兩種透射率入射腔鏡對894.6nm倍頻腔轉(zhuǎn)換效率的比較

張 巖,蔚 娟,張俊香

(1.西安工業(yè)大學 光電工程學院, 西安 710021；2.浙江大學 物理系 光學研究所, 杭州 310027)

引 言

在很多需要用到非經(jīng)典光場的實驗研究中，廣泛采用外腔倍頻過程制備抽運源，進而利用抽運源進行參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生所需非經(jīng)典光場[1-4]。在與堿金屬原子相關的量子光學實驗中，特別是對于銣原子和銫原子，其相應吸收線的非經(jīng)典光有著重要的應用，如超精密測量[5-6]、量子網(wǎng)絡[7]、光譜的測量[8]、光和原子相互作用[9]等。在量子存儲的實驗研究中，APPEL等人[10]將鈦寶石激光器輸出的795nm紅外光進行外腔倍頻，產(chǎn)生功率為40mW的397.5nm紫光，利用紫光抽運光學參量放大器制備非經(jīng)典光，并與另一束半導體激光在銣原子氣室中通過電磁誘導透明效應實現(xiàn)將1.86dB壓縮真空光存儲1μs。因此,利用外腔倍頻過程產(chǎn)生抽運源對制備堿金屬原子吸收線的非經(jīng)典光場具有重要意義，國內(nèi)外已有不少團隊開展了相關研究。而根據(jù)參考文獻[11]～參考文獻[13]，倍頻腔入射腔鏡的透射率是影響轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)之一。在銣原子D1線，HAN等人[14]利用由透射率為11.7%的入射腔鏡構(gòu)成的四鏡環(huán)形倍頻腔對795nm紅外光進行外腔倍頻，獲得130mW的397.5nm紫光，對應的轉(zhuǎn)換效率為31%。WEN等人[15]分別采用入射腔鏡透射率為5.6%的半整體腔和透射率為7.4%的環(huán)形腔進行外腔倍頻，獲得47mW(轉(zhuǎn)換效率41%)和35mW(轉(zhuǎn)換效率32%)的397.5nm紫光。ZHAI等人[16]利用入射腔鏡透射率為5%的環(huán)形腔進行外腔倍頻，獲得40mW紫光，倍頻效率為15.3%。在銫原子D2線，VILLA等人[17]對透射率為8%～12%的多種腔鏡倍頻效果進行比較，獲得藍光的最高功率為330mW，相應倍頻效率為55%。DENG等人[18]采用前表面透射率為8%的整體腔進行倍頻，獲得158mW藍光，轉(zhuǎn)換效率為45%。TIAN等人[19]采用入射腔鏡透射率為10%的環(huán)形腔倍頻，倍頻效率為67%，制備了210mW藍光。TIAN等人[13]利用透射率為12.5%的環(huán)形腔進行外腔倍頻，制備了428mW的藍光，轉(zhuǎn)換效率高達83.1%。

銫原子D1線的非經(jīng)典光由于其獨特優(yōu)勢[20]，在遠距離量子信息網(wǎng)絡的發(fā)展中有著重要的應用前景。南京大學LUO和LIAO等人[21-22]利用倍頻及和頻過程制備了447.3nm藍光，但是轉(zhuǎn)換效率只有10%左右。ZHDANOV等人[23]利用內(nèi)腔倍頻過程制備了功率達2.4W的447.3nm藍光，相應的倍頻效率為12.5%。在之前的工作中，作者還利用透射率為5%的入射腔鏡構(gòu)成的駐波倍頻腔對350mW半導體激光進行外腔倍頻，制備了功率為178mW的單頻447.3nm藍光[24]。利用該倍頻腔產(chǎn)生的藍光，作者又進一步進行了參量下轉(zhuǎn)換等工作[20]。然而，尚未專門開展采用不同透射率入射腔鏡對轉(zhuǎn)換效率及功率穩(wěn)定性影響的實驗研究，以獲得實驗室現(xiàn)有條件下的最佳抽運源。因此，本文作者利用波長對應于銫原子D1線的894.6nm半導體激光作為光源，以周期極化磷酸氧鈦鉀(periodically poled KTiOPO4，PPKTP) 晶體作為倍頻腔的非線性介質(zhì)，對采用兩種不同透射率入射腔鏡的駐波倍頻腔的轉(zhuǎn)換效率及功率穩(wěn)定性等參數(shù)進行了研究。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。圖中，TA為半導體錐形放大器(tapered amplifier)，OI為光隔離器(opitcal isolator),APP為變形棱鏡對(anamorphic prism pairs),LIA為鎖定放大器(lock-in amplifer),PM為功率計(power meter)。光源由一臺半導體激光器(Toptica Photonics,DL100)和半導體錐形放大器(Eagleyard Photonics,EYP-TPA-0915-01500-3006-CMT03-0000)構(gòu)成。半導體激光器輸出功率為28mW、線寬為1MHz的紅外光，將其作為種子光注入TA進行功率放大，激光器及TA后各用一個光學隔離器防止后續(xù)光路的反饋光。TA由脊型波導構(gòu)成的單模區(qū)和錐形增益區(qū)兩部分組成，其工作原理是由單模區(qū)進行選模從而提供單模低功率激光，該單模低功率激光通過錐形增益區(qū)在保證原有激射模式下實現(xiàn)對連續(xù)半導體激光的功率放大。

TA輸出激光的空間模式較差，如圖2a所示。因此實驗中先利用整形棱鏡組對激光整形，然后通過光纖對其進行模式清潔后注入倍頻腔，經(jīng)過模式清潔后獲得功率為350mW的基頻激光。光纖輸出激光光斑如圖2b所示，具有較好空間模式。倍頻腔以PPKTP晶體作為非線性介質(zhì)，倍頻腔的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)見參考文獻[24]，在其它參數(shù)相同的情況下，本文中設置了基頻光透射率分別為5%和10%的兩種入射腔鏡。倍頻腔結(jié)構(gòu)緊湊，整體固定在定制的鋁制光學小平臺上用來隔離周圍噪聲，提高了輸出藍光的穩(wěn)定性。實驗中利用內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)鎖定腔長使基頻光共振[25]，其核心裝置為一臺鎖相放大器(Stanford Research System，SR830)。圖2c為倍頻腔輸出藍光光斑?？梢钥闯銎渚哂蟹浅：玫目臻g模式，有利于下一步作為光學參量振蕩器的抽運源進行模式匹配。

Fig.1 Experimental setup

Fig.2 a—output beam from TA b—fundamental light after shaping c—blue laser by frequency doubling

2 結(jié)果與討論

利用偏振光譜穩(wěn)頻技術(shù)將激光器的頻率精準鎖定到銫原子D1線的F=4(62S1/2)→F′=3(62P1/2)超精細躍遷能級上[26]，以保證半導體激光器的穩(wěn)定輸出。在其它條件相同，入射腔鏡透射率分別為5%和10%時，逐漸增大注入基頻光功率，并調(diào)節(jié)鎖相放大器的參數(shù)及晶體的溫度，使得倍頻腔運轉(zhuǎn)在最佳工作狀態(tài)，輸出藍光功率變化情況如圖3所示。其中，實線為理論值，圖3a中的圓點和圖3b中的方塊分別為使用兩種透射率腔鏡時測得藍光實際功率。

Fig.3 Output power of blue light versus fundamental power under two di-fferent input couplers

倍頻所得藍光功率理論值的計算方法如下[11]：

(1)

從圖3可以看出，在注入基頻光功率較低時，實際獲得藍光功率與理論值基本相同。然而隨著基頻光功率的增加，晶體對藍光和基頻光的吸收變強，導致輸出藍光功率越來越低于理論值。在注入基頻光功率最大為350mW時，采用透射率T為5%和10%時的入射腔鏡分別獲得178mW(轉(zhuǎn)換效率50.8%)和131mW(轉(zhuǎn)換效率37.4%)藍光。理論上，在注入基頻光功率最大時，利用兩種透射率腔鏡倍頻所得的藍光功率應該基本相等，而實際產(chǎn)生的藍光功率卻相差了47mW，轉(zhuǎn)換效率相差13.4%。這種情況的出現(xiàn)，一方面是由于入射腔鏡的透射率為5%時更接近最佳透射率[14]，另一方面可能是透射率為10%的腔鏡的鍍膜不夠理想，影響了倍頻效率。

圖4顯示了在最大注入光功率時，倍頻腔輸出藍光功率隨時間的起伏。采用透射率T為5%和10%時的倍頻腔,獲得藍光的0.5h功率起伏均方根(root mean square,RMS)分別為1.4%和0.7%，具有較好的功率穩(wěn)定性。輸出藍光功率下降主要是由于在較高功率密度的藍光照射下，PPKTP晶體會被損傷，導致晶體的損耗隨著時間的增加而變大，但是這種損傷大部分是可逆的，通常幾個小時即可自行恢復[27]。

Fig.4 Blue light power stability in 0.5h

3 結(jié) 論

利用以PPKTP 晶體作為非線性介質(zhì)的駐波倍頻腔對銫原子D1線半導體激光進行外腔倍頻。在注入350mW 基頻光、入射腔鏡透射率為5% 時，倍頻效率為50.8%，制備了178mW 波長為447.3nm 的藍光，相較于采用透射率為10% 入射腔鏡的倍頻腔(轉(zhuǎn)換效率37.4%) ,獲得功率為131mW的藍光，其0.5h功率起伏為0.7%，具有明顯優(yōu)勢。該研究為優(yōu)化非經(jīng)典光場所需高質(zhì)量抽運源打好了基礎。