CN108462029B - 光学谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学谐振腔，包括：外壳，包括主体部和后端盖，主体部具有凹腔，后端盖以封闭凹腔的后侧开口的方式设置在主体部上；具有非线性晶体的紫铜晶体炉，设置在凹腔中；以及设置在后端盖中的压电陶瓷和输出镜；其中，非线性晶体、压电陶瓷和输出镜的光路依次连通并且在同一条直线上。本发明的目的在于提供一种可以降低相位抖动，提高相位稳定性的光学谐振腔。

Description

光学谐振腔
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光学谐振腔。
背景技术
压缩态光场是将某个正交分量的噪声压缩到散粒噪声极限以下的一种非经典光场，由于其具有突破量子噪声限制的特点，被应用于提高精密光学测量、微弱引力波信号探测的灵敏度；此外，两束单模压缩光或者一束双模压缩光可以用来产生纠缠态光场，进而应用于量子计算、量子信息和量子通信的研究。因此，研究一种连续稳定运转的高压缩度非经典光源已成为当今科学研究的热点。早在1985年，美国贝尔实验室采用四波混频的方法第一次在实验上观察到了压缩态；随后，光学参量放大技术(Optical ParametricAmplifier，OPA)被提出，且成为产生压缩态的重要技术。
要获得高压缩度的压缩态光场，要同时满足如下三个要素：极低的系统损耗、高的相对相位稳定性、高效的压缩光探测。其中相位稳定是光学参量振荡腔腔长稳定、泵浦光与信号光相对位相稳定、本底光与信号光相对位相稳定等综合的结果。但是现有技术中紫铜晶体炉与压电陶瓷和输出镜分开独立设置，会主要影响光学参量振荡腔腔长的稳定性，以及导致相位抖动。
发明内容
针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以降低相位抖动，提高相位稳定性的光学谐振腔。
本发明提供一种光学谐振腔，包括：外壳，包括主体部和后端盖，主体部具有凹腔，后端盖以封闭凹腔的后侧开口的方式设置在主体部上；具有非线性晶体的紫铜晶体炉，设置在凹腔中；以及设置在后端盖中的压电陶瓷和输出镜；其中，非线性晶体、压电陶瓷和输出镜的光路依次连通并且在同一条直线上。
根据本发明，光学谐振腔还包括控温组件，控温组件设置在紫铜晶体炉和凹腔的内壁之间并向紫铜晶体炉传导热量。
根据本发明，控温组件包括分别位于紫铜晶体炉上下两侧的两片帕尔贴，以及嵌入至紫铜晶体炉中的热敏电阻。
根据本发明，控温组件还包括设置在凹腔中的聚砜隔热片和可加工陶瓷片，聚砜隔热片位于紫铜晶体炉的左右两侧并覆盖紫铜晶体炉和两片帕尔贴，可加工陶瓷片位于紫铜晶体炉的前后两侧并覆盖紫铜晶体炉和两片帕尔贴。
根据本发明，后端盖中开设有通光腔并设置有输出镜座，压电陶瓷和输出镜设置在通光腔中，输出镜座封闭通光腔的开口并固定输出镜。
根据本发明，外壳还包括前端盖和上端盖，前端盖和后端盖设置在主体部的前后相对两侧，上端盖设置在主体部的顶部并封闭凹腔的上侧开口。
根据本发明，前端盖、可加工陶瓷片、压电陶瓷、后端盖和输出镜座均具有供光路穿过的通光孔。
根据本发明，上端盖具有基部和从基部向外突出的凸出部，基部固定在主体部的顶面，凸出部延伸进入凹腔中并固定紫铜晶体炉、两片帕尔贴、聚砜隔热片和可加工陶瓷片。
根据本发明，非线性晶体具有背向后端盖突出的第一弧面，输出镜具有朝向后端盖突出的第二弧面。
根据本发明，非线性晶体为周期极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)、周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、磷酸钛氧钾晶体(KTP)、三硼酸锂晶体(LBO)、偏硼酸钡晶体(BBO)或硼酸铋晶体(BIBO)中的一种，非线性晶体的远离后端盖的一端构造成光学谐振腔的输入镜。
根据本发明，紫铜晶体炉包括上壳体和下壳体，下壳体的中心处具有矩形凹槽，矩形凹槽的大小与非线性晶体的大小相同并用于承载非线性晶体。
根据本发明，外壳由硬铝制成。
本发明的有益技术效果在于：
本发明的光学谐振腔将现有技术中紫铜晶体炉与压电陶瓷和输出镜分开独立设置的结构整合为一个整体结构，即将具有非线性晶体的紫铜晶体炉设置在外壳的主体部中，将压电陶瓷和输出镜设置在外壳的后端盖中，然后将后端盖设置在主体部上，同时保证非线性晶体、压电陶瓷和输出镜的光路依次连通并且在同一条直线上。从而相比于分离设置的结构，本发明的光学谐振腔在使用过程中，紫铜晶体炉不会相对于压电陶瓷和输出镜发生抖动，以保证穿过非线性晶体、压电陶瓷和输出镜的光路准直，降低相位抖动，提高相位稳定性。
附图说明
图1是本发明的光学谐振腔的俯视示意图。
图2是本发明的外壳的主体部的正视示意图。
图3是本发明的紫铜晶体炉的俯视示意图。
图4是本发明的光学谐振腔在组装过程的中间状态示意图。
图5是本发明的聚砜隔热片的示意图。
图6是本发明的可加工陶瓷片的示意图。
图7是本发明的后端盖的正视示意图。
图8是本发明的输出镜座的正视示意图。
图9是本发明的前端盖的正视示意图。
图10是本发明的上端盖的正视示意图。
图11是本发明的一个实施例中光学谐振腔的俯视示意图。
图12是本发明的另一个实施例中光学谐振腔的俯视示意图。
具体实施方式
现参照附图详细描述本发明的实施例。
参照图1和图2，在一个实施例中，本发明提供一种光学谐振腔，包括：外壳1、紫铜晶体炉2以及压电陶瓷3和输出镜4；外壳1包括主体部10和后端盖11，主体部10具有凹腔101；后端盖11以封闭凹腔101的后侧开口的方式设置在主体部10上；紫铜晶体炉2中具有非线性晶体5，紫铜晶体炉2设置在凹腔101中；压电陶瓷3和输出镜4设置在后端盖11中；其中，非线性晶体5、压电陶瓷3和输出镜4的光路依次连通并且在同一条直线上。本发明的光学谐振腔将现有技术中紫铜晶体炉2与压电陶瓷3和输出镜4分开独立设置的结构整合为一个整体结构，即将具有非线性晶体5的紫铜晶体炉2设置在外壳1的主体部10中，将压电陶瓷3和输出镜4设置在外壳1的后端盖11中，然后将后端盖11设置在主体部10上，同时保证非线性晶体5、压电陶瓷3和输出镜4的光路依次连通并且在同一条直线上。从而相比于分离设置的结构，本发明的光学谐振腔在使用过程中，紫铜晶体炉2不会相对于压电陶瓷3和输出镜4发生抖动，以保证穿过非线性晶体5、压电陶瓷3和输出镜4的光路准直，降低相位抖动，提高相位稳定性。优选地，在组装本发明的光学谐振腔时，可以移动紫铜晶体炉2在凹腔101中的位置及后端盖11在主体部10上的位置，同时使用激光进行测试，以使非线性晶体5、压电陶瓷3和输出镜4的光路依次连通并且在同一条直线上。在调节紫铜晶体炉2在凹腔101中的位置时，可以使用薄铜皮衬垫的方式来调节紫铜晶体炉2的高度和左右位置。
参照图1至图4，在一个实施例中，光学谐振腔还包括控温组件6，控温组件6设置在紫铜晶体炉2和凹腔101的内壁之间并向紫铜晶体炉2传导热量。控温组件6用于控制非线性晶体5的温度，以调节非线性晶体5的折射率。具体而言，控温组件6包括分别位于紫铜晶体炉2上下两侧的两片帕尔贴63，以及嵌入至紫铜晶体炉2中的热敏电阻(未示出)。热敏电阻可以位于紫铜晶体炉2的固定小孔21内，并涂抹导热硅脂以及用棉花塞紧。在紫铜晶体炉2上下两侧设置两片帕尔贴，可以更精确的控制非线性晶体5的温度。
参照图4，在一个实施例中，紫铜晶体炉2包括上壳体22和下壳体23(如图3所示)，下壳体23的中心处具有矩形凹槽24，矩形凹槽24的大小与非线性晶体5的大小相同并用于承载非线性晶体5。如此构造，有助于非线性晶体5的定位和保持光路的准直。
参照图1、图5和图6，进一步，控温组件6还包括设置在凹腔101中的聚砜隔热片61和可加工陶瓷片62，聚砜隔热片61位于紫铜晶体炉2的左右两侧并覆盖紫铜晶体炉2和两片帕尔贴，可加工陶瓷片62位于紫铜晶体炉2的前后两侧并覆盖紫铜晶体炉2和两片帕尔贴。聚砜隔热片61和可加工陶瓷片62起到隔热层的作用，防止外界环境温度波动对紫铜晶体炉2的影响，以辅助控制非线性晶体5的温度。其中，聚砜隔热片61具有供热敏电阻的导线穿过的第一缺口611和供帕尔贴的导线穿过的第二缺口612，第二缺口612包括位于原本为方形的聚砜隔热片61的四个角，其中上方的两个第二缺口供上方的帕尔贴的导线穿过，下方的两个第二缺口供下方的帕尔贴的导线穿过。聚砜隔热片61和可加工陶瓷片62分别设置为两片，从而更加科学地提高了温度的稳定性。
参照图1、图7和图8，后端盖11中开设有通光腔111并设置有输出镜座7，压电陶瓷3和输出镜4设置在通光腔111中，输出镜座7封闭通光腔111的开口并固定输出镜4。换言之，输出镜座7用于承载输出镜4，输出镜4夹在压电陶瓷3和输出镜座7中间。输出镜座7上可以设置丁腈橡胶圈，以固定输出镜4并为输出镜4减振。用输出镜座7将输出镜4固定在后端盖11上，使得输出镜4在扫描腔长时以整个腔体为基座做简谐振动，消除了振动过程中可能存在的不稳定因素，而且这种由压电陶瓷3、输出镜4和输出镜座7构成的三明治结构会提高压电陶瓷3的响应频率，增加锁定环路带宽。压电陶瓷3粘贴于后端盖11通光孔一定距离处的中央部分，压电陶瓷3伸缩长度随所施加电压而变。如图7和图8所示，后端盖11和输出镜座7上分别设置有相互对应的第一螺纹孔71，以使用螺栓将后端盖11和输出镜座7连接在一起。如图2和图7所示，主体部10和后端盖11上分别设置有相互对应的第二螺纹孔14，以使用螺栓将后端盖11和主体部10连接在一起。
参照图1、图9和图10，在一个实施例中，外壳1还包括前端盖12和上端盖13，前端盖12和后端盖11设置在主体部10的前后相对两侧，上端盖13设置在主体部10的顶部并封闭凹腔101的上侧开口。也就是说，上端盖13、前端盖12和后端盖11将凹腔101包围成封闭的腔体。紫铜晶体炉2被组成整体的腔体严密包裹在中央并紧密固定，使紫铜晶体炉2与腔体融为一体。这样设计的机械结构使得本发明的光学谐振腔可以达到很好的稳定性，降低了加工成本。
参照图6、图7、图8和图9，前端盖12、可加工陶瓷片62、压电陶瓷3、后端盖11和输出镜座7均具有供光路穿过的通光孔8。这些部件上的通光孔8相互对准，以使穿过整个光学谐振腔的光线是一条直线。优选地，穿过本发明的光学谐振腔的激光的腰斑落在非线性晶体5的中心位置，以提高参量转换效率。
参照图2和图10，在一个实施例，上端盖13具有基部131和从基部131向外突出的凸出部132，基部131固定在主体部10的顶面，凸出部132延伸进入凹腔101中并固定紫铜晶体炉2、两片帕尔贴、聚砜隔热片61和可加工陶瓷片62。也就是说，上端盖13构造成丁字形以压住上述部件。
参照图1，在一个实施例中，非线性晶体5具有背向后端盖11突出的第一弧面51，输出镜4具有朝向后端盖11突出的第二弧面41。非线性晶体的具有第一弧面51的这一端可以充当输入镜。输出镜4具有第二弧面41，从而可以在其与第一弧面51之间形成一个稳定的谐振腔。
优选地，非线性晶体5为周期极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)、周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、磷酸钛氧钾晶体(KTP)、三硼酸锂晶体(LBO)、偏硼酸钡晶体(BBO)或硼酸铋晶体(BIBO)中的一种，非线性晶体5的远离后端盖11的一端构造成光学谐振腔的输入镜。在其他实施例中，非线性晶体5不充当光学谐振腔的输入镜，而是在紫铜晶体炉2的前端安装有独立的输入镜。也就是说，本发明的光学谐振腔是两镜腔，即只有输入镜和输出镜。
优选地，外壳1由硬铝制成，不易变形且稳定。本发明的光学谐振腔整体结构简洁、成本低廉；使得信号光在空间中的传输、整形更加方便。
以下提供两个具体应用实施例，以示例性地说明本申请的技术方案。
实施例1
如图11所示，该实施例利用一种结构稳定的光学谐振腔产生倍频光。其发明构思是将不易调节的光学谐振腔结构转换为稳定的整体型谐振腔结构，提高了机械稳定性，调节过程简便快速高效，精准度高，最终调好的作为光学谐振腔的OPO腔可以在自由运转状态下保持在共振点几分钟不动。
具体而言，1550nm单频激光器90输出基频光经双色镜91注入光学谐振腔，基频光在光学谐振腔内经过非线性晶体5进行倍频过程，产生775nm倍频光经双色镜91输出，用于泵浦光学参量腔OPA。光学谐振腔由弯月形凹面输入镜4和非线性晶体5组成。其中，非线性晶体5为PPKTP晶体，尺寸为1*2*10mm，前端的第一弧面51的曲率半径为12mm，镀膜为HR@1550nm/775nm，充当光学参量腔的输入镜；非线性晶体5的后端面为平面，镀膜为AR@1550nm/775nm。弯月形凹面输入镜4曲率半径为30mm，凹面镀膜HT@775nm、T@1550nm＝13％，后端面镀膜AR@1550nm/775nm，弯月形设计保证激光通过时不会改变光斑大小，有助于辅助光路的调节。光学谐振腔的总腔长为37mm，对应的基模腰斑半径30μm，基模腰斑位置距输入镜为2.8mm。
实施例2
如图12所示，本实施例给出利用一种结构稳定的光学谐振腔产生压缩光的工作原理。泵浦光经双色镜91注入光学谐振腔，泵浦光在光学谐振腔内经过非线性晶体5进行参量下转换过程，获得某个正交分量的量子噪声压缩到经典散粒噪声极限以下的压缩态光场，由于其具有突破量子噪声限制的特点，被应用于提高精密光学测量、微弱引力波信号探测的灵敏度。腔型结构与实施例1中相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学谐振腔，其特征在于，包括：外壳，包括主体部、后端盖、前端盖和上端盖，所述主体部有凹腔，所述后端盖以封闭所述凹腔的后侧开口的方式设置在所述主体部上，所述前端盖和所述后端盖设置在所述主体部的前后相对两侧，所述上端盖设置在所述主体部的顶部并封闭所述凹腔的上侧开口；具有非线性晶体的紫铜晶体炉，设置在所述凹腔中；以及设置在所述后端盖的压电陶瓷和输出镜；其中，所述非线性晶体、所述压电陶瓷和所述输出镜的光路依次连通并且在同一直线上；所述非线性晶体具有背向所述后端盖突出的第一弧面，所述输出镜具有朝向所述后端盖突出的第二弧面。
2.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于，还包括控温组件，所述控温组件设置在所述紫铜晶体炉和所述凹腔的内壁之间并向所述紫铜晶体炉传导热量。
3.根据权利要求2所述的光学谐振腔，其特征在于，所述控温组件包括分别位于所述紫铜晶体炉上下两侧的两片帕尔贴，以及嵌入至所述紫铜晶体炉中的热敏电阻。
4.根据权利要求3所述的光学谐振腔，其特征在于，所述控温组件还包括设置在所述凹腔中的聚砜隔热片和可加工陶瓷片，所述聚砜隔热片位于所述紫铜晶体炉的左右两侧并覆盖所述紫铜晶体炉和所述两片帕尔贴，所述可加工陶瓷片位于所述紫铜晶体炉的前后两侧并覆盖所述紫铜晶体炉和所述两片帕尔贴。
5.根据权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于，所述后端盖中开设有通光腔并设置有输出镜座，所述压电陶瓷和所述输出镜设置在所述通光腔中，所述输出镜座封闭所述通光腔的开口并固定所述输出镜。
6.根据权利要求5所述的光学谐振腔，其特征在于，所述上端盖具有基部和从所述基部向外突出的凸出部，所述基部固定在所述主体部的顶面，所述凸出部延伸进入所述凹腔中并固定所述紫铜晶体炉、所述两片帕尔贴、所述聚砜隔热片和所述可加工陶瓷片。
7.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于，所述非线性晶体为周期极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)、周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、磷酸钛氧钾晶体(KTP)、三硼酸锂晶体(LBO)、偏硼酸钡晶体(BBO)或硼酸铋晶体(BIBO)中的一种，非线性晶体的远离所述后端盖的一端构造成所述光学谐振腔的输入镜。
8.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于，所述紫铜晶体炉包括上壳体和下壳体，所述下壳体的中心处具有矩形凹槽，所述矩形凹槽的大小与所述非线性晶体的大小相同并用于承载所述非线性晶体。
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