利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

光纤布拉格光栅长外腔反馈半导体激光器特性研究

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。本文采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低外界环境温度起伏和气流扰动的影响,对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039℃降低到0.003℃。此外,测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但仍然可以观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,分析认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。通过调整光纤光栅的反馈功率在0~1 mW范围内改变,观察到当反射功率为0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄的11.5 kHz,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声降低约20 dB。

基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制,可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应,是量子通信和相干通信系统中的重要器件.本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器,芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作,器件整体尺寸为5.20 mm×0.12 mm×0.80 mm,整体损耗为5.7 dB,最大功耗为0.2W.基于可变步长.模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件,动态偏振消光比可锁定至30 dB以上.芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制,整体为0°/45°/0°/45°结构,可实现无端偏振控制.基于Lumerical软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化,该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场,而原单波导中TE0模式光场不发生转化,实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上.该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点,可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域,特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.

结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统

光场噪声的有效抑制是开展精密测量研究的基础,特别是现代量子信息科学对光场噪声提出了散粒噪声极限的要求。本工作研究了一种结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统,在边带模型和郎之万方程的基础上,分析了噪声抑制系统输出光场的噪声谱,讨论了光电负反馈回路的透射率、反馈增益以及光学模式清洁器的腔线宽对噪声抑制水平的影响。结果表明,该系统不仅可以有效抑制高频的强度噪声,使其达到散粒噪声极限,而且能够减小特定频率处的强度噪声。此外,引入带通滤波器能进一步扩展噪声抑制的水平和带宽。研究结果为实验研究提供了直接参考和必要基础。

基于相干反馈的相敏放大器强度差压缩增强研究

基于原子四波混频的光参量放大器是实现强度差压缩态光场的最有效手段之一.然而,受限于原子蒸气对光场的吸收损耗,其输出的压缩度仍有待提升.光参量放大器输出的非经典光场部分反馈回输入端口,可实现其输出光场量子特性的增强.本文对相干反馈的相敏放大器开展理论分析,研究了其输出光场的强度差压缩与反馈强度、强度增益和损耗的依赖关系.研究结果表明,在无损耗的理想情况下,通过调控反馈强度和位相可实现无穷大的压缩输出.在考虑实际的实验参数条件下,此方案也可在一定的反馈强度范围内和特定的位相条件下,实现显著的压缩增强.本研究结果可为实验实现高质量非经典光场提供有益的参考.

LD泵浦环形单频Nd∶YVO_4激光器的频率调谐特性研究

利用激光谐振腔内标准具的选模调谐特性和激光晶体自身的标准具作用 ,通过调节插入标准具和激光晶体的倾斜度及微调谐振腔长度 ,在 L D泵浦 Nd∶ YVO4 单频激光器上实现了精确调谐 ,最大可调谐范围约 1 0 0

用于精密测量的低噪声激光器研究进展(特邀)

激光精密测量的测量精度主要受限于光场噪声和各种技术噪声,在去耦合技术噪声后,光场量子噪声成为限制其测量精度的主要因素。文中针对全固态单频激光器强度噪声特性,阐述强度噪声的主要来源及其对功率噪声谱的影响,回顾了传统直流反馈控制、光学交流耦合反馈控制和量子压缩器三种强度噪声抑制技术。通过回顾相关技术的发展历程,总结了强度噪声抑制技术的当前发展水平和未来发展趋势——三种技术相结合的抑噪方案是解决高灵敏度探测的重要途径。

量子光学实验中宽带低噪声光电探测器的研制

针对量子光学实验的特殊要求,通过设计优化宽带低噪声放大电路,研制出宽带低噪声光电探测器。我们重点分析了影响光电探测器增益、带宽和噪声的因素,通过选择合适的光电二极管、取样电阻、反馈电阻和输出电容,获得了宽带低噪声光电探测器。该光电探测器的带宽为2~50 MHz,能够用于输入功率达15 mW光场的噪声测量,适用于包括平衡零拍探测、差拍探测等量子光学实验。考虑到在量子光学实验中需要一对平衡的光电探测器,我们制作了一对2 MHz^31 MHz带宽内共模抑制比大于30 dB的平衡光电探测器,并用于1064 nm激光和1550 nm激光的强度噪声测量和散粒噪声基准的校准。

光栅外腔半导体激光器GHz射频调制特性研究

研究了光栅外腔半导体激光器(ECDL)对射频频率调制的响应特性,分析了射频频率调制时光栅外腔对半导体激光器的边带信号的影响。实验中测量了GHz射频频率调制的ECDL输出的边带信号随射频信号功率、注入电流、光栅外腔长度的变化情况。证实了当射频调制频率等于光栅外腔自由光谱区的整数倍时,ECDL输出的边带信号可在一定程度上得到增强。

冷原子系综中光存储效率与耦合光强的关系研究

我们在87Rb冷原子团中利用电磁感应透明(EIT)动力学过程实现了光学信号的存储与释放,研究了光存储效率与耦合光强的关系。实验结果表明,在较低的耦合光强下,存储效率随耦合光强增大而增大,当耦合光达到一定强度时,存储效率不再增高,然后随着耦合光强增大而降低。通过分析光脉冲在冷原子团中传播时的吸收和色散特性,我们对存储效率随耦合光强的变化趋势给出了定性解释。

连续变量纠缠态光场在光纤中传输特性的实验研究

连续变量纠缠态由于其确定性产生、高效率的特点而被广泛应用于连续变量量子信息处理.在量子信息处理过程中纠缠态与量子信道发生相互作用而退相干,这是限制长距离量子信息发展的重要因素之一.光纤信道作为理想的量子信道,是目前连续变量量子信息研究关注的热点.本文利用Ⅱ类匹配的楔角极化磷酸氧钛钾晶体构成了三共振的非简并光学参量放大器,获得了8.3 dB的光通信波段1.5μm连续变量纠缠态光场.将产生的纠缠态光场注入单模光纤,其量子特性在传输距离达50 km后仍得到保持,纠缠度为0.21dB.该研究可为基于光纤的长距离连续变量量子信息研究提供有效的依据.

高效外腔倍频产生426 nm激光的实验研究

利用与铯原子吸收线对应的852 nm半导体激光作为基频光,泵浦基于周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体的环形腔,进行高效外腔谐振倍频并产生426 nm激光.在理论分析小角度环形腔内的热透镜效应基础上,发现晶体中等效热透镜中心位置并非在晶体的几何中心.在理论分析的基础上,实验上通过精密平移台精细调节PPKTP晶体在腔内位置,使得等效热透镜中心位置与谐振腔的腰斑位置重合,进而减小晶体热透镜效应导致的模式失配对倍频效率的影响.在泵浦功率为515 mW时产生了428 mW的426 nm激光输出,对应的倍频转换效率为83.1%.此高效倍频过程为制备与铯原子吸收线相匹配的非经典光场提供有效泵浦光,为推动量子非经典光场的应用以及量子信息科学的发展奠定基础.

LD泵浦Nd: YAG激光器的强度噪声特性研究

本文在理论上研究了ＬＤ泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器的强度噪声特性，用传递函数的形式给出各种噪声源对激光器强度噪声的影响，计算结果指出Ｎｄ：ＹＡＧ激光器输出的激光并非相干态光场，在几兆频率上存在高于散粒噪声基准几十ｄＢ的驰豫振荡噪声，在小于驰豫振荡频率范围，激光器的强度噪声基本上处于泵浦噪声水平。

谐振型电光相位调制及光电探测功能器件的研发及应用

针对极微弱信号提取及探测需求,研发高调制深度、低功耗、低半波电压的谐振型电光相位调制(RPM)以及微瓦级、高信噪比谐振型光电探测(RPD)功能器件.基于单端楔角铌酸锂晶体、低噪声光电二极管及低损高Q电子元件组成谐振电路,利用谐振增强原理实现低功耗、高调制深度电光调制及高增益光电探测等;所研发的RPM在最佳调制频点为10.00 MHz时,带宽为225 kHz,Q值为44.4,调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为8 V;RPM在最佳调制频点为20.00 MHz时,带宽为460 kHz,Q值为43.5,调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为13 V;将自研的RPD最佳探测频点调节为20.00 MHz,带宽为1 MHz,Q值为20,增益为80 dB@100μW;利用自研RPM和RPD组成极微弱信号提取链路,在500 mV峰值电压驱动RPM下(调制深度约为0.055),可实现直接输出误差信号信噪比为5.088@10μW,34.933@50μW以及58.7@100μW.极微弱信号提取链路经过比例积分微分参数优化提升整个反馈控制环路性能及稳定性,为制备高稳定量子光源及超稳激光等领域提供关键器件及技术途径.

小型真空压缩光产生装置的实验研究

压缩态光场是一类重要的非经典光场,是产生量子纠缠和进行量子通信的基础,在量子光学研究中具有十分重要的应用价值。本实验通过使用稳定的光学元件和合理的光路系统,简化系统复杂性,使压缩光装置整体结构紧凑、调节方便、稳定度高和可靠性好,通过上述方法,我们利用周期性极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体获得了稳定的2 dB压缩和8 dB反向压缩的真空压缩光场。本装置的目的在于提供一种稳定的真空压缩光场产生装置。

弱脉冲光时域平衡零拍测量的实验研究

设计了一套可以用来测量弱脉冲光时域噪声信息的平衡零拍探测系统,通过对本底光散粒噪声基准的测量分析了该系统的各项性能指标,并且对弱相干光脉冲进行了正交位相振幅分量的噪声测量。

多能级原子中EIT及其色散效应的研究

研究了多能级原子中电磁感应透明（EIT）及其色散效应导致的一些新现象。我们提出并实验证明了一种利用EIT系统的不对称，实现探针光偏振方向可控旋转的方案。通过选择合适的耦合光偏振态及跃迁能级，导致介质对线偏振探针光的右旋和左旋两个圆偏振分量色散对称性被破坏，从而实现探针光偏振面的可控旋转。实验中，用15mW的耦合光使探针光偏振面旋转45°。在考虑不同Zeeman能级间的跃迁强度及多普勒效应的情况下，给出的理论计算结果与实验结果很好的符合。另外，我们在一个由冷原子构成的特殊三能级系统中，利用一束耦合光，实验观NNT多暗态现象。这种多暗态效应是由于耦合光与不同Zeeman能级的耦合强度不同所致。给出的理论计算结果与实验结果很好的符合。

利用明亮纠缠光的连续变量量子离物传态的实验研究

我们利用单个II类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态 ,完成了连续变量量子离物传态。利用II类相位匹配OPA参量缩小过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的压缩纠缠态 ,与运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的压缩纠缠态相比 ,这种纠缠可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量。利用双KTP补偿非线性过程的离散效应 ,获得了最大压缩大于 2dB的双模压缩纠缠态 ,采用直接测量的方法 ,我们完成了真空场正交分量的离物传送。探测器探测效率 93% ,保真度达到 0 .5 9。采用这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置 ,有利于进行量子通信的实验研究与应用。