高功率单频671nm激光系统研究

论文摘要

激光技术的进步使得精确测量和调控原子分子系统成为现实,进而推动超冷原子物理实验迅速发展为量子模拟的理想研究平台。锂原子是超冷原子实验重要的研究对象,其质量较轻,结构简单,同时拥有费米子和玻色子两种稳定同位素,又方便Feshbach共振调控。在超冷锂原子实验中,通常需要瓦量级的671nm激光实现原子的冷却与囚禁。进一步地提升671nm激光功率,还可以有效降低亚多普勒冷却温度、实现高效蒸发冷却,大大提高6Li费米简并气体的原子数;此外,还可以搭配1342nm激光形成超晶格光场,实现基于超晶格量子气体的量子模拟实验平台。本论文基于超冷原子相关实验对于大功率671nm激光器的迫切需求,开展了大功率连续单频可调谐671nm激光系统的研究。论文以全固态激光结合外腔倍频方案为技术路线,对限制激光系统输出功率提升的晶体热效应、高功率倍频等主要难点和关键技术进行了深入和系统的研究,实现了可用于超冷原子实验的高功率连续输出、单频可调谐、窄线宽的1342nm激光器和671nm激光器,并具有良好的稳定性,可以为基于锂原子的超冷原子物理基础研究和工程应用提供重要的技术保障。具体的,本论文的研究工作包含以下三个主要内容:首先,针对全固态671nm激光方案需要高功率1342nm光源的需求,开展了高功率全固态单频可调谐1342nm激光器研究。针对激光晶体Nd:YV04的热效应进行了理论研究和系统分析,建立了晶体热力学仿真模型,研究和测量了晶体热透镜焦距,探索研究了减少和补偿晶体热效应的多个方法。采用了 888 nm波长的泵浦光,减小热量产生;采用多段掺杂晶体并使其能在低于室温下工作,改善热量分布;采用弯月形热补偿腔镜,补偿热透镜效应对腔稳定区间的影响。实现了激光在高泵浦光功率下的稳定运行。在此基础上,对高功率全固态激光的单频运转进行了研究,采用了环形谐振腔设计,腔内插入法拉第单向器实现了单方向激光运转,结合标准具实现了单频选模,采用厚薄两种标准具和压电陶瓷调谐相结合的方案,实现了冷原子实验需求的频率调谐功能。最终实现了功率大于11W的单频可调谐1342nm激光输出。接着,进行了高功率下的高效倍频技术研究。通过对现有倍频技术和非线性晶体的理论分析和实验比较,选择基于PPKTP晶体的外谐振腔倍频的方案。通过对PPKTP晶体的热效应及对于阻抗匹配和模式匹配的影响的研究,结合优化了聚焦束腰和晶体长度等参数,有效减小了热效应造成的相位失配和模式失配,最终产生了 5.2 W的671nm功率,实现了高达93%的倍频效率。最后,针对超冷原子实验对激光稳定性的要求,以及光晶格对窄线宽的要求,研究了全固态激光系统锁频与线宽压窄技术。研究中分析了影响频率稳定性、线宽等参数的主要因素,并从提高被动稳定性角度考虑,设计并实施了 1342nm激光器和671nm倍频腔的原理样机,实现了激光系统的长期高功率稳定运行测试。实现了倍频腔的 Hansch-Couillaud（HC）锁频和激光腔的 Pound-Dever-Hall（PDH）锁频。使用了 AOM提高了锁频带宽,结合两级级联PDH锁频回路,利用窄线宽的光学超稳腔,将1342nm激光的线宽从MHz线宽压窄到1kHz以下,实现了窄线宽1342nm激光输出。本文具体创新之处有:1.有效解决高功率全固态1342nm激光中晶体热效应限制功率提升的难题,采用了 888nm激光泵浦源,设计了多段掺杂激光晶体和热补偿谐振腔,实现了大于11W高功率的单频全固态1342nm激光。2.针对高功率倍频中PPKTP晶体热效应限制倍频效率的难题,提出了一种有效降低热效应提高倍频效率的技术方案,采用短晶体和大束腰半径,远离理论最优聚焦参数值,以降低热效应影响,实现了高达93%的倍频效率和5.2W单频671nm激光输出。3.实现大功率固态单频激光器和倍频腔原理样机集成研制,使得激光器和倍频腔的功率和频率被动稳定性也有了显著提升。利用级联PDH锁定技术和窄线宽超稳腔,成功将瓦级高功率1342nm激光线宽压窄到1kHz以下。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 超冷原子物理与激光技术
•   1.2 671nm激光在超冷原子实验中的需求
•     1.2.1 671nm激光与锂原子实验
•     1.2.2 671nm激光与光学超晶格
•     1.2.3 671nm激光的其他应用需求
•     1.2.4 671nm激光的需求总结
•   1.3 671nm激光的发展与现状
•     1.3.1 高功率单频671nm激光发展与现状
•     1.3.2 全固态671nm激光的研究进展
•     1.3.3 高功率单频671nm激光系统技术路线
•   1.4 论文结构
• 第2章 高功率全固态单频可调谐1342nm激光研究
•   2.1 全固态激光器中激光晶体的热效应研究
•     2.1.1 晶体热效应的产生机理
•     2.1.2 晶体热效应的影响
•     2.1.3 晶体热效应的应对方法
•     2.1.4 晶体热效应的测量方法
•   2.2 全固态激光器中单频和可调谐技术研究
•     2.2.1 激光谐振腔基本理论
•     2.2.2 选模技术与单频激光的产生
•     2.2.3 频率可调谐技术
•   2.3 高功率单频可调谐全固态1342nm激光器的设计
•     2.3.1 晶体与泵浦的选择
•     2.3.2 多段晶体的设计与热效应的测量
•     2.3.3 热补偿谐振腔设计
•     2.3.4 输出功率的优化设计
•     2.3.5 法拉第旋转器的设计
•     2.3.6 标准具设计
•   2.4 高功率单频可调谐全固态1342nm激光器实验研究
•     2.4.1 高功率单频可调谐全固态1342nm激光器实验装置
•     2.4.2 全固态激光装置的搭建
•     2.4.3 高功率单频可调谐全固态1342nm激光器实验结果
• 第3章 高效率产生高功率671nm激光技术研究
•   3.1 激光倍频技术的基本理论
•     3.1.1 二次谐波的产生
•     3.1.2 相位匹配与准相位匹配
•   3.2 高功率倍频中PPKTP晶体的热效应研究
•     3.2.1 热效应产生的机理
•     3.2.2 热效应的主要影响
•   3.3 高效率倍频腔的设计
•     3.3.1 倍频腔的选择
•     3.3.2 晶体与聚焦参数
•     3.3.3 模式匹配
•     3.3.4 阻抗匹配
•   3.4 高功率671nm倍频实验研究
•     3.4.1 高功率671nm倍频实验装置
•     3.4.2 晶体热效应与匹配情况测量
•     3.4.3 倍频结果的测量
•     3.4.4 倍频结果的不确定度分析
•     3.4.5 其他倍频方案的倍频结果
• 第4章 激光稳定性与线宽压窄技术研究
•   4.1 激光的稳定性
•     4.1.1 激光器功率和频率特性
•     4.1.2 全固态激光器的频率特性
•   4.2 激光的线宽压窄技术研究
•     4.2.1 激光的稳定技术
•     4.2.2 全固态激光器的线宽压窄
•     4.2.3 激光稳光强技术原理
•     4.2.4 激光稳频技术原理
•   4.3 激光系统被动稳定性提升的设计和测试
•     4.3.1 稳定性问题与设计现状
•     4.3.2 激光器原理样机设计
•     4.3.3 激光器稳定性测试
•     4.3.4 倍频腔的一体化设计
•   4.4 激光系统的主动稳定系统设计和测试
•     4.4.1 PID电路板的设计与制作
•     4.4.2 671nm倍频腔的稳定
•     4.4.3 1342nm激光器的稳频系统
•     4.4.4 1342nm激光线宽的测量
• 第5章 总结
•   5.1 研究总结
•   5.2 未来展望
• 参考文献
• 附录A 激光器原理样机主要部分结构设计图
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔星洋

导师: 陈宇翱,江晓,沈奇

关键词: 高功率全固态激光,晶体热效应,单频可调谐激光,外腔倍频,激光稳频

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN24

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000222

总页数: 153

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