實驗名稱：雙波長外腔共振和頻過程中腔參數(shù)優(yōu)化的研究

測試設備：電壓放大器、光電探測器、PZT等。

實驗過程：

圖1：雙波長外腔共振和頻的實驗裝置

M：腔鏡；PPLN：周期極化銀酸鋰晶體；LEN：模式匹配透鏡；PBS：偏振分束棱鏡；PD：光電探測器；PID：比例積分微分控制器；HVA：電壓放大器；PZT：壓電陶瓷；R：反射平面鏡

利用雙波長外腔共振技術(shù)及周期性極化銀酸鋰晶體PPLN實現(xiàn)938nm和1583nm兩激光和頻從而產(chǎn)生589nm鈉黃光的實驗裝置如圖1所示。為了優(yōu)化光束質(zhì)量，采用單模光纖對輸出激光束進行整形，最終的耦合效率優(yōu)于50%。外腔是由兩平面鏡M1、M2和兩曲率半徑為50mm的凹面鏡M3、M4構(gòu)成的蝶形環(huán)形腔，這種腔形不僅能滿足雙波長共振和頻技術(shù)的要求同時可以將兩束種子光分別從兩個腔鏡入射，降低了實驗的難度。實驗中所采用非線性晶體是長寬高分別為10mm*3mm*1mm的PPLN晶體，并將其放在溫控爐上對其進行溫度控制。由于PPLN晶體采用了Ⅰ類相位匹配進行和頻，所以對938nm激光器的要求是e1軸方向偏振，對1583nm激光器的要求也是e1軸方向偏振，分別可以通過調(diào)節(jié)各自的波片實現(xiàn)。晶體和蝶形環(huán)形腔的實物如圖2所示。

圖2：實驗中所用的晶體和搭建的蝶形環(huán)形腔：（a）晶體；（b）蝶形環(huán)形腔。

兩基頻光與蝶形環(huán)形腔利用頻率鎖定技術(shù)進行級聯(lián)鎖定，探測器將測得的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑤斎霚p法器1，減法器將兩信號相減后產(chǎn)生誤差信號，此過程為H-C1。由于外腔內(nèi)放置有非線性晶體，若激光與腔共振，則腔鏡M2后的反射光為線偏振光，分成的兩束光光強相同，相減后為0，若激光與腔不共振，則M2后的反射光為橢圓偏振光，分成的兩束光光強不同，相減后不為0，這種反射信號的偏振態(tài)隨著腔模失諧頻率變化而產(chǎn)生的誤差信號具有奇函數(shù)特征，因此可以對激光與腔進行頻率鎖定。最后將這個誤差信號經(jīng)過PID1，對比例增益以及積分帶寬進行設置后反饋到電壓放大器控制的壓電陶瓷PZT上，通過壓電陶瓷的伸縮來實現(xiàn)環(huán)形腔腔模頻率到938nm激光器輸出頻率的鎖定。同樣，在1583nm激光器輸出頻率到環(huán)形腔腔模頻率的鎖定過程具體為腔鏡M4后的反射光束通過與H-C1相同的過程H-C2后產(chǎn)生誤差信號，最后將這個誤差信號經(jīng)過PID2，對比例增益以及積分帶寬進行設置后反饋到1583nm激光器的調(diào)制端口上，通過對1583nm激光器的頻率控制實現(xiàn)其到環(huán)形腔的頻率鎖定。這樣，環(huán)形腔腔模頻率鎖定到938nm激光器的輸出頻率上，1583nm激光器的輸出頻率鎖定到環(huán)形腔腔模頻率上，從而實現(xiàn)了三者之間的相位關聯(lián)鎖定，使它們之間的頻率相對穩(wěn)定。另外，腔鏡M3的透射信號被另一個探測器PD5探測，然后輸入到示波器采集數(shù)據(jù)。在蝶形環(huán)形腔中實現(xiàn)了雙波長共振之后，938nm和1583nm基頻光將在腔內(nèi)與PPLN晶體相互作用，產(chǎn)生589nm的基頻光，并對一些實驗結(jié)果進行測量與分析。

實驗結(jié)果：

圖3：589nm和頻光功率隨PPLN晶體溫度的變化曲線

由于實驗中PPLN晶體的相位匹配方式是溫度匹配，所以通過溫度的改變，和頻過程中的相位匹配參數(shù)能達到最優(yōu)化的值。圖3是不同晶體溫度下589nm和頻光輸出功率的變化曲線，從圖中可以看出，溫度對晶體和頻轉(zhuǎn)化效率的影響較大，當溫度為112.5℃時，晶體的和頻轉(zhuǎn)化效率最大，此時獲得的最高和頻光功率為204.3mW。由此可見實驗結(jié)果低于理論計算結(jié)果。這個差異可能主要是由于實驗中不完全的模式匹配造成的。

圖4：589nm和頻光輸出功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。實線：理論模擬結(jié)果；點：實驗結(jié)果

圖5：外腔對938nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。實線：理論模擬結(jié)果；點：實驗結(jié)果

圖6：外腔對1583nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖：（a）腔不內(nèi)存在938nm共振激光；（b）腔內(nèi)存在938nm共振激光。實線：理論模擬結(jié)果；點：實驗結(jié)果

為了與理論結(jié)果進行對比，在晶體溫度為112.5℃時，將938nm和1583nm激光進行共振和頻，其中938nm基頻光的功率為300mW，1583nm基頻光功率從0mW到500mW之間進行變化，但是無論功率如何變化，雙波長外腔共振系統(tǒng)始終處在阻抗欠耦合情況下。圖4為589nm和頻光輸出功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖，圖中實線為理論模擬的結(jié)果，點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出，隨著1583nm基頻光入射功率的增加，理論模擬和實驗的結(jié)果中589nm和頻光功率都在增加，當1583nm基頻光的功率為500mW時，得到589nm和頻光的最高功率為204.3mW。這時，對于進入腔內(nèi)的938nm基頻光其和頻轉(zhuǎn)化效率為61.1%。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果符合的較好。圖5為外腔對938nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。同樣圖中實線為理論模擬的結(jié)果，點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出隨著1583nm基頻光入射功率的增加，被外腔反射的938nm功率減小，而938nm入射光功率是不變的，說明隨著1583nm入射光功率的增加和頻轉(zhuǎn)換效率逐漸增大，所消耗的938nm基頻光功率逐漸增加。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果也符合的較好。圖6分別為腔內(nèi)存在938nm共振激光與沒有938nm共振激光時，外腔對1583nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。圖中實線為理論模擬的結(jié)果，點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出，隨著1583nm基頻光入射功率的增加，被外腔反射的1583nm功率也相應增大，但是當腔內(nèi)存在938nm共振激光時，由于和頻的發(fā)生消耗掉一部分1583nm激光，因此與腔內(nèi)沒有938nm共振激光的情況相比較被外腔反射的1583nm激光功率要低。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果也符合的非常好。

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審核編輯 黃宇