连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究

连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究

【摘要】：紧凑稳定高效的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器,以其较宽的输出光谱、较高的输出功率、较低的强度噪声等优点,可广泛应用于高灵敏度的干涉仪、高分辨率激光光谱、引力波探测、量子通讯、原子冷却等领域。一方面,我们可以通过对钛宝石晶体本身特性进行分析,设计并优化光学谐振腔,以及在谐振腔内插入激光器必须的光学元件等手段,获得高效稳定的连续单频可调谐钛宝石激光器。另一方面,随着科学技术的发展,人们对激光器的强度噪声更加关注,因为激光器强度噪声的存在对许多实验结果产生不利的影响,进而阻碍了钛宝石激光器在科研领域中的应用。因此,提高全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的相关指标和降低钛宝石激光器的强度噪声就成为了发展全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的主要内容。为此,我们主要从设计和优化激光器谐振腔,降低激光器强度噪声等方面对全固态连续单频可调谐钛宝石激光器进行了研究,其主要工作如下：1.通过对具有宽带吸收光谱和宽带发射光谱的增益介质钛宝石晶体的分析,设计了消除像散的四镜环行谐振腔。利用传输矩阵,分析了四镜环行谐振腔的稳区和腰斑的变化特性,合理选择谐振腔参数,使激光器工作在最佳状态。在谐振腔内插入了由外加磁场的TGG晶体和消色差半波片组成的宽带该光学单向器后,激光器在可调谐的波长范围内均实现了单向运转。2.理论上分析了最大输出功率与腔内损耗以及输出耦合镜透射率之间的关系,得到了不同泵浦功率下的输出耦合镜最

佳透射率。实验上利用腔内插入薄熔融石英片和更换输出耦合镜透射率的方法,测量了腔内损耗,在此基础上得到不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率,进而优化了激光器。最后,将激光器锁定在高稳定度的光学参考腔上,提高了激光器的输出稳定性。3.分析了双折射滤波片和标准具以及压电陶瓷在钛宝石激光器中的调谐特性。在钛宝石激光器中,钛宝石晶体的发射谱决定了最大调谐范围；双折射滤波片在激光器中起粗调作用,其最薄一片决定其最大调谐的范围,而最厚一片决定其调谐的精度；标准具是一种选模调谐,尽管其调谐精度很高,但其仍是非连续的调谐；而要想获得真正的连续调谐,还需要改变谐振腔上的压电陶瓷的电压,通过改变压电陶瓷的电压,进而改变谐振腔腔长,最后达到连续调谐的目的。4.在获得高稳定性的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器后,我们研究了钛宝石激光器的强度噪声特性。首先,我们研究了泵浦源的纵模结构对钛宝石激光器的影响,发现以单频绿光激光器取代单横模绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源时,钛宝石激光器的强度噪声明显降低。在此基础上,我们还研究了泵浦源的泵浦速率等因素对钛宝石激光器的影响。随着泵浦速率的增大,激光器的弛豫振荡频率向高频方向移动,而弛豫振荡的幅度减小。最后,我们用一种理论模型拟合了钛宝石激光器的强度噪声,该模型适用于泵浦源有一定分布特点的激光器。5.尽管采用单频绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源,钛宝石激光器的强度噪声在 2.5MHz处已达到量子噪声极限,然而在低频段,钛宝石激光器的强度噪声仍然高于量子噪声极限。为了获得低噪声的钛宝石激光器,我们采用光电负反馈来抑

制钛宝石激光器的强度噪声。通过选取合适的反馈增益,位相延时及带通滤波,在频率为1.125MHz处,钛宝石激光器由原先的8.7dB降到了抑制后的1.4dB,抑制程度达7.3dB。而且通过选择不同的位相延时和带通滤波可以获得不同频率点的强度噪声抑制。创新性的工作：A.设计并获得了结构紧凑,稳定性好的钛宝石激光器,其相关指标基本上达到目前国外产品的水平。B.利用腔内插入熔融石英片的方法测量了腔内损耗,研究了激光器在不同泵浦功率下的最佳透射率,优化了谐振腔。C.通过对调谐元件的设计,在达到调谐宽度的基础上,提高了调谐精度。D.研究了泵浦源的纵模结构以及泵浦速率等因素对钛宝石激光器强度噪声的影响,提出了一种适合泵浦源强度噪声有一定分布特点的理论拟合方法。E.利用光电负反馈抑制了钛宝石激光器的强度噪声。【关键词】：钛宝石激光器腔内损耗激光调谐强度噪声光电负反馈【学位授予单位】：山西大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2011

【分类号】：TN248

【目录】：目录4-6Content6-8中文摘要8-11Abstract11-16第一章绪论16-191.1引言161.2研究意义16-171.3本文的主要工作17-19第二章全固态连续单频可调谐钛宝石激光器19-522.1引言192.2增益介质掺

钛蓝宝石晶体19-272.2.1钛宝石的晶体结构和物理化学性质19-202.2.2钛宝石晶体的能级结构20-222.2.3钛宝石晶体的光谱特性22-242.2.4钛宝石晶体的品质因子24-262.2.5钛宝石晶体的生长26-272.3Ti~(3+)的宽带二能级激光系统27-302.4钛宝石激光器泵浦系统30-332.4.1单横模绿光激光器31-322.4.2单频绿光激光器32-332.5钛宝石激光器谐振腔设计33-432.5.1不考虑像散的四镜环行谐振腔空腔33-362.5.2四镜环行谐振腔的像散分析36-402.5.3实现像散补偿的四镜环行谐振腔40-432.6宽带光学单向器43-482.6.1磁致旋光效应44-452.6.2消色差波片45-462.6.3宽带单向器的组成与原理46-482.7实验装置及结果分析48-512.7.1实验装置48-492.7.2实验结果与分析49-512.8结论51-52第三章全固态连续单频可调谐钛宝石激光器腔内损耗及最佳透射率的研究52-633.1引言52-533.2理论分析53-543.3腔内损耗的测量54-553.4实验系统描述55-563.5实验结果和分析56-623.6结论62-63第四章连续单频可调谐钛宝石激光器的调谐特性63-774.1引言63-644.2双折射滤波片(BRF)64-714.3标准具-干涉型调谐71-734.4实验结果及分析73-764.5结论76-77第五章全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的强度噪声77-945.1引言775.2量子理论模型77-845.3泵浦源的纵模结构对钛宝石激光器强度噪声的影响84-895.3.1实验装置图84-855.3.2实验结果和分析85-895.4影响钛宝石激光器强度噪声的其它因素89-905.4.1泵浦速率对钛宝石激光器的影响89-905.4.2工作波长对钛宝石激光器强度噪声的影响905.5理论拟合90-935.6结论93-94第六章利用光电反馈抑制钛宝石激光器低频