光学非线性过程中的经典及量子特性的理论和实验研究报告

1、.光学非线性过程中的经典及量子特性的理论和实验研究【摘要】：自从激光问世以来,光学的研究就迈入了一个崭新的时代。由于激光的单色性及方向性好、强度高,所以它的出现为现代光学研究提供了有力的工具,极大地促进了非线性光学,量子光学的发展。而非线性光学是激光频率变换及非经典光场的产生的重要手段,是前沿光学研究的基础,所以我们需要对非线性光学过程中的经典及量子特性进行理论和实验方面的研究。本文中,我们分别研制了1.06m的激光器和1.5m的低噪声激光光源,然后通过倍频过程分别产生了532nm和775nm的激光,同时对倍频过程中出现的非线性现象进行了理论和实验上的研究。在获得的775nm激光基础上,我们利

2、用775nm激光作为泵浦光通过光学参量过程获得了3.0±0.2dB的1.5m连续变量压缩真空态光场。由于1.5m是光纤通信最低损耗窗口,可以最大限度保留光场的量子特性,所以1.5m的非经典光场对实用化量子通信系统具有重要价值。本学位论文围绕激光光源制备、倍频过程及光学参量过程进行了一系列理论和实验方面的研究,主要包括以下几方面的研究成果：(1)设计研制了一台激光二极管(LD)偏振光双端面泵浦的高功率全固态连续单频1.06mNd:YVO4激光器。在设计中通过理论计算合理设计了含热透镜的激光谐振腔,实验上选择热效应更小的双端面泵浦方式。采用掺杂浓度为0.2%的Nd:YVO4复合晶体,在L

3、D泵浦功率为50W时输出22W的连续单频1.06m激光,相应的光光转化效率达46.3%；激光器在4小时内长期功率稳定性优于±0.7%；输出激光光束质量M21.05；激光的强度噪声和相位噪声在分析频率5MHz处达到散粒噪声基准。(2)利用连续单频1.06m激光通过周期极化PPKTP晶体外腔倍频过程产生532nm激光。我们设计了外腔倍频实验系统,在相位匹配条件下可以获得75%的倍频转化效率。在相位失配条件下观察到了级联二阶非线性效应,获得了非线性相移,同时在实验上观察到方波型和阶梯型自振荡。我们分析认为是由响应较慢的热致折射率改变和响应较快的非线性相移相互竞争产生,之后建立了相应的模型进

4、行了理论计算,计算模拟结果与实验现象十分吻合。(3)制备了1.5m及775nm高功率连续单频低噪声激光光源。实验中首先利用模清洁器对1.5m光纤激光器输出激光的噪声进行过滤获得低噪声的1.5m连续单频激光,然后利用获得的1.5m连续单频激光作为泵浦光源,通过准相位匹配晶体PPLN外腔谐振倍频过程获得775nm的高功率连续单频激光光源,当泵浦功率为770mW时,775nm激光输出为552mW,最大倍频效率为72%。再通过过滤775nm激光噪声来获得满足实验要求的775nm高功率连续单频低噪声激光光源。其中,775nm激光在利用s偏振过滤后强度噪声在4MHz达到散粒噪声极限,而1.5m激光在经过两

5、级过滤后(p偏振),强度噪声在5MHz达到了散粒噪声极限,为后续实验提供了优质的光源。此外,对双端输出倍频腔腔型的倍频效率和输出功率进行了理论和实验研究,并在理论上分析了双端输出腔型下基频光与倍频光之间相对相位的变化对于输出倍频光功率的影响,通过控制相对相位可以获得高的倍频光输出功率,实验结果与理论分析基本吻合。(4)通过阈值以下I类简并光学参量过程获得了1.5m连续变量压缩真空态光场。实验上我们利用前面制备的1.5m和775nm高功率连续单频低噪声激光光源分别作为光学参量振荡器的探针光和泵浦光,获得了压缩度为3.0±0.2dB的1.5m压缩真空态光场。参量振荡器采用双共振的两镜驻波

6、腔,非线性晶体采用准相位匹配PPLN晶体,775nm激光作为泵浦光。在以上研究内容中,具有创新性的工作有以下几个方面：1.实验研制了一台880nm直接泵浦的高功率全固态连续单频激光器,输出22W的连续单频1.06m激光,光光转换效率达46.3%；激光器在4小时内的功率稳定性优于±0.7%；输出激光的光束质量M21.05。2.利用1.06m连续单频激光通过外腔谐振高效倍频过程获得了532nm激光,在相位匹配情况下倍频效率可达75%。在相位失配时发生了级联二阶非线性过程,实验上观察到方波型和阶梯型自振荡,通过热致折射率改变和非线性相移相互竞争的理论模型成功解释了实验现象。3.利用模清洁器

7、过滤1.5m及775nm激光的额外噪声,获得1.5m及775nm高功率连续单频低噪声激光光源。分析了倍频过程中双端输出腔型下基频光与倍频光之间相对相位的变化对于输出倍频光功率的影响。4.在实验上通过光学参量过程获得了1.5m光通信波段的压缩真空态光场,压缩度为3.0±0.2dB。【关键词】：全固态连续单频激光器二次谐波产生连续变量光学参量过程非经典光场【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：O431.2【目录】：目录4-10中文摘要10-12ABSTRACT12-15第一章绪论15-251.1简介151.2非线性光学15-171.3量子光学及

8、非经典光场17-201.3.1相干态光场17-181.3.2压缩态光场18-191.3.3纠缠态光场19-201.4本文的主要内容及结构20-22参考文献22-25第二章高功率全固态连续单频1.06mNd：YVO_4激光器25-392.1简介252.2理论分析25-302.2.1Nd：YVO_4激光晶体的性质25-262.2.2Nd：YVO_4激光晶体的能级结构26-272.2.3激光器谐振腔的设计27-292.2.4激光器的运转特性29-302.3实验装置30-312.4实验结果及分析31-352.5小结35-36参考文献36-39第三章1.06m激光外腔倍频过程的理论和实验研究39-593

9、.1简介39-403.2倍频过程40-413.3实验装置41-463.3.1泵浦源42-433.3.2模清洁器433.3.3激光频率锁定系统43-443.3.4倍频晶体44-453.3.5倍频腔45-463.4实验过程及结果46-483.5自振荡及其理论分析与计算48-563.5.1方波型自振荡的观察483.5.2模型及理论模拟48-513.5.3阶梯型自振荡及理论模拟51-563.6小结56-57参考文献57-59第四章1.5m波段及780nm波段低噪声激光光源制备59-814.1简介59-604.21.5m低噪声光源的实验产生60-684.2.11.51m光纤激光器60-614.2.21.

10、5m模清洁器61-644.2.3利用模清洁器降低1.5m激光噪声64-684.3通过PPLN外腔倍频过程产生连续单频775nm激光光源68-774.3.1实验装置68-694.3.2倍频器69-714.3.3倍频腔锁腔系统71-724.3.4两种腔型实验结果72-774.4利用模清洁器改善775nm激光的噪声和模式77-784.5小结78-79参考文献79-81第五章通过学参量过程产生1.5m压缩真空态光场81-1015.1简介815.2理论分析81-885.2.1类简并光学参量放大过程的理论模型82-845.2.2类简并光学参量放大器的经典特性84-855.2.3类简并光学参量放大器的量子特性85-885.3实验装置88-935.3.1产生压缩态的实验光路88-905.