制約單頻激光器性能的關鍵問題

　　全固態連續波單頻激光器以其結構緊湊、噪聲低和光束質量好等優點被廣泛應用于科研、**、醫療、工業等領域。但是受到激光晶體自身熒光光譜的限制，激光的發射波長只能限制在特定的范圍內，不能滿足快速發展的科學研究需要。因此，亟需探索新的理論設計、技術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(OPO)可以彌補普通固體激光器發射波長受限的不足，有效拓展了激光的應用范圍。在量子通信中，為保證激光在光纖中可遠距離傳輸，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。尤其是在產生1.5 μm的量子壓縮糾纏光的實驗中，不僅需要高功率的單頻連續波1.5 μm激光作為多個光學參量放大器(OPA)的種子光以及探測時的本底光，還需要其倍頻光作為OPA的泵浦光。

　　目前在量子光源的產生過程中，1550 nm激光及其倍頻光通常是使用兩個分立的腔來實現的。但是，實驗中過多的諧振腔增大實驗裝置的體積以及腔模耦合的難度，不利于非經典光源的集成和小型化。基于此，山西大學光電研究所盧華東教授課題組研制出一種能同時輸出1.5 μm及其倍頻光的激光器，不僅能減少量子壓縮產生系統光路的復雜程度，也能提高產生的量子壓縮糾纏態的穩定性。

　　打破波長限制，實現NIR到MIR單頻多波長輸出

　　本團隊設計了結構緊湊的四鏡環形單共振光學參量振蕩器，利用周期極化晶體MgO:PPLN和PPKTP分別作為光學參量振蕩晶體和倍頻晶體，在實驗上實現了輸出功率大于瓦級的覆蓋近紅外到中紅外的單頻連續波775 nm、1550 nm和3393 nm 三波長激光輸出。

　　首先對光學參量晶體因吸收泵浦光(1064 nm)、信號光(1550 nm)、閑頻光(3393 nm)而產生的等效熱透鏡效應進行系統分析，如圖1所示。結果表明，在信號光單共振的諧振腔內，共振的信號光對光學參量振蕩晶體的熱透鏡效應貢獻最大。而閑頻光功率雖然較低，但晶體對中紅外的吸收作用較強，其所產生的熱透鏡也較為明顯，而1064 nm激光由于是單次穿過，其對晶體熱透鏡效應的貢獻相對是最小的。

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

　　在考慮光學參量振蕩晶體熱透鏡效應的基礎上，設計了如圖2所示的四鏡環形腔雙腰斑單共振光學參量振蕩器。環形腔由兩個曲率半徑為60 mm(M1和M2)和兩個曲率半徑為40 mm(M3和M4)的凹面鏡構成。其中，信號光在光學參量振蕩晶體MgO:PPLN處的腰斑為70 μm，滿足光學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，滿足倍頻過程的實驗需求。與傳統的六鏡環形腔相比，團隊設計的四鏡環形腔結構不僅有效縮短了諧振腔的長度，使諧振腔結構更加緊湊穩定，還進一步減小了腔內兩腰斑的大小，提高了非線性晶體的轉化效率。

　　圖2 實驗光路圖

　　在實驗中，當光學參量振蕩器注入21 W 的單頻1064 nm泵浦光時，實現了輸出功率分別為2.1 W、1.7 W和1.1 W的1550 nm、3393 nm、775 nm三波長激光輸出，光光轉化效率為23.3%。其中1550 nm和775 nm激光的光束質量因子M2分別小于1.05和1.13.如圖3所示。實驗中獲得的三種波長激光的功率穩定性測試結果如圖4所示，結果顯示在5 h內三波長功率穩定性(RMS)分別為2.5%、0.8%、1.6%。

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

　　圖4 信號光、閑頻光和倍頻光5 h內的功率穩定性

　　結論與展望

　　團隊設計了結構緊湊的四鏡環形單共振光學參量振蕩器，該結構不僅滿足了光學參量振蕩過程的要求，還可以實現高效穩定的腔內倍頻。在諧振腔的兩個腰斑處分別放置光學參量振蕩晶體MgO:PPLN 和倍頻晶體PPKTP，實現了從近紅外到中紅外的倍頻光、信號光和閑頻光三波長高功率單頻連續波激光輸出。將本研究實現的三波長單頻連續波激光器應用于量子光學以及量子技術的研究中，尤其是將同時產生的1550 nm激光及其倍頻光用于產生高穩定高壓縮度的1550 nm壓縮態光場，為進一步制備多組分糾纏態光場奠定基礎。

參考文獻： 中國光學期刊網

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