基于光學參量振蕩器的可調諧紅外激光的強度噪聲特性*

聶丹丹 馮晉霞2)? 戚蒙 李淵驥2) 張寬收2)

1) (山西大學光電研究所, 量子光學與光量子器件國家重點實驗室, 太原 030006)

2) (極端光學協同創新中心, 山西大學, 太原 030006)

紅外激光光源在微量氣體、高分辨率光譜分析和量子光學研究等領域具有重要的應用.本文利用鎖定單共振光學參量振蕩器內腔標準具的方案獲得了無跳模連續調諧的紅外激光輸出, 理論和實驗研究了紅外激光的強度噪聲特性, 分析了影響強度噪聲的因素.通過控制非線性晶體的溫度和標準具調制信號實現了對紅外激光強度噪聲的抑制.當控制非線性晶體工作溫度為60 ℃, 內腔標準具調制信號為8 kHz時, 單共振光學參量振蕩器輸出信號光和閑置光的強度噪聲分別降低了11和8 dB.

1 引 言

連續波可調諧紅外激光光源在實時微量氣體檢測與分析、高分辨率光譜分析、大氣監測和量子光學研究等領域具有重要的應用[1?4].在上述應用中, 紅外激光光源要保證高功率、無跳模連續調諧、單頻穩定運轉的特性, 特別是在量子光學的實驗研究中, 還要求紅外激光光源的強度噪聲盡可能接近散粒噪聲基準 (shot noise level, SNL)[5?7].紅外激光光源的額外噪聲是限制制備的量子光源量子特性提高的重要因素之一[8,9], 因而對其噪聲特性的研究非常有必要.

利用單共振光學參量振蕩器(singly resonant optical parametric oscillator, SRO)可獲得高功率連續波可調諧紅外激光[10?12].通過在SRO腔內插入標準具, 可實現輸出紅外激光的無跳模運轉[13].1996年, Bosenberg等[13]采用在環形腔結構SRO腔內插入標準具的方法, 分別獲得了1.6和3.55 W可調諧信號光 (波長調諧范圍: 1.45—1.60 μm)和閑置光 (波長調諧范圍: 3.95 —3.25 μm)紅外激光輸出, 但波長并不能實現連續調諧.通過將共振光鎖定到參考腔, 將抽運調諧與溫度調諧相結合等方案可實現無跳模連續可調諧[14?16].2010年, Vainio等[14]利用體布拉格光柵作為SRO腔的輸出耦合鏡, 通過控制光柵的溫度和調諧抽運光波長實現了無跳模調諧40 GHz的閑置光輸出[14].2011年,Andrieux等[15]將SRO腔的輸出信號光鎖定在共焦法布里-珀羅干涉儀的共振頻率上, 并通過抽運光調諧實現了無跳模調諧500 GHz的閑置光輸出[15].2012年, Hong 等[16]利用光纖激光器抽運的SRO, 通過在SRO腔內插入兩片未鍍膜的熔融石英標準具來確保SRO輸出信號光的波長不變,通過抽運光調諧和溫度調諧獲得了無跳模調諧900 GHz的閑置光輸出.而紅外激光更寬范圍的調諧受限于抽運光的調諧范圍, 也會出現跳模現象.對于輸出紅外激光噪聲特性的研究, 早在1998年,Turnbull等[17]在理論上計算得到了SRO腔內信號光光子壽命越長, 輸出信號光的功率起伏就越小的結論.2012年, Sabouri等[18]理論和實驗研究了SRO的抽運功率與輸出光功率起伏的關系, 實驗測量了閑置光場時域內功率起伏隨抽運功率的變化.文獻[15]將信號光鎖定在共焦法布里-珀羅干涉儀的共振頻率上并測量了輸出信號光的噪聲,在0—100 Hz的頻率范圍內噪聲得到一定的抑制.2014年, Mieth等[19]利用邊帶鎖頻技術鎖定SRO實現了0—100 Hz的頻率范圍內噪聲的抑制.

本文首先利用鎖定SRO內腔標準具的方案獲得了無跳模連續寬帶調諧的紅外激光輸出, 然后在理論和實驗上研究了紅外激光的強度噪聲特性, 分析了影響強度噪聲的因素, 最后通過控制非線性晶體的溫度和標準具調制信號實現了紅外激光強度噪聲的抑制, 優化了紅外激光光源的輸出性能, 為后續量子光學研究提供了優質光源.

2 理論分析

采用半經典理論研究SRO輸出紅外激光的強度噪聲特性[20,21], 理論模型如圖1所示.頻率為wp的抽運光單次穿過二階非線性晶體(本文采用摻氧化鎂的周期極化鈮酸鋰晶體, 簡記為MgO:PPLN), 經過頻率下轉換過程產生頻率為ws的信號光和wi的閑置光.信號光在SRO腔內共振, 閑置光單次穿過晶體后直接輸出.

圖1 SRO 的理論模型Fig.1.Theoretical model of SRO.

在平面波近似、小信號增益的條件下, SRO內腔場的運動方程如下[21]:

其中, αp, αs和 αi分別表示 SRO 腔內晶體中心處的抽運場、信號場和閑置場; αp,in為入射的抽運場,αs,in為信號光從輸出耦合鏡耦合處引入的真空場,βs,in為其他損耗引入的真空場; τ 為信號光在腔內循環一周的時間; γs為與輸出耦合鏡透射率有關的損耗,為信號光輸出耦合鏡的透射率;μs為與其他腔鏡的透射率以及晶體的吸收等有關的損耗, 定義內腔總損耗g = gs+ μs; χ 為二階非線性晶體的耦合系數.

為了研究輸出信號光和閑置光場的噪聲特性,采用算符線性化的方法將光場寫為其平均值與起伏之和定義為抽運參數,分別為輸入抽運光場的平均值以及SRO的抽運閾值.根據光場的平均值運動方程, 可求得由此可寫出信號光和閑置光內腔場的起伏方程如下:

定義光場的正交振幅和正交相位分量分別為

利用傅里葉變換將方程(2)變換到頻域空間以研究光場在分析頻率為w時的起伏特性, 取方程的復共軛并求和, 可得到內腔場信號光和閑置光的正交振幅分量為

根據輸入輸出場的關系:

其中, γi為與輸出耦合鏡的透射率有關的損耗,, ti為閑置光輸出耦合鏡的透射率.

將方程(4)代入方程(5), 可得到輸出信號光和閑置光的強度噪聲起伏為

其中, Sp(ω) 為抽運光的強度噪聲.由于輸入場pαs,in(ω), q αs,in(ω) , p βs,in(ω) 和 q βs,in(ω) 均 為 真 空 場 ,所以起伏均為1.

通過調節SRO腔內插入標準具的角度以及MgO:PPLN晶體的溫度可以優化輸出信號光場和閑置光場的強度噪聲起伏特性.MgO:PPLN晶體通光方向的長度為 lc, 折射率為nc.當調節晶體的溫度時, 根據經驗公式, 折射率會隨著晶體溫度的變化而發生變化[22], 光在晶體內走過的光程也發生了變化, 光程在 SRO 腔內插入標準具并鎖定后可獲得無跳模調諧的紅外激光輸出, 標準具厚度為 le, 折射率為 ne.在鎖定標準具的過程中, 加入調制幅度為A、調制頻率為W的正弦調制信號控制標準具的角度變化[23].和標準具相連接的電機旋轉所需電壓與標準具角度的對應關系為1 V/1°, 因此標準具的角度隨著加載在電機上的調制信號的變化即為AsinWt.標準具的角度發生變化后, 光在標準具內走過的光程發生了變化, 光程信號光在腔內循環一周的時間, l為不包含晶體和標準具的SRO空腔腔長.因此從方程(6)可以看出, 通過控制MgO:PPLN晶體的溫度、標準具的調制頻率W均可以實現SRO輸出信號光場和閑置光場強度噪聲的優化.

3 實驗裝置

利用SRO產生連續寬帶調諧紅外激光的實驗裝置如圖2所示.

圖2 利用光學參量振蕩器產生連續寬帶調諧紅外激光的實驗裝置Fig.2.Experimental setup for generation of broad band tunable infrared laser by singly resonant optical parametric oscillator.

抽運激光光源為自制的連續單頻Nd:YVO4激光器, 輸出波長為 1064 nm, 輸出功率為 30 W.輸出激光經過半波片(half-wave-plate, HWP)和光隔離器 (optical isolator, OI)以防止反射光影響激光器的運轉.HWP2控制抽運光進入SRO腔的偏振方向.L1為模式匹配透鏡.SRO腔設計為四鏡環形腔結構, 由兩個凹面鏡和兩個平面鏡組成.凹面鏡 M1和M2的曲率半徑均為100 mm,鍍有入射角度為8°時的抽運光和閑置光增透膜(T1.06 μm&3.3 μm> 95%)、信號光高反膜 (R1.5 μm>99.8%).平面鏡 M3 鍍有信號光高反膜 (R1.5 μm>99.8%).平面鏡 M4 鍍有信號光部分反射膜 (T1.5 μm為1.5%), 作為信號光的輸出耦合鏡.平面鏡M3背面粘有壓電陶瓷傳感器(piezoelectric transducer,PZT), 通過給PZT施加電壓來控制SRO的腔長.二階非線性晶體采用的是摻雜濃度為5%的MgO:PPLN 晶體, 其尺寸為 1 mm (T) × 10 mm (W) ×30 mm (L), 實驗中所用的極化周期為 30.6 μm,晶體的雙端端面均鍍有抽運光、信號光和閑置光減反膜 (R1.5 μm< 0.5%, R1.06 μm&3.3 μm< 2%).MgO:PPLN晶體被置于控溫爐中, 與控制精度為0.01 ℃的溫度控制儀相連接以實現晶體溫度的精確控制.

在SRO腔內插入并鎖定標準具實現了連續無跳模寬調諧的紅外激光輸出.標準具尺寸為2 mm(T) × 5 mm (W) × 1 mm (L), 材質為鈮酸鋰電光晶體.將標準具粘在振鏡電機(galvanometer scanner, GS)上, 通過在 GS 上加載電壓實現對標準具角度的控制.信號光通過輸出耦合鏡M4輸出, 再經過高反鏡M5反射后, 通過半波片和偏振分束器的大部分功率的光被反射進入功率計測量其功率, 一小部分光透射后輸入自零拍探測系統測量其強度噪聲, 自零拍探測系統由半波片、偏振分束器和兩個光電探測器(photo diode, PD)組成.進入PD1和PD2的光轉化為電流, 交流部分輸入加減法器進行和差, 并通過頻譜分析儀(spectrum analyzer, SA)對和、差光電流噪聲功率譜進行測量, 輸出光電流的和與差分別代表信號光的強度噪聲和相對應的SNL.鎖相放大器(lock-in amplifier,LA)輸出幅度為mV量級的正弦信號加載在GS上作為調制信號, PD1輸出光電流的直流部分進入LA進行解調后得到誤差信號.誤差信號通過比例積分微分控制器 (proportional integral differentiator, PID)后和調制信號以及一個直流偏置信號 (direct current, DC)經自制的加法器 (+)相加輸出后加載到GS上, 用于控制和鎖定標準具的入射角.PD2輸出光電流的直流部分進入LA進行解調后得到誤差信號, 經過PID和高壓放大器(high voltage, HV)加載到PZT上, 用于控制和鎖定SRO的腔長.

閑置光場通過平凹鏡M2輸出后, 經過雙色鏡M6將剩余抽運光反射, 閑置光透射.由于光學元件, 如半波片、偏振分束鏡等材料, 對閑置光波段3 μm附近有強的吸收, 所以很難制作, 因此采用光電探測器直接測量閑置光的強度噪聲.

4 實驗結果及分析

首先, 將內腔標準具鎖定到SRO的振蕩頻率上, 以實現無跳模連續寬調諧的紅外激光輸出.為了獲得高參量轉化效率, 設計SRO抽運光和信號光的聚焦因子均為1, 優化SRO光學腔長為562 mm, 腔內振蕩信號光的腰斑為 60 μm 時, 能確保高抽運功率下SRO能夠高效穩定輸出.實驗測量得到SRO的閾值功率為7.3 W.當抽運功率為22 W時, 輸出的信號光和閑置光的功率分別為 4.1 和 2.3 W, 光光轉化效率為 29%, 斜效率為42.6%.抽運消耗為61%.通過改變MgO:PPLN晶體的溫度從20 ℃到70 ℃, 信號光的波長調諧范圍為 1551.9—1568.6 nm, 閑置光的波長調諧范圍為3307.3—3384.3 nm, 信號光和閑置光的調諧范圍均可達到2063.7 GHz.

由于在研究SRO輸出紅外激光的強度噪聲特性時, 抽運激光的噪聲是一個重要參數, 所以實驗測量1064 nm抽運激光的強度噪聲, 結果如圖3所示.曲線(i)為SNL, 曲線(ii)為輸入SRO腔之前抽運激光的噪聲, 在分析頻率為7 MHz后達到SNL.曲線(iii)為單次穿過SRO腔之后抽運激光的噪聲, 在分析頻率為 7 MHz 后達到 SNL, 當分析頻率為 300 kHz—5 MHz 時, 強度噪聲得到了抑制, 這是由于SRO腔對抽運光的強度噪聲也有一定的過濾能力.

圖3 1064 nm 抽運激光的強度噪聲譜Fig.3.Intensity noise power spectra of pump light of SRO at 1064 nm.

然后, 理論和實驗研究了SRO輸出紅外激光的強度噪聲特性隨著非線性晶體溫度的變化趨勢(圖4).圖4中實線為理論計算的強度噪聲隨著晶體溫度的變化, 點為實驗數據.圖4(a)為輸出信號光的強度噪聲特性, 圖4(b)為輸出閑置光的強度噪聲特性.圖4中理論計算所采用的參數如下: 非線性晶體的長度為30 mm, SRO空腔的長度為546 mm, SRO 的抽運功率為 22 W, 抽運閾值為7.3 W, 信號光輸出耦合鏡透射率為 1.5%, 其余內腔損耗為0.5%, 所采用的抽運激光的強度噪聲為實驗測得的SRO腔前的抽運激光的強度噪聲數據, 即圖3中曲線(ii).理論計算和實驗數據基本吻合.由圖4(a)可以看出, 當晶體溫度從 20 ℃ 變化到60 ℃時, 信號光的強度噪聲逐漸降低.圖4(a)中不同的線表示不同分析頻率處的強度噪聲變化情況.在分析頻率為 300 kHz—1.5 MHz 的范圍內,信號光的強度噪聲隨晶體溫度變化明顯.當晶體溫度從 20 ℃ 升高至 60 ℃ 時, 在分析頻率為 300 kHz處, 信號光強度噪聲降低約 6 dB.由圖4(b)可以看出, 當晶體溫度從 20 ℃ 變化到 60 ℃ 時, 閑置光的強度噪聲也逐漸降低, 但其顯著變化的頻率范圍較小.圖4(b)中不同的線表示不同分析頻率處的強度噪聲變化情況.在分析頻率為300 kHz—800 kHz的范圍內, 閑置光的強度噪聲隨晶體溫度變化明顯.當晶體溫度從20 ℃升高至60 ℃時,在分析頻率為300 kHz處, 閑置光強度噪聲降低約5 dB.即使通過非線性晶體的溫度可以實現SRO輸出的信號光和閑置光強度噪聲的優化, 但其仍高于SNL.圖4中強度噪聲為歸一化處理的結果, 因此0點處即代表SNL.在調節溫度優化輸出紅外激光強度噪聲的過程中, 輸出激光的波長也會隨溫度發生變化.

圖4 SRO輸出光的歸一化強度噪聲譜隨著晶體溫度的變化 (a)信號光的歸一化強度噪聲功率譜; (b)閑置光的歸一化強度噪聲功率譜Fig.4.Normalized intensity noise power spectra of output light of SRO vs.temperature of the crystal: (a) Normalized intensity noise power spectra of the signal; (b) normalized intensity noise power spectra of the idler.

在優化非線性晶體溫度的基礎上, 通過優化標準具的調制信號頻率進一步降低輸出紅外激光的強度噪聲.圖5顯示了SRO輸出紅外激光的強度噪聲特性隨著標準具調制信號頻率的變化趨勢.圖5(a)和圖5(b)分別給出了理論計算和實驗測量的輸出信號光的強度噪聲特性, 圖5(c)和圖5(d)分別給出了理論計算和實驗測量的輸出閑置光的強度噪聲特性.圖5中理論計算所采用的參數與圖4中所采用的參數相同, 晶體溫度為60 ℃.由圖5可以看出, 當增大標準具的調制信號頻率時,信號光和閑置光的強度噪聲均會得到抑制, 但顯著下降的頻率范圍不同, 閑置光的范圍較小.圖5中不同的線表示隨著標準具調制信號的頻率變化SRO輸出強度的噪聲變化情況.由圖5(b)可以看出, 在分析頻率為 300 kHz—1.0 MHz 的范圍內,信號光的強度噪聲隨標準具的調制信號變化明顯.當分析頻率為 300 kHz, 標準具的調制信號從2 kHz 變化至 8 kHz時, 信號光強度噪聲降低約5 dB.由圖5(d)可以看出, 當標準具的調制信號從 2 kHz變化至 8 kHz時, 閑置光的強度噪聲也逐漸降低, 但其顯著變化的頻率范圍較小, 分析頻率范圍約為 300—700 kHz.當分析頻率為 300 kHz,標準具的調制信號從 2 kHz 變化至 8 kHz時, 閑置光強度噪聲降低約3 dB.圖5中強度噪聲為歸一化處理的結果, 0點處即代表SNL.當調制信號從 2 kHz 變化至 8 kHz 時, 標準具的角度隨之從0.17°變化至0.49°, 該實驗過程中未觀察到明顯的走離效應, SRO運轉穩定.

圖5 SRO輸出光的歸一化強度噪聲譜隨著標準具調制頻率的變化 (a), (b)信號光的歸一化強度噪聲功率譜的理論和實驗值;(c), (d)閑置光的歸一化強度噪聲功率譜的理論和實驗值Fig.5.Normalized intensity noise power spectra of output light of SRO vs.modulation frequency of the etalon: (a) and (b) Theoretical and experimental data of normalized intensity noise power spectra of the signal, respectively; (c) and (d) theoretical and experimental data of normalized intensity noise power spectra of the idler, respectively.

盡管通過控制SRO非線性晶體的溫度、標準具的調制頻率實現了其輸出紅外激光強度噪聲的抑制, 在分析頻率為 300 kHz處, 信號光的強度噪聲降低了11 dB, 閑置光的強度噪聲降低了8 dB,但其強度噪聲仍高于SNL.這可能是受到了SRO抽運光引入的額外噪聲的影響.為了實現紅外激光光源在量子光學實驗上的更好的應用, 需要進一步采用模式清潔器、光電反饋等技術以抑制其強度噪聲, 使之達到SNL.

5 結 論

利用鎖定SRO內腔標準具的方案實現了無跳模連續寬調諧的紅外激光輸出, 信號光和閑置光的調諧范圍均可達到2063.7 GHz.信號光的波長調諧范圍為 1551.9—1568.6 nm, 閑置光的波長調諧范圍為 3307.3—3384.3 nm.在理論和實驗上研究了紅外激光的強度噪聲特性, 通過控制非線性晶體的溫度和標準具調制信號可以實現紅外激光強度噪聲的抑制.當控制非線性晶體工作溫度為60 ℃,內腔標準具調制信號為8 kHz時, SRO輸出信號光和閑置光的強度噪聲分別降低了11和8 dB.下一步將通過模式清潔器過濾抽運光的額外噪聲, 并利用光電反饋技術將輸出信號光和閑置光的強度噪聲在更低的分析頻率范圍內進行抑制, 為后續量子光學實驗提供更優質的紅外激光光源.