制約單頻激光器性能的關(guān)鍵問題

　　全固態(tài)連續(xù)波單頻激光器以其結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科研、**、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。但是受到激光晶體自身熒光光譜的限制，激光的發(fā)射波長(zhǎng)只能限制在特定的范圍內(nèi)，不能滿足快速發(fā)展的科學(xué)研究需要。因此，亟需探索新的理論設(shè)計(jì)、技術(shù)和方法來大幅提升單頻激光器的整體性能。

　　光參量振蕩技術(shù)(OPO)可以彌補(bǔ)普通固體激光器發(fā)射波長(zhǎng)受限的不足，有效拓展了激光的應(yīng)用范圍。在量子通信中，為保證激光在光纖中可遠(yuǎn)距離傳輸，激光光源一般使用的是位于光纖低損耗和低色散窗口的1.5 μm波段激光。尤其是在產(chǎn)生1.5 μm的量子壓縮糾纏光的實(shí)驗(yàn)中，不僅需要高功率的單頻連續(xù)波1.5 μm激光作為多個(gè)光學(xué)參量放大器(OPA)的種子光以及探測(cè)時(shí)的本底光，還需要其倍頻光作為OPA的泵浦光。

　　目前在量子光源的產(chǎn)生過程中，1550 nm激光及其倍頻光通常是使用兩個(gè)分立的腔來實(shí)現(xiàn)的。但是，實(shí)驗(yàn)中過多的諧振腔增大實(shí)驗(yàn)裝置的體積以及腔模耦合的難度，不利于非經(jīng)典光源的集成和小型化?；诖?，山西大學(xué)光電研究所盧華東教授課題組研制出一種能同時(shí)輸出1.5 μm及其倍頻光的激光器，不僅能減少量子壓縮產(chǎn)生系統(tǒng)光路的復(fù)雜程度，也能提高產(chǎn)生的量子壓縮糾纏態(tài)的穩(wěn)定性。

　　打破波長(zhǎng)限制，實(shí)現(xiàn)NIR到MIR單頻多波長(zhǎng)輸出

　　本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的四鏡環(huán)形單共振光學(xué)參量振蕩器，利用周期極化晶體MgO:PPLN和PPKTP分別作為光學(xué)參量振蕩晶體和倍頻晶體，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于瓦級(jí)的覆蓋近紅外到中紅外的單頻連續(xù)波775 nm、1550 nm和3393 nm 三波長(zhǎng)激光輸出。

　　首先對(duì)光學(xué)參量晶體因吸收泵浦光(1064 nm)、信號(hào)光(1550 nm)、閑頻光(3393 nm)而產(chǎn)生的等效熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖1所示。結(jié)果表明，在信號(hào)光單共振的諧振腔內(nèi)，共振的信號(hào)光對(duì)光學(xué)參量振蕩晶體的熱透鏡效應(yīng)貢獻(xiàn)最大。而閑頻光功率雖然較低，但晶體對(duì)中紅外的吸收作用較強(qiáng)，其所產(chǎn)生的熱透鏡也較為明顯，而1064 nm激光由于是單次穿過，其對(duì)晶體熱透鏡效應(yīng)的貢獻(xiàn)相對(duì)是最小的。

　　圖1 估算的MgO:PPLN晶體的熱透鏡焦距。(a)泵浦光導(dǎo)致的晶體熱透鏡焦距;(b)信號(hào)光導(dǎo)致的晶體熱透鏡焦距; (c)閑頻光導(dǎo)致的晶體熱透鏡影響;(d)MgO:PPLN晶體總熱透鏡焦

　　在考慮光學(xué)參量振蕩晶體熱透鏡效應(yīng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖2所示的四鏡環(huán)形腔雙腰斑單共振光學(xué)參量振蕩器。環(huán)形腔由兩個(gè)曲率半徑為60 mm(M1和M2)和兩個(gè)曲率半徑為40 mm(M3和M4)的凹面鏡構(gòu)成。其中，信號(hào)光在光學(xué)參量振蕩晶體MgO:PPLN處的腰斑為70 μm，滿足光學(xué)參量振蕩過程中最佳聚焦因子的需求;在倍頻晶體PPKTP處腰斑為52 μm，滿足倍頻過程的實(shí)驗(yàn)需求。與傳統(tǒng)的六鏡環(huán)形腔相比，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)不僅有效縮短了諧振腔的長(zhǎng)度，使諧振腔結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定，還進(jìn)一步減小了腔內(nèi)兩腰斑的大小，提高了非線性晶體的轉(zhuǎn)化效率。

　　圖2 實(shí)驗(yàn)光路圖

　　在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)光學(xué)參量振蕩器注入21 W 的單頻1064 nm泵浦光時(shí)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率分別為2.1 W、1.7 W和1.1 W的1550 nm、3393 nm、775 nm三波長(zhǎng)激光輸出，光光轉(zhuǎn)化效率為23.3%。其中1550 nm和775 nm激光的光束質(zhì)量因子M2分別小于1.05和1.13.如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中獲得的三種波長(zhǎng)激光的功率穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示在5 h內(nèi)三波長(zhǎng)功率穩(wěn)定性(RMS)分別為2.5%、0.8%、1.6%。

　　圖3 激光光束質(zhì)量分析圖。(a)1550 nm激光的光束質(zhì)量因子;(b)775 nm激光的光束質(zhì)量因子

　　圖4 信號(hào)光、閑頻光和倍頻光5 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性

　　結(jié)論與展望

　　團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的四鏡環(huán)形單共振光學(xué)參量振蕩器，該結(jié)構(gòu)不僅滿足了光學(xué)參量振蕩過程的要求，還可以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的腔內(nèi)倍頻。在諧振腔的兩個(gè)腰斑處分別放置光學(xué)參量振蕩晶體MgO:PPLN 和倍頻晶體PPKTP，實(shí)現(xiàn)了從近紅外到中紅外的倍頻光、信號(hào)光和閑頻光三波長(zhǎng)高功率單頻連續(xù)波激光輸出。將本研究實(shí)現(xiàn)的三波長(zhǎng)單頻連續(xù)波激光器應(yīng)用于量子光學(xué)以及量子技術(shù)的研究中，尤其是將同時(shí)產(chǎn)生的1550 nm激光及其倍頻光用于產(chǎn)生高穩(wěn)定高壓縮度的1550 nm壓縮態(tài)光場(chǎng)，為進(jìn)一步制備多組分糾纏態(tài)光場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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