CN109632128A - 一种测量光学腔双共振温度条件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，提出了一种测量光学腔双共振温度条件的装置和方法。该装置包括激光源、匹配透镜组、双色镜、功率计、腔锁定回路和探测器，所述激光器发出的基频光经所述匹配透镜组后入射到所述双色镜，经所述双色镜后由光学参量腔的输出镜入射到光学参量腔内；所述光学参量腔的反射光信号被所述腔锁定回路的锁腔探测器探测，所述腔锁定回路用于根据所述光学参量腔的反射光信号对光学参量腔的腔长进行锁定；所述功率计用于所述光学参量腔产生的倍频光的功率，所述探测器用于接收探测所述光学参量腔透射峰信号。本发明具有调节精确、方便、直观等优点，可以广泛应用于光学参量腔应用领域。

Description

一种测量光学腔双共振温度条件的装置和方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种测量光学腔双共振温度条件的装置和方法。

背景技术

压缩态光场是将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。

一种低阈值稳定的光学参量腔成为产生压缩的关键部件。光学参量腔按照注入光是否在腔内共振分为单共振光学参量腔和双共振光学参量腔等。单共振腔只有基频种子光在腔内共振，而泵浦光单次或双次穿过非线性晶体后输出腔外。双共振光学参量腔种子光和泵浦光均在腔内谐振，与单共振光学参量腔相比，由于泵浦光往返多次穿过非线性晶体，将增强泵浦光与晶体的非线性相互作用，从而可有效降低光学参量腔的泵浦阈值，节约泵浦激光能量的消耗；同时，由于泵浦光共振可有效反射非模式匹配的泵浦光，避免基模模体积以外的泵浦光加热晶体，从而有效降低晶体热效应；其次，可利用泵浦光谐振条件直接锁定光学参量腔，提取误差信号信噪比较高，腔长锁定稳定性将大幅度提高。因此，双共振光学参量腔更容易实现低功率激光系统的高稳定、小型化、易维护设计，更有益于高压缩度压缩态光场的制备和实际应用。然而，双共振光学腔需要严格满足特定相位匹配温度条件下种子光与泵浦光腔内同时谐振，因而需要更加精确地考虑腔长、晶体长度与相位匹配温度带宽之间的关系。

因此，为了实现相位匹配条件下的双共振条件，需要精确测定双共振对应的温度点。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、操作简便快捷、调节结果准确的光学腔双共振温度条件的装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，包括激光源、匹配透镜组、双色镜、功率计、腔锁定回路和探测器，所述激光器发出的基频光经所述匹配透镜组后入射到所述双色镜，经所述双色镜后入射到光学参量腔内；所述光学参量腔的反射光信号被所述腔锁定回路的锁腔探测器探测，所述腔锁定回路用于根据所述光学参量腔的反射光信号对光学参量腔的腔长进行锁定；所述功率计用于所述光学参量腔产生的倍频光的功率，所述探测器用于接收探测所述光学参量腔透射峰信号。

所述光学参量腔为两镜腔或多晶腔，且所述光学参量腔内至少一片腔镜上设置有用于改变腔长的压电陶瓷。

所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，还包括设置在所述激光源出光口处的光隔离器，以及设置在光隔离器与匹配透镜组之间的电光调制器；

所述激光器发出的基频光依次光隔离器、电光调制器、匹配透镜组、双色镜后从光学参量腔的输出镜入射到光学参量腔内；所述光学参量腔的反射光信号依次经所述双色镜、匹配透镜组、电光调制器后，经所述光隔离器的分束棱镜反射后被所述腔锁定回路的锁腔探测器探测；

所述腔锁定回路包括信号发生器、混频器、比例积分微分器和高压放大器，所述信号发生器输出的射频信号用于驱动所述电光调制器，进而对进入所述光学参量腔的基频光进行调制，所述信号发生器和所述锁腔探测器的输出端与所述混频器的输入端连接，所述混频器的输出端依次经比例积分微分器和高压放大器后与所述光学参量腔上的压电陶瓷连接。

所述双色镜为对基频光高反、倍频光高透的镜片，或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片。

所述双共振学参量腔内设有非线性晶体，所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO。

本发明还提供了一种测量光学参量腔双共振温度条件的方法，采用上述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置实现，其包括以下步骤：

S1、扫描光学参量腔的腔长，使探测器可以探测到光学参量腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线；不断调节匹配透镜组，通过探测器观察并记录基频光入射到光学参量腔的模式匹配效率，直至匹配效率达到最高；

S2、通过腔锁定回路锁定光学参量腔的腔长至共振增强；

S3、调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计测量各个温度点下光学参量腔中输出的倍频光的功率；

S4、根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过把基频光注入光学参量腔，产生倍频光；然后通过腔锁定回路锁定光学参量腔的腔长，最后通过改变光学参量腔内非线性晶体的温度，观察倍频光的输出功率来精准确定双共振的温度点，将不易确定的双共振温度点转换为观察输出倍频光功率，具有调节精确、方便、直观等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种测量光学腔双共振温度条件的装置结构示意图；

图2为本发明实施例一中光学参量腔输出的透射峰曲线；

图3为本发明实施例一中测量得到的倍频光功率值随温度的变化曲线。

图4为本发明实施例二提供的一种测量光学腔双共振温度条件的装置结构示意图；

图中：1-激光器，2-基频光，3-隔离器，4-电光调制器，5-高反镜，6-匹配透镜组，7-双色镜，8-倍频光，9-功率计，10-腔锁定回路，101-锁腔探测器，102-调制信号，103-混频器，104-比例积分微分器，105-高压放大器，11-探测器， a-光学参量腔， a1-非线性晶体， a2-弯月形凹面镜，a3-第一压电陶瓷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种测量光学腔双共振温度条件的装置，包括1550nm单频激光器1，隔离器3，电光调制器4，高反镜5，匹配透镜组6，双色镜7，PDH腔锁定回路10，所述1550nm单频激光器1输出的基频光2经隔离器3、电光调制器4、高反镜5、匹配透镜组6、双色镜7后从光学参量腔的输出镜入射到光学参量腔a；所述光学参量腔a的反射光信号依次经所述双色镜7、匹配透镜组6、电光调制器4后，经所述光隔离器3的分束棱镜反射后被所述腔锁定回路10的锁腔探测器101探测；所述光学参量腔a经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光8经双色镜7透射后，入射到功率计9进行探测功率，此外，探测器11设置在光学参量腔a的另一端，用于接收探测所述光学参量腔a透射峰信号。

其中，腔锁定回路10包括信号发生器102、混频器103、比例积分微分器104和高压放大器105，所述信号发生器102输出的射频信号用于驱动所述电光调制器4，进而对进入所述光学参量腔a的基频光进行调制，所述信号发生器102和所述锁腔探测器101的输出端与所述混频器103的输入端连接，所述混频器103的输出端依次经比例积分微分器104和高压放大器105后与所述光学参量腔a上的压电陶瓷a3连接。锁腔探测器101将探测得到的基频光信号转化为电信号后，驱动电光调制器的射频信号混频，并通过比例积分微分器104和高压放大器105产生误差信号，反馈至光学谐振腔粘贴压电陶瓷的腔镜上，实现光学参量腔腔长的锁定。

其中，光隔离器3用于隔离两个光学参量腔反射信号，以保护激光器，避免反射光反馈至激光器内，造成激光器损坏。高反镜5为1550nm高反。

其中，所述双色镜7镀膜为一面HR1550nm/HT775nm，另一面AR1550nm/775nm，则当1550nm的基频光入射到双色镜7上时，可以反射至光学参量腔中，当775nm的倍频光从光学参量腔中射出至双色镜7上时，可以透射至功率计9中。此外，本实施例中，双色镜7的镀膜也可以是对基频光1550nm高透，倍频光775nm高反，则光学参量腔应设置在双色镜7的光透射方向上。双色镜7另一面增透膜1550nm/775nm，可以降低从光学参量腔中出来的基频光和倍频光的功率损耗，使进入功率计9的光功率增加，提高系统的信噪比。

本实施例中，光学参量腔a的光学参数如下。光学参量腔由弯月形凹面镜a2和非线性晶体a1组成。其中，非线性晶体a2为PPKTP晶体，尺寸为1*2*10mm，前端面凸面曲率半径为12mm，镀膜为HR1550nm/775nm，充当第一光学参量腔a的输入镜；后端面为平面，镀膜为AR1550/775。弯月形凹面镜a2曲率半径为25mm，凹面镀膜T775=2.5%、T1550=15%，后端面镀膜AR1550/775，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。第一光学参量腔a的总腔长为31mm，对应的基模腰斑半径49µm，基模腰斑位置在晶体中心。电光位相调制器4施加120MHz的正弦波信号。

本发明实施例中，光学参量腔中的非线性晶体也可以为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO。

本发明实施例中，采用上述装置进行光学参量腔双共振温度条件的测量方法，包括以下步骤：

S1、扫描光学参量腔的腔长，使探测器11可以探测到光学参量腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，调节匹配透镜组6，通过探测器11观察并记录基频光入射到光学参量腔的模式匹配效率，使匹配效率达到最高；结果如图2所示，经透镜组6（焦距分别为-50mm，100mm）聚焦后焦点落在第一光学参量腔a腰斑处，模式匹配效率达到99.5%以上。

S2、然后，光学参量腔a反射光由隔离器3反射输出打入第一锁腔探测器101获得误差信号，采用PDH锁定回路10锁定光学参量腔a的腔长至共振增强；

S3、调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计9测量各个温度点下光学参量腔a中输出的倍频光8的功率值；

S4、根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件，如图3所示，我们可以看出3个共振温度点分别为30.7℃，42.68℃和53.9℃。

实施例二

如图2所示，为本发明实施例二提供的一种测量光学腔双共振温度条件的装置的示意图，本实施例与实施例二的区别在于，所测量的光学参量腔不同。本实施例中，光学参量腔a的光学参数如下。第一光学参量腔a由两个凹面镜、两个平面镜和一块PPKTP晶体a1组成。其中，一个平面镜作为输出镜，内表面镀膜HR1550nm/775nm，外端面镀膜AR1550nm/775nm；另一个平面镜内端面为HR1550/775，外端面不镀膜；两个凹面镜的曲率半径均为100mm，其中第一弯月形凹面镜a2内表面镀膜T775=2.5%/T1550=15%，外端面镀膜AR1550/775，弯月形输出镜不会改变光斑的大小，有助于调节辅助光路；另一个凹面镜内端面为HR1550/775，外端面不镀膜；第一光学参量腔a的总腔长为622.8mm，两凹面镜之间的距离为108mm，对应的本征模半径为25μm，第一PPKTP非线性晶体a1尺寸为1*2*10mm，位于两个凹面镜的中间，即腔的腰斑位置处。电光位相调制器4施加120MHz的正弦波信号。

需要说明的是，由于本实施例中，光学参量腔的结构不同，则用于探测腔透射峰的探测器11与用于探测倍频光功率的功率计9设置在同一光路上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，其特征在于，包括激光源（1）、匹配透镜组（6）、双色镜（7）、功率计（9）、腔锁定回路（10）和探测器（11），所述激光器（1）发出的基频光（2）经所述匹配透镜组（6）后入射到所述双色镜（7），经所述双色镜（7）后入射到光学参量腔（a）内；所述光学参量腔（a）的反射光信号被所述腔锁定回路（10）的锁腔探测器（101）探测，所述腔锁定回路（10）用于根据所述光学参量腔（a）的反射光信号对光学参量腔（a）的腔长进行锁定；所述功率计（9）用于所述光学参量腔（a）产生的倍频光（8）的功率，所述探测器（11）用于接收探测所述光学参量腔（a）透射峰信号。

2.根据权利要求1所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，其特征在于，所述光学参量腔为两镜腔或多晶腔，且所述光学参量腔内至少一片腔镜上设置有用于改变腔长的压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，其特征在于，还包括设置在所述激光源（1）出光口处的光隔离器（3），以及设置在光隔离器（3）与匹配透镜组（6）之间的电光调制器（4）；

所述激光器（1）发出的基频光（2）依次光隔离器（3）、电光调制器（4）、匹配透镜组（6）、双色镜（7）后从光学参量腔（a）的输出镜入射到光学参量腔（a）内；所述光学参量腔（a）的反射光信号依次经所述双色镜（7）、匹配透镜组（6）、电光调制器（4）后，经所述光隔离器（3）的分束棱镜反射后被所述腔锁定回路（10）的锁腔探测器（101）探测；

所述腔锁定回路（10）包括信号发生器（102）、混频器（103）、比例积分微分器（104）和高压放大器（105），所述信号发生器（102）输出的射频信号用于驱动所述电光调制器（4），进而对进入所述光学参量腔（a）的基频光进行调制，所述信号发生器（102）和所述锁腔探测器（101）的输出端与所述混频器（103）的输入端连接，所述混频器（103）的输出端依次经比例积分微分器（104）和高压放大器（105）后与所述光学参量腔（a）上的压电陶瓷（a3）连接。

4.根据权利要求1所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，其特征在于，所述双色镜（7）为对基频光高反、倍频光高透的镜片，或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片。

5.根据权利要求1所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置，其特征在于，所述双共振学参量腔内设有非线性晶体，所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO。

6.一种测量光学参量腔双共振温度条件的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种测量光学参量腔双共振温度条件的装置实现，其包括以下步骤：

S1、扫描光学参量腔的腔长，使探测器（11）可以探测到光学参量腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线；不断调节匹配透镜组（6），通过探测器（11）观察并记录基频光入射到光学参量腔的模式匹配效率，直至匹配效率达到最高；

S2、通过腔锁定回路（10）锁定光学参量腔的腔长至共振增强；

S3、调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计（9）测量各个温度点下光学参量腔（a）中输出的倍频光的功率；

S4、根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件。