連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器及其強(qiáng)度噪聲特性的研究

1、連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器及其強(qiáng)度噪聲特性的研究【摘要】：緊湊穩(wěn)定高效的全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器,以其較寬的輸出光譜、較高的輸出功率、較低的強(qiáng)度噪聲等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于高靈敏度的干涉儀、高分辨率激光光譜、引力波探測、量子通訊、原子冷卻等領(lǐng)域。一方面,我們可以通過對鈦寶石晶體本身特性進(jìn)行分析,設(shè)計并優(yōu)化光學(xué)諧振腔,以及在諧振腔內(nèi)插入激光器必須的光學(xué)元件等手段,獲得高效穩(wěn)定的連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器。另一方面,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對激光器的強(qiáng)度噪聲更加關(guān)注,因為激光器強(qiáng)度噪聲的存在對許多實(shí)驗結(jié)果產(chǎn)生不利的影響,進(jìn)而阻礙了鈦寶石激光器在科研領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此,提高全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦

2、寶石激光器的相關(guān)指標(biāo)和降低鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲就成為了發(fā)展全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器的主要內(nèi)容。為此,我們主要從設(shè)計和優(yōu)化激光器諧振腔,降低激光器強(qiáng)度噪聲等方面對全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器進(jìn)行了研究,其主要工作如下：1.通過對具有寬帶吸收光譜和寬帶發(fā)射光譜的增益介質(zhì)鈦寶石晶體的分析,設(shè)計了消除像散的四鏡環(huán)行諧振腔。利用傳輸矩陣,分析了四鏡環(huán)行諧振腔的穩(wěn)區(qū)和腰斑的變化特性,合理選擇諧振腔參數(shù),使激光器工作在最佳狀態(tài)。在諧振腔內(nèi)插入了由外加磁場的TGG晶體和消色差半波片組成的寬帶該光學(xué)單向器后,激光器在可調(diào)諧的波長范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了單向運(yùn)轉(zhuǎn)。2.理論上分析了最大輸出功率與腔內(nèi)損耗以及輸出

3、耦合鏡透射率之間的關(guān)系,得到了不同泵浦功率下的輸出耦合鏡最佳透射率。實(shí)驗上利用腔內(nèi)插入薄熔融石英片和更換輸出耦合鏡透射率的方法,測量了腔內(nèi)損耗,在此基礎(chǔ)上得到不同泵浦功率下的輸出耦合鏡最佳透射率,進(jìn)而優(yōu)化了激光器。最后,將激光器鎖定在高穩(wěn)定度的光學(xué)參考腔上,提高了激光器的輸出穩(wěn)定性。3.分析了雙折射濾波片和標(biāo)準(zhǔn)具以及壓電陶瓷在鈦寶石激光器中的調(diào)諧特性。在鈦寶石激光器中,鈦寶石晶體的發(fā)射譜決定了最大調(diào)諧范圍；雙折射濾波片在激光器中起粗調(diào)作用,其最薄一片決定其最大調(diào)諧的范圍,而最厚一片決定其調(diào)諧的精度；標(biāo)準(zhǔn)具是一種選模調(diào)諧,盡管其調(diào)諧精度很高,但其仍是非連續(xù)的調(diào)諧；而要想獲得真正的連續(xù)調(diào)諧,還需要

4、改變諧振腔上的壓電陶瓷的電壓,通過改變壓電陶瓷的電壓,進(jìn)而改變諧振腔腔長,最后達(dá)到連續(xù)調(diào)諧的目的。4.在獲得高穩(wěn)定性的全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器后,我們研究了鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲特性。首先,我們研究了泵浦源的縱模結(jié)構(gòu)對鈦寶石激光器的影響,發(fā)現(xiàn)以單頻綠光激光器取代單橫模綠光激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源時,鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲明顯降低。在此基礎(chǔ)上,我們還研究了泵浦源的泵浦速率等因素對鈦寶石激光器的影響。隨著泵浦速率的增大,激光器的弛豫振蕩頻率向高頻方向移動,而弛豫振蕩的幅度減小。最后,我們用一種理論模型擬合了鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲,該模型適用于泵浦源有一定分布特點(diǎn)的激光器。5.盡管采用

5、單頻綠光激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源,鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲在2.5MHz處已達(dá)到量子噪聲極限,然而在低頻段,鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲仍然高于量子噪聲極限。為了獲得低噪聲的鈦寶石激光器,我們采用光電負(fù)反饋來抑制鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲。通過選取合適的反饋增益,位相延時及帶通濾波,在頻率為1.125MHz處,鈦寶石激光器由原先的8.7dB降到了抑制后的1.4dB,抑制程度達(dá)7.3dB。而且通過選擇不同的位相延時和帶通濾波可以獲得不同頻率點(diǎn)的強(qiáng)度噪聲抑制。創(chuàng)新性的工作：A.設(shè)計并獲得了結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定性好的鈦寶石激光器,其相關(guān)指標(biāo)基本上達(dá)到目前國外產(chǎn)品的水平。B.利用腔內(nèi)插入熔融石英片的方法測量了腔內(nèi)

6、損耗,研究了激光器在不同泵浦功率下的最佳透射率,優(yōu)化了諧振腔。C.通過對調(diào)諧元件的設(shè)計,在達(dá)到調(diào)諧寬度的基礎(chǔ)上,提高了調(diào)諧精度。D.研究了泵浦源的縱模結(jié)構(gòu)以及泵浦速率等因素對鈦寶石激光器強(qiáng)度噪聲的影響,提出了一種適合泵浦源強(qiáng)度噪聲有一定分布特點(diǎn)的理論擬合方法。E.利用光電負(fù)反饋抑制了鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲。【關(guān)鍵詞】：鈦寶石激光器腔內(nèi)損耗激光調(diào)諧強(qiáng)度噪聲光電負(fù)反饋【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2011【分類號】：TN248【目錄】：目錄4-6Content6-8中文摘要8-11Abstract11-16第一章緒論16-191.1引言161.2研究意義16-171

7、.3本文的主要工作17-19第二章全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器19-522.1引言192.2增益介質(zhì)摻鈦藍(lán)寶石晶體19-272.2.1鈦寶石的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)19-202.2.2鈦寶石晶體的能級結(jié)構(gòu)20-222.2.3鈦寶石晶體的光譜特性22-242.2.4鈦寶石晶體的品質(zhì)因子24-262.2.5鈦寶石晶體的生長26-272.3Ti(3+)的寬帶二能級激光系統(tǒng)27-302.4鈦寶石激光器泵浦系統(tǒng)30-332.4.1單橫模綠光激光器31-322.4.2單頻綠光激光器32-332.5鈦寶石激光器諧振腔設(shè)計33-432.5.1不考慮像散的四鏡環(huán)行諧振腔空腔33-362.5.2四鏡環(huán)行諧振腔

8、的像散分析36-402.5.3實(shí)現(xiàn)像散補(bǔ)償?shù)乃溺R環(huán)行諧振腔40-432.6寬帶光學(xué)單向器43-482.6.1磁致旋光效應(yīng)44-452.6.2消色差波片45-462.6.3寬帶單向器的組成與原理46-482.7實(shí)驗裝置及結(jié)果分析48-512.7.1實(shí)驗裝置48-492.7.2實(shí)驗結(jié)果與分析49-512.8結(jié)論51-52第三章全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器腔內(nèi)損耗及最佳透射率的研究52-633.1引言52-533.2理論分析53-543.3腔內(nèi)損耗的測量54-553.4實(shí)驗系統(tǒng)描述55-563.5實(shí)驗結(jié)果和分析56-623.6結(jié)論62-63第四章連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器的調(diào)諧特性63-774.

9、1引言63-644.2雙折射濾波片(BRF)64-714.3標(biāo)準(zhǔn)具-干涉型調(diào)諧71-734.4實(shí)驗結(jié)果及分析73-764.5結(jié)論76-77第五章全固態(tài)連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器的強(qiáng)度噪聲77-945.1引言775.2量子理論模型77-845.3泵浦源的縱模結(jié)構(gòu)對鈦寶石激光器強(qiáng)度噪聲的影響84-895.3.1實(shí)驗裝置圖84-855.3.2實(shí)驗結(jié)果和分析85-895.4影響鈦寶石激光器強(qiáng)度噪聲的其它因素89-905.4.1泵浦速率對鈦寶石激光器的影響89-905.4.2工作波長對鈦寶石激光器強(qiáng)度噪聲的影響905.5理論擬合90-935.6結(jié)論93-94第六章利用光電反饋抑制鈦寶石激光器低頻段的強(qiáng)度噪聲94-1016.1引言94-956.2鈦寶石激光器強(qiáng)度噪聲的抑制95