CN102684054B - 一种激光时空模式改善装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效的激光时空模式改善装置，包括高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、腔长锁定系统（5）和零度全反射系统（6）；本发明采用基于环形窄线宽光学谐振腔的往返级联工作方式，结构紧凑、稳定性好，可以用来实现激光光场的高效时空模式改善，在光学精密测量、量子光学、量子信息等领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术和量子光学领域，具体是一种高效的激光时空模式改善装置。
背景技术
激光光场是光学精密测量领域，如引力波探测，航空工业中的激光超声探测等，以及量子光学、量子信息领域必不可少的重要光源。具有优良时空模式特性的激光光场，例如具有良好空间模式特性以及达到散粒噪声极限的激光光场可以极大改善光学精密测量的测量灵敏度，提高量子光学、量子信息领域中纠缠态光场的纠缠度等。通常，激光器输出的激光光场具有高于标准量子噪声极限的额外起伏噪声，而且其横模特性也并非理想的TEM00高斯模式，因此当应用于光学精密测量领域时，需要对其时空模式进行过滤、改善。
B.Willke等人[B.Willke,etal.,Opt.Lett.23,1704(1998)]利用一个三镜环形窄线宽Fabre-Perot腔对Nd:YAG激光器输出的激光光场的空间和时间模式进行了过滤，采用了激光腔镜直接粘接在整体熔融石英腔体上的整体腔结构。发明专利[CN 10185402413]提出一种光学模清洁器的设计，采用了殷钢腔体的整体腔结构，并可进行控温。J.Hald等人[J.Hald,J.Opt.Soc.Am.B 22,2338(2005)]利用一个高精细度的两镜驻波Fabre-Perot腔作为模式清洁器，并将模清洁器的第一次输出光场再次导入模清洁器，实现了半导体激光器额外噪声的高效过滤。上述的第一、二个工作都是利用单次穿过模清洁器的方法对激光的时空特性进行改善，由于激光模式的改善效果由模清洁器的线宽所决定，为了获得好的改善效果，需要采用高精细度、窄线宽的模清洁器，一方面窄线宽对腔镜的镀膜要求很高，同时增加了成本；另一方面高精细度模清洁器的腔长锁定难度较大，且易受外界环境扰动的干扰。第三个工作采用了两次穿过模清洁器的方法，较单次穿过相比提高了改善的性能，但是由于采用了两镜驻波腔结构，在模清洁器腔前和两级光学过滤之间需要高隔离比的光学隔离器；同时由于两级所用的偏振相互垂直，需要对退偏进行严格补偿，以消除偏振诱导的光强调制效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的激光时空模式改善装置，其具有装置简单、稳定性好的特点，可以用来对激光器输出的激光光场进行高效的时空模式改善。
本发明提供的一种激光时空模式改善装置，包括高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、腔长锁定系统（5）和零度全反射系统（6）；其中，高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、和零度全反射系统（6）前后依次衔接放置，激光从高消光比偏振分束器（1）输入，依次通过法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4），至零度全反射系统（6）后沿原光路返回，最后从高消光比偏振分束器（1）出射；
所述的零度全反射系统（6）由凹面镜（9）和调节装置（10）构成，其中凹面镜（9）安装在调节装置（10）上，调节装置（10）可以通过手动或电动的方式调节凹面镜（9）的空间位置和倾角，凹面镜（9）的凹面镀有对入射激光的零度全反射膜，其曲率半径和入射激光的等相位面曲率半径大小相等，其法线和入射激光重合，使得入射激光可以沿原光路反射回环形窄线宽光学谐振腔（4）内。
所述的高消光比偏振分束器（1）具有四个通光面，且通光面均镀有减少入射激光反射的减反膜。
所述的法拉第旋转器（2），用来实现对入射线偏振激光的偏振面旋转，入射线偏振激光单次穿过时偏振面的旋转角度在44-46度之间。
所述的偏振控制系统（3）由表面镀减反膜的半波片（7）及其控制装置（8）构成，控制装置（8）可通过手动或电动的方式使得半波片（7）能绕入射光轴精确旋转0到360度，实现对入射线偏振激光偏振方向的精确控制。
所述的的环形窄线宽光学谐振腔（4）由至少三个反射镜构成且处于稳定区域，其中两个反射镜镀有对入射激光相同反射率的高反射膜，作为输入和输出耦合镜，其余反射镜镀有全反射膜。
所述的的腔长锁定系统（5）用来锁定环形窄线宽光学谐振腔（4）的腔长，实现入射激光频率和环形窄线宽光学谐振腔（4）的共振。
与现有技术相比，本发明的优点和效果：
本发明提供的一种高效的激光时空模式改善装置，激光器输出的激光光场入射到该装置后，将往返两次穿过同一个环形腔模清洁器，从而可以方便、高效地对激光场进行时间、空间模式的改善。
本发明的装置采用往返两次穿过环形腔模清洁器的方法，和现有的两次穿过两镜驻波腔模清洁器的技术相比，整体光学装置更加简单、紧凑和稳定：在两级光学过滤之间不需要高隔离比的光学隔离器，模式匹配也只需一个凹面反射镜。
本发明的装置要求两级光学过滤的激光偏振方向完全相同，激光在传播过程中的退偏部分不能和环形腔模清洁器共振，将被极大程度衰减；同时，退偏的分量和有用的分量偏振方向垂直，可以进一步被高消光比偏振分束器过滤和抑制。因此，不需要像驻波腔情况下需要对激光退偏进行严格补偿，消除了两镜驻波模清洁器存在的偏振诱导光强调制效应。
本发明的装置，入射激光和出射激光位于同一偏振分束器的两个端口，且出射的激光具有和入射激光完全相同的横模参数，方便后续使用。
附图说明
图1本发明高效激光时空模式改善装置的示意图
图2本发明装置对激光光场强度噪声特性的改善效果图
具体实施方式
一种高效的激光时空模式改善装置，如图1所示：包括高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、腔长锁定系统（5）和零度全反射系统（6）；其中，高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、和零度全反射系统（6）前后依次衔接放置；高消光比偏振分束器（1）具有四个通光面并镀有526.5nm减反膜，其偏振消光比大于30dB；法拉第旋转器（2）对入射线偏振激光单次穿过时偏振面的旋转角度为44.2度；偏振控制系统（3）由表面镀526.5nm减反膜的半波片（7）及其控制装置（8）构成，控制装置（8）采用手动的旋转平台；环形窄线宽光学谐振腔（4）由三个反射镜构成，其中两个平面反射镜镀有对入射激光相同反射率的高反射膜（反射率为99.3%），作为输入和输出耦合镜，凹面镜的曲率半径为1米，凹面镀有526.5nm全反膜；腔长锁定系统采用PDH稳频方法；零度全反射系统（6）由镀有526.5nm全反膜的凹面镜（9）和调节装置（10）构成，调节装置（10）采用手动五维平移镜架进行凹面镜（9）的空间位置和倾角的调节，凹面镜（9）的曲率半径为1米，放置于入射激光等相位面曲率半径为1米的位置处，其法线和入射激光重合，使得入射激光可以沿原光路反射回环形窄线宽光学谐振腔（4）内。
从全固态单频连续波526.5nm激光器输出的激光场中分束出10mW激光，然后利用电光振幅调制器将激光在20MHz处进行正弦波振幅调制，调制后的激光作为测试激光，从高消光比偏振分束器（1）输入本发明装置，依次通过法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4），至零度全反射系统（6）后沿原光路返回，最后从高消光比偏振分束器（1）出射。
图2是实验观察到的本发明装置对激光光场强度噪声特性的改善效果图。图中的三条曲线从上到下分别对应入射激光场（A点）、第一级过滤的激光场（B点）、第二级过滤的出射激光场（C点）的强度噪声谱。从图中可以看出，经过第一级过滤，激光光场的强度噪声和入射激光相比被抑制了约23dB。当经过第二级过滤后，激光光场的强度噪声被进一步抑制了23dB，总的抑制量达到了46dB，方便地实现了激光光场起伏噪声的高效过滤、改善。
Claims (5)
1.一种激光时空模式改善装置，其特征在于，包括高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、腔长锁定系统（5）和零度全反射系统（6）；其中，高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、和零度全反射系统（6）前后依次衔接放置，激光从高消光比偏振分束器（1）输入，依次通过法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4），至零度全反射系统（6）后沿原光路返回，最后从高消光比偏振分束器（1）出射；
所述的零度全反射系统（6）由凹面镜（9）和调节装置（10）构成，其中凹面镜（9）安装在调节装置（10）上，调节装置（10）可以通过手动或电动的方式调节凹面镜（9）的空间位置和倾角，凹面镜（9）的凹面镀有对入射激光的零度全反射膜，其曲率半径和入射激光的等相位面曲率半径大小相等，其法线和入射激光重合。
2.根据权利要求书1所述的一种激光时空模式改善装置，其特征在于，所述的高消光比偏振分束器（1）具有四个通光面，且通光面均镀有减反膜。
3.根据权利要求书1所述的一种激光时空模式改善装置，其特征在于，所述的法拉第旋转器（2）对于单次穿过线偏振激光的偏振面的旋转角度在44-46度之间。
4.根据权利要求书1所述的一种激光时空模式改善装置，其特征在于，所述的偏振控制系统（3）由表面镀减反膜的半波片（7）及其控制装置（8）构成，控制装置（8）可通过手动或电动的方式使得半波片（7）能绕入射光轴精确旋转0到360度。
5.根据权利要求书1所述的一种激光时空模式改善装置，其特征在于，所述的环形窄线宽光学谐振腔（4）由至少三个反射镜构成且处于稳定区域，其中两个反射镜镀有对入射激光相同反射率的高反射膜，作为输入和输出耦合镜，其余反射镜镀有全反射膜。
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