 氐，这是由于我们希望o p o 在低阈值运转，以便利用同装置获 第二章准相位旺配三菇振光学势照振荡器 蒋 经典巍场，故蹬戡裰舍漶的逶瓣率小于蠹腔损耗，i # 制了输出效攀。所戳我 门这套 装爨绦涯了 豪蠲燕运转懿祷轰，并淡蠢考虑巍纯转换效率麓l 适蘧。 s i g n a lw a v e t e n g t h l n m 莲2 - 8 苓剃滚长整戆转换效零a = 3 1 1 撼 p u m pp o w e r l m w 图2 - 9 三共搬o p o 的转换效攀a = 3 t 1 u n 1 9 第二章准相位匹配三共振光学磐量振荡器 2 4 小缝 我们在理论上讨论准相位匿配光学参量振荡器的运动方程，及冀在三共振情况下输 出特性的基础上，从实验e 研究了准相位匹配三共振光学参量振荡嚣的温度调谐特性。 利用单频全固化n d ：y v 0 4 激光器输出的1 0 6 g n 激光泵漓准相位匹粼镊酸锂三共振连续 光学参鼙振荡器，攀用准相位匮馘键酸锺晶髂豹褥个不同援诧璃期：a ：3 l 删鞠 a = 3 0 8 肿，当晶体黻分别改变8 0 c 和4 0 c 的情况下，得到波长范围为i 9 8 8 n m 一2 2 9 3 n m 和1 9 9 2 n m 一2 0 4 4 n m 的下转换光输出，晟低泵浦阙德仅有1 5 m w 。 第三章朝_ f j l 准相位匹配光举参量振荡嚣产生强度差压缩光 第三章利用凇相位匹配光学参量振荡器产生强度差压缩光 1 9 8 7 年，法国国家科学中心g i c o b m o 研究缰s r e y n a r d 2 4 1 指出：运转予阈值以上的 n o p o 胶，其输出场是强媵量子相关的牵嫩光束，它们的偏振垂直，强度麓起伏低于散 粒噪声极限。同年，该小缎剽髑稳频氩离子激光器作为光源聚瀵非筒并光学参量振荡器， 在阂蘧以上酋次获霉强度糨关麴孪生竞寒，其强度差噪声低予散箍嗓声3 0 t g i ；之后谴 们通过减小系统损耗和改进实验装置，分别将强度差噪声剃氐到散粒噪声以下6 9 口i 和8 6 e 6 7 1 。1 9 9 8 年山西大学光电研究所采用n 切割的k t p 消除了w a l k - o f f 效应，获得 了8 黔a 懿频率菲麓劳强度簸g 竣妒l 。2 0 0 1 筝我# 】拳组逛琴l 翔准相爱匹配l i n b 0 3 三共振 光学参量振荡器得到了反射泵浦光的正交俊相分量压缩酬，同时在理论上分析了存在周 期极化谈差的准相位匹配晶体对压缩态光场的影响。由于强度差压缩光程实验e 较正 交压缩光受易于实现，嗣此对它豹应用研究也更具有实用撬靼吸引力。1 9 9 0 年c d n a b o r s i 辩! 等蠲频率 筒并的强度差歪缱怒逡行了徽群痿号狻爱静实验研究，获簿了售臻 比低于散粒噪声2 , 2 d b 的实验结果。 利用光学参量振荡器产生强度差压缩光，必须使光学参爨振荡器运转予阚值以上。 鲡暴麓喇蔻竞学= 参量摄蘩罄鹣鳎毽，裁霹辍麓效壤小产生骥整差压壤是系缆戆嬲b 便 于其小型化和进一步的变鞘仡。因此在本节中我们探索磷究利用准相位瓯配的光学参量 振荡器柬产生强度差压缩光：利用准相位救配晶体的较太的非线性系数，可以有效的降 低光学参量振荡器韵阕俊，同时将压缩光龅波长从目前的1 m 近扩展到2 娜附近。 3 1 凇相位匹配非简弗o p o 强度麓膳缩光的理论分析 下确我们利用半经媳理论计算非简并光学参量振荡器的强度差噪声特性。糖们假 设泵演场强下转按场之鹈糖位完全莲配，肇次穿过q p m 嚣倭露戆参量增蕊强损耗都毙 较小，三个场模和腔完全共振，这时我们可阻写出场的运动方程： ”o i l + , u l k 氇州，+ 芦? + 厣。m 咖讹鸠氆州。+ 厚? + 昂” ( 3 1 ) 第三颦利用准相位强配光学参量振荡器产生强度差压缩光 酬”础洲辑即芦挚+ 净舻 其中，假设三个场模襁腔内往返一阁的时间相同，都为f ：，口1 嘞分别代表泵浦 场，傻号场，闲置坜躲内脏场振幅；躇；”炼输入场 # = 站二分躞代袭聚淹场、信号 璐鳓闲置场，髓下褥) ；最”鼗轰鸯予离燕损耗；l 入熬囊空起凌；扎俄表盎于输入羯会 镜引入的损耗速率，麒代表除输入耦静镜外其它妇腔授耗( 晶体的吸收辞) 引入的损糕 速率，总的损耗速率用虬来表示：，。n + l a ；场的损耗速率和振日爵遮射率的有如“f 关系：；2 ：2 r ；f ( t 2 ；2 砖r ) ；g 。2 z q ，f 是恣耱僚匹懿晶落豹4 # 线注鞍台系数+ 在我们实验中两个下转换模输出透射率和矗睦损耗帮平衡而盈没有必谐。这辩， 鼹扮 别用，和代替原来的，n 和肌( 仁1 固。经过系列的运辣，我们可以得剖 如下的压缠谱： 洲；静妒) ；搿 在磁个下转换模平衡的情况- f ，强度羲噤声谱正比于探幅差噪声谱。鼯 s ，( 掰= 归和炉) ；谚“秘疹s 婀，2 方裰( 3 3 ) 又可以驾为： s ，扣) = 黾丽4 , u y + c 0 2 讳+ 3 8 。4 ) 其中，s 。：滢m t ( ) f 2 是散粒噪声极限，等于两孪生光束平均光强之和。因为褴_ ! 参缴作甩过程中，每一个参与参量佧罔的泵浦光子总撼转化为一个信母光的光子和一个 闲置党的毙子孪生光子薅) 。 璺不存在内腔损耗时，强度差噪声在零频处完垒被抑制：s ，= o 。当存在商腔攒耗 时，强度差噪声的殿大压缩在零频处，其大小等于o t o o 腔的输出耦台效率a 随着内腕 损耗麴增如和分辑簇率的增大，强壤蒺嚣蟪疫逐渐减，j 、。要想获褥较大的压缩，分辑撷 搴盘渡巾予驻熬线瓷： 2 歹，r ，弱时驻豹输出耦食散率尽霉穗高。蓬褥注意鹈是， 方程( 3 4 ) 内并不包括裂浦场的任何参嫩( 如泵浦场的平均强度，泵浦场的起伏等) ，因此+ 强度整压缩谱在两下转换模平衡的情况下t 并不受裂浦场噪声的影响。 寝0 p o 懿两个下转换攘砰翁愤茂下，泵港场将不要与强褒蓑趣袄灌默，褥怒 第三章利用准相位贼配光学参量振荡器产生强度差压缩光 耩囊到强度差起铰熬表达式中去。警三模郝严格共掇孵，理论分提袭明，在低频娃鞠瓣 值潲近，强度差噪声会出现掇高的噪声峰，尤其是当泵浦场存在额外的经典嗓声对，强 度麓噪声所受到的影响更大。当信号光和闲置光存在失谐时，会使得强度差噪声功率变 得更大。而在较小的聚浦功率下，裂浦光的氮誊对碳度差噪声功率的影嗨很小。可见， 当掰下转接模不平鬻辩会严重彰嫡强寝差曝声翦压缀。这耱甭裂影霸瓣苏通过， 酃的巍 路平衡基本上予以消除，即把孪生光束中光强大的一康进行衰减，使得其光强等于光强 小的一束，保证两个光电探测器探测到相同的光子数，然后再进行强艘差压缩光的探测。 因就，亵产生强度藏压缠光的过程中，要获得大的强度羞压缩，我们必矮保证信号光i l 阉嚣光的平衡：都它们韵内蓬须耗帮耦合输出透辩率相等：同对使得外部的光路也尽爨 平衡。 3 。2 实验装置及络栗势爨 阁3 - i 是我们利用准相位匹配铌酸锻光学参量振荡器产生强度差魇缩