利用周期極化KTP晶體外腔倍頻銫原子D2線激光.pdf

1、原子與光場(chǎng)之間相互作用的研究是量子光學(xué)和原子物理中至關(guān)重要的問題，也是量子信息科學(xué)的重要研究課題。非經(jīng)典光場(chǎng)作為一種重要的量子資源，在光和原子相互作用的研究中扮演著非常重要的角色。理論上已經(jīng)有許多關(guān)于非經(jīng)典光的研究，比如:非經(jīng)典光譜，非經(jīng)典激發(fā)，原子與非經(jīng)典光的作用。實(shí)驗(yàn)上也有很多這部分的工作。實(shí)驗(yàn)上制備出原子躍遷線附近的非經(jīng)典光場(chǎng)是開展這方面研究的重要前提。目前，國(guó)內(nèi)外有一些利用鈮酸鉀(KNbO3)或者周期極化的磷酸氧鈦鉀(PPKTP

2、)產(chǎn)生銣原子線或者銫原子線壓縮光的報(bào)道。該方案是通過光學(xué)參量振蕩(OPO)的方法產(chǎn)生正交位相壓縮態(tài)。這個(gè)過程中首先需要制備一束原子線頻率的倍頻光去泵浦OPO。本實(shí)驗(yàn)主要是利用周期極化的KTiOPO4(PPKTP)產(chǎn)生銫原子D2線(852.356nm)的倍頻藍(lán)光。該連續(xù)藍(lán)光(426.178nm)除了可以運(yùn)用到下一步的光與原子相互作用的實(shí)驗(yàn)中，在光學(xué)存儲(chǔ)、激光光譜、激光印刷術(shù)、材料科學(xué)等很多領(lǐng)域也有著非常重要的應(yīng)用?；诖?，對(duì)藍(lán)光激光源的研

3、究有著非常重要的意義。
　　本文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)從理論上簡(jiǎn)要介紹非線性相互作用的基本方程—耦合波方程以及二次諧波的理論。討論了影響二次諧波效果的一個(gè)重要因素—位相匹配。隨后介紹了常見的兩種位相匹配技術(shù)—角度匹配與溫度匹配，主要講述了與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一種新型的位相匹配技術(shù)—準(zhǔn)位相匹配技術(shù)，并且比較了這三種位相匹配技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(2)倍頻腔的腔型結(jié)構(gòu)。首先是當(dāng)倍頻腔采用環(huán)型結(jié)構(gòu)時(shí)，腔鏡的參數(shù)以及腔長(zhǎng)、腰

4、斑大小等問題。實(shí)驗(yàn)中我們的腔長(zhǎng)為516mm;兩凹面鏡間的距離為58mm;兩凹面鏡間的腰斑取為20μm。為了提高倍頻轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)主要從模式匹配，光學(xué)阻抗匹配這兩個(gè)方面對(duì)倍頻腔進(jìn)行了優(yōu)化，并且測(cè)量出了晶體的非線性轉(zhuǎn)換系數(shù)ENL為1.4％W-1，內(nèi)腔額外損耗Lloss為2.65％。經(jīng)過綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選用焦距為80mm的透鏡進(jìn)行模式匹配，透射率為7.6％@852nm的鏡片作為輸入耦合鏡。根據(jù)已有的參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論上的預(yù)測(cè)。
　　

5、(3)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。起初我們的實(shí)驗(yàn)采用四鏡環(huán)型腔作為倍頻腔，以非線性晶體PPKTP為倍頻晶體，半導(dǎo)體激光器(SDL-TC40)為泵浦源。SDL-TC40出射波長(zhǎng)位于銫原子D2躍遷線(852.356nm)，能夠提供的最大泵浦功率為140mW。當(dāng)基頻光852.356nm的泵浦功率為136.4mW時(shí)，實(shí)驗(yàn)上獲得了54.4mW的倍頻藍(lán)光，倍頻轉(zhuǎn)換效率為40％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合的很好。實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)調(diào)節(jié)控溫儀，測(cè)得非線性晶體(

6、PPKTP)的最佳匹配溫度為318.3K。實(shí)驗(yàn)獲得的單頻連續(xù)藍(lán)光(426.178nm)除了可以應(yīng)用到原子物理和量子光學(xué)等方面，通過光學(xué)參量振蕩(OPO)過程也可以獲得運(yùn)轉(zhuǎn)于銫原子D2躍遷線的量子態(tài)光場(chǎng)。
　　(4)討論了采用駐波腔作為倍頻腔的可行性。在上述實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)由于環(huán)型腔具有四個(gè)鏡子，機(jī)械穩(wěn)定性不好，倍頻腔腔長(zhǎng)的鎖定效果不好，所以后來我們采用駐波腔作為倍頻腔，用鈦寶石激光器作為泵浦源，因?yàn)橄鄬?duì)半導(dǎo)體激光器來說鈦寶石激光器能