張 巖,蔚 娟,張俊香

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

引 言

在很多需要用到非經(jīng)典光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究中，廣泛采用外腔倍頻過程制備抽運(yùn)源，進(jìn)而利用抽運(yùn)源進(jìn)行參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生所需非經(jīng)典光場(chǎng)[1-4]。在與堿金屬原子相關(guān)的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，特別是對(duì)于銣原子和銫原子，其相應(yīng)吸收線的非經(jīng)典光有著重要的應(yīng)用，如超精密測(cè)量[5-6]、量子網(wǎng)絡(luò)[7]、光譜的測(cè)量[8]、光和原子相互作用[9]等。在量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究中，APPEL等人[10]將鈦寶石激光器輸出的795nm紅外光進(jìn)行外腔倍頻，產(chǎn)生功率為40mW的397.5nm紫光，利用紫光抽運(yùn)光學(xué)參量放大器制備非經(jīng)典光，并與另一束半導(dǎo)體激光在銣原子氣室中通過電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)實(shí)現(xiàn)將1.86dB壓縮真空光存儲(chǔ)1μs。因此,利用外腔倍頻過程產(chǎn)生抽運(yùn)源對(duì)制備堿金屬原子吸收線的非經(jīng)典光場(chǎng)具有重要意義，國(guó)內(nèi)外已有不少團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究。而根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]～參考文獻(xiàn)[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(duì)795nm紅外光進(jìn)行外腔倍頻，獲得130mW的397.5nm紫光，對(duì)應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(duì)透射率為8%～12%的多種腔鏡倍頻效果進(jìn)行比較，獲得藍(lán)光的最高功率為330mW，相應(yīng)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(jìn)行倍頻，獲得158mW藍(lán)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(lán)光。TIAN等人[13]利用透射率為12.5%的環(huán)形腔進(jìn)行外腔倍頻，制備了428mW的藍(lán)光，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)83.1%。

銫原子D1線的非經(jīng)典光由于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[20]，在遠(yuǎn)距離量子信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。南京大學(xué)LUO和LIAO等人[21-22]利用倍頻及和頻過程制備了447.3nm藍(lán)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(dá)2.4W的447.3nm藍(lán)光，相應(yīng)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(duì)350mW半導(dǎo)體激光進(jìn)行外腔倍頻，制備了功率為178mW的單頻447.3nm藍(lán)光[24]。利用該倍頻腔產(chǎn)生的藍(lán)光，作者又進(jìn)一步進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)換效率及功率穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究，以獲得實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下的最佳抽運(yùn)源。因此，本文作者利用波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于銫原子D1線的894.6nm半導(dǎo)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(duì)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(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖中，TA為半導(dǎo)體錐形放大器(tapered amplifier)，OI為光隔離器(opitcal isolator),APP為變形棱鏡對(duì)(anamorphic prism pairs),LIA為鎖定放大器(lock-in amplifer),PM為功率計(jì)(power meter)。光源由一臺(tái)半導(dǎo)體激光器(Toptica Photonics,DL100)和半導(dǎo)體錐形放大器(Eagleyard Photonics,EYP-TPA-0915-01500-3006-CMT03-0000)構(gòu)成。半導(dǎo)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(jìn)行功率放大，激光器及TA后各用一個(gè)光學(xué)隔離器防止后續(xù)光路的反饋光。TA由脊型波導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中先利用整形棱鏡組對(duì)激光整形，然后通過光纖對(duì)其進(jìn)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(xiàn)[24]，在其它參數(shù)相同的情況下，本文中設(shè)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(xué)小平臺(tái)上用來隔離周圍噪聲，提高了輸出藍(lán)光的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中利用內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)鎖定腔長(zhǎng)使基頻光共振[25]，其核心裝置為一臺(tái)鎖相放大器(Stanford Research System，SR830)。圖2c為倍頻腔輸出藍(lán)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(xué)參量振蕩器的抽運(yùn)源進(jìn)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(zhǔn)鎖定到銫原子D1線的F=4(62S1/2)→F′=3(62P1/2)超精細(xì)躍遷能級(jí)上[26]，以保證半導(dǎo)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(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)在最佳工作狀態(tài)，輸出藍(lán)光功率變化情況如圖3所示。其中，實(shí)線為理論值，圖3a中的圓點(diǎn)和圖3b中的方塊分別為使用兩種透射率腔鏡時(shí)測(cè)得藍(lán)光實(shí)際功率。

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

倍頻所得藍(lán)光功率理論值的計(jì)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(shí)，實(shí)際獲得藍(lán)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(duì)藍(lán)光和基頻光的吸收變強(qiáng)，導(dǎo)致輸出藍(lán)光功率越來越低于理論值。在注入基頻光功率最大為350mW時(shí)，采用透射率T為5%和10%時(shí)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(lán)光。理論上，在注入基頻光功率最大時(shí)，利用兩種透射率腔鏡倍頻所得的藍(lán)光功率應(yīng)該基本相等，而實(shí)際產(chǎn)生的藍(lán)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(shí)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(shí)，倍頻腔輸出藍(lán)光功率隨時(shí)間的起伏。采用透射率T為5%和10%時(shí)的倍頻腔,獲得藍(lán)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(lán)光功率下降主要是由于在較高功率密度的藍(lán)光照射下，PPKTP晶體會(huì)被損傷，導(dǎo)致晶體的損耗隨著時(shí)間的增加而變大，但是這種損傷大部分是可逆的，通常幾個(gè)小時(shí)即可自行恢復(fù)[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(duì)銫原子D1線半導(dǎo)體激光進(jìn)行外腔倍頻。在注入350mW 基頻光、入射腔鏡透射率為5% 時(shí)，倍頻效率為50.8%，制備了178mW 波長(zhǎng)為447.3nm 的藍(lán)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(lán)光，其0.5h功率起伏為0.7%，具有明顯優(yōu)勢(shì)。該研究為優(yōu)化非經(jīng)典光場(chǎng)所需高質(zhì)量抽運(yùn)源打好了基礎(chǔ)。