實(shí)驗(yàn)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(shè)備：電壓放大器、光電探測器、PZT等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　圖1：雙波長外腔共振和頻的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)938nm和1583nm兩激光和頻從而產(chǎn)生589nm鈉黃光的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)的難度。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行溫度控制。由于PPLN晶體采用了Ⅰ類相位匹配進(jìn)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(shí)現(xiàn)。晶體和蝶形環(huán)形腔的實(shí)物如圖2所示。

　　圖2：實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行設(shè)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(shí)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(jìn)行設(shè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了三者之間的相位關(guān)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量與分析。

　　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)到優(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(dāng)溫度為112.5℃時，晶體的和頻轉(zhuǎn)化效率大，此時獲得的最高和頻光功率為204.3mW。由此可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果低于理論計(jì)算結(jié)果。這個差異可能主要是由于實(shí)驗(yàn)中的模式匹配造成的。

　　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(shí)線：理論模擬結(jié)果；點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)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(shí)線：理論模擬結(jié)果；點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)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(shí)線：理論模擬結(jié)果；點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了與理論結(jié)果進(jìn)行對比，在晶體溫度為112.5℃時，將938nm和1583nm激光進(jìn)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(jìn)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(shí)線為理論模擬的結(jié)果，點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果中589nm和頻光功率都在增加，當(dāng)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(jìn)入腔內(nèi)的938nm基頻光其和頻轉(zhuǎn)化效率為61.1%。實(shí)驗(yàn)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(shí)線為理論模擬的結(jié)果，點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)線為理論模擬的結(jié)果，點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)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(yīng)增大，但是當(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模擬結(jié)果也符合的非常好。

　　電壓放大器推薦：ATA-2161

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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