CN111313216B - 一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法，通过调整高功率连续波单频激光器的激光谐振腔长度、腔内插入非线性晶体引入非线性损耗及增益介质的材质、长度、掺杂浓度，来改变抑制高功率连续波单频激光器的强度噪声谱。通过本发明，不需要采用模式锁定，电光反馈控制，模式清洁器或级联模式清洁，自注入锁定等方法，无需使用外部附加仪器，有效降低了成本，同时不会将额外的噪声引入激光系统中。

Description

一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地说，涉及一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法。
背景技术
激光具有发散度极小、亮度很高、单色性好、相干性好等特性，自问世以来就被运用在人们生产生活中的许多领域。随时代的发展，在一些新兴学科如量子光学和量子信息，精密测量，原子冷却和俘获，引力波探测等领域，人们对激光的光束质量提出了更高的要求，激光器在实现高功率输出的同时具备较低的强度噪声。
目前已经发展了多种激光器的强度噪声抑制技术，诸如种子光注入锁定技术，光电正负反馈技术，模式清洁或者级联模式清洁过滤噪声技术，自注入锁定技术法、谐振腔内引入非线性损耗等。以上方法的实施都需要引入外部仪器，这必然会对激光器的制备成本、体积、输出特性以及应用带来限制或者影响。其中：
种子光注入锁定技术是通过将高功率振荡器的振荡频率精确锁定到低功率优质种子源激光器的振荡频率上，进而牵引、控制高功率激光器的振荡。该套系统中需要采用多套锁定环路来提高种子注入锁定系统的输出功率和频率稳定性，光电伺服系统的使用不仅会引入额外的电噪声，同时会是的系统对环境的的影响极为灵敏。
光电负反馈技术是通过光电负反馈抑制激光器强度噪声是把反馈电信号直接耦合到激光二极管驱动电流上，通过调制泵浦源来抑制噪声。该种噪声抑制方案中，光电伺服系统的使用不仅会引入额外的电噪声。
利用单个或者级联式模式清洁器来过滤激光器的噪声主要过滤激光器高频段的噪声，即提前激光器达强度噪声谱达到散粒噪声基准的频率。该种方法对于激光器弛豫振荡频率处的强度噪声几乎不起作用，甚至在赫兹两级频率处会引入额外的热噪声。
自注入锁定技术虽然可以有效抑制抑制激光器弛豫振荡以及高频处出的强度噪声，但是由于复合腔型结构结构的使用会导致激光器的长期功率稳定性较差，尤其是在基于全固态激光器的自主注入锁定系统中。
通过在谐振腔内引入非线性损耗改变激光器的动力学过程，可有效抑制激光器弛豫振荡处的强度噪声，然而该方法对激光器高频处（激光器散粒噪声基准)的强度噪声几乎没有作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法，包括步骤：
采集高功率连续波单频激光器的强度噪声谱
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、输出耦合真空噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，由腔内损耗引起的噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，从泵浦源来的噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，由自发辐射引起的噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，由偶极波动引起的噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，高功率连续波单频激光器的强度噪声谱有公式（1）表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
分别是关于输出耦合真空噪声
Figure 955993DEST_PATH_IMAGE004
、由腔内损耗引起的噪声
Figure 131759DEST_PATH_IMAGE006
、从泵浦源来的噪声
Figure 932356DEST_PATH_IMAGE008
、由自发辐射引起的噪声
Figure 468248DEST_PATH_IMAGE010
和由偶极波动引起的噪声
Figure 592062DEST_PATH_IMAGE012
的参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为激光器弛豫振荡频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为激光器弛豫振荡阻尼速率；
激光器弛豫振荡频率
Figure DEST_PATH_IMAGE022
以及弛豫振荡阻尼速率
Figure DEST_PATH_IMAGE024
随激光器的受激辐射速率
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的变化情况如公式（2）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（2）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
分别是由输出损耗和腔内损耗引起的光子衰减率，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是输出耦合透镜的透射系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
表示腔内线性损失，L表示谐振腔腔长，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
代表腔内光子数，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示光速；
Figure 998117DEST_PATH_IMAGE026
为激光器的受激辐射速率；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
是泵浦效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示原子从高能级到低能级的自发辐射速率；
Figure 597595DEST_PATH_IMAGE048
通过在一定范围内改变激光谐振腔的光学长度来控制激光器的受激辐射速率
Figure 625593DEST_PATH_IMAGE026
，如公式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
（3）
其中σ s 为激光受激发射截面，n为晶体的折射率，l为增益晶体的掺杂长度，ρ=ρ c *c w 为增益介质中掺杂原子密度，ρ c 为掺杂原子浓度为1.0at.%对应的原子密度，c w 为增益介质的掺杂浓度。
联立公式（1）-（3），即可得到高功率连续波单频激光器的强度噪声谱随激光谐振腔的光学长度的变化情况，实现调整谐振腔光学长度来抑制高功率连续波单频激光器的强度噪声。
在本发明所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中，根据公式（1）和公式（2），通过在腔内插入非线性晶体引入非线性损耗进一步抑制激光器弛豫振荡频率处的强度噪声。
在本发明所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中，通过优化选取增益介质的材质、长度、掺杂浓度改变激光器受激辐射速率
Figure 243394DEST_PATH_IMAGE026
。
区别于现有技术，本发明提供的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法通过调整高功率连续波单频激光器的激光谐振腔长度、腔内插入非线性晶体引入非线性损耗及增益介质的材质、长度、掺杂浓度，来改变抑制高功率连续波单频激光器的强度噪声谱。通过本发明，不需要采用模式锁定，电光反馈控制，模式清洁器或级联模式清洁，自注入锁定等方法，无需使用外部附加仪器，有效降低了成本，同时不会将额外的噪声引入激光系统中。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中相对噪声强度随激光器受激辐射速率关系图。
图2是本发明提供的一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中选取谐振腔最佳光学长度的示意图。
图3是本发明提供的一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中高功率连续波单频激光器的光路示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法包括步骤：
采集高功率连续波单频激光器的强度噪声谱
Figure 246117DEST_PATH_IMAGE002
、输出耦合真空噪声
Figure 208256DEST_PATH_IMAGE004
，由腔内损耗引起的噪声
Figure 85951DEST_PATH_IMAGE006
，从泵浦源来的噪声
Figure 387620DEST_PATH_IMAGE008
，由自发辐射引起的噪声
Figure 623560DEST_PATH_IMAGE010
，由偶极波动引起的噪声
Figure 72996DEST_PATH_IMAGE012
，高功率连续波单频激光器的强度噪声谱有公式（1）表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
（1）
其中，
Figure 629748DEST_PATH_IMAGE016
分别是关于输出耦合真空噪声
Figure 582661DEST_PATH_IMAGE004
、由腔内损耗引起的噪声
Figure 691300DEST_PATH_IMAGE006
、从泵浦源来的噪声
Figure 362453DEST_PATH_IMAGE008
、由自发辐射引起的噪声
Figure 535945DEST_PATH_IMAGE010
和由偶极波动引起的噪声
Figure 359676DEST_PATH_IMAGE012
的参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
为激光器弛豫振荡频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
为激光器弛豫振荡阻尼速率；
激光器弛豫振荡频率
Figure 576899DEST_PATH_IMAGE022
以及弛豫振荡阻尼速率
Figure 735348DEST_PATH_IMAGE024
随激光器的受激辐射速率
Figure 758537DEST_PATH_IMAGE026
的变化情况如公式（2）所示：
Figure 686041DEST_PATH_IMAGE028
Figure 637948DEST_PATH_IMAGE030
（2）
其中
Figure 283693DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure 533409DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 830267DEST_PATH_IMAGE036
分别是由输出损耗和腔内损耗引起的光子衰减率，
Figure 202342DEST_PATH_IMAGE038
是输出耦合透镜的透射系数，
Figure 86116DEST_PATH_IMAGE040
表示腔内线性损失，
Figure 201839DEST_PATH_IMAGE042
代表腔内光子数，
Figure 41619DEST_PATH_IMAGE044
表示光速；G为激光器的受激辐射速率；
Figure 669801DEST_PATH_IMAGE046
是泵浦效率，
Figure 24559DEST_PATH_IMAGE048
表示原子从高能级到低能级的自发辐射速率；
通过在一定范围内改变激光谐振腔的光学长度来控制激光器的受激辐射速率
Figure 694706DEST_PATH_IMAGE026
，如公式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
（3）
其中σ s 为激光受激发射截面，n为晶体的折射率，l为增益晶体的掺杂长度，ρ=ρ c *c w 为增益介质中掺杂原子密度，ρ c 为掺杂原子浓度为1.0%对应的原子密度，c w 为增益介质的掺杂浓度。
联立公式（1）-（3），即可得到高功率连续波单频激光器的强度噪声谱随激光谐振腔的光学长度的变化情况，实现调整谐振腔光学长度来抑制高功率连续波单频激光器的强度噪声。
к 1-к 5如以下公式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
其中γ t 为上能级自发辐射速率，角频率ω=2πf为自变量，f为分析频率。
在通过增加腔长的方法来改变受激辐射速率时，由于
Figure 825211DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 289821DEST_PATH_IMAGE036
以及
Figure 397455DEST_PATH_IMAGE032
，可得腔内光子的寿命
Figure DEST_PATH_IMAGE054
也将随着谐振腔的腔长
Figure DEST_PATH_IMAGE056
的增加而增加，即谐振腔的腔长
Figure 979614DEST_PATH_IMAGE056
增加也会导致激光的品质因数
Figure DEST_PATH_IMAGE058
增加，即光腔过滤非辐射跃迁和抑制强度噪声的能力也会增强，抑制激光器强度噪声的同时可压窄激光器的线宽。
在本发明所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中，根据公式（1）和公式（2），通过在腔内插入非线性晶体引入非线性损耗进一步抑制激光器弛豫振荡频率处的强度噪声。
高功率连续波单频激光器包括：泵浦源1、聚焦透镜2和3组成的泵浦光耦合系统、输入镜凹凸镜4、平凸镜5、平凹镜6、输出镜平凹镜7、键合增益晶体8、聚焦透镜9、10和11组成的成像系统、半波片12和磁光晶体13组成的光学单向器、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
晶体14；通过聚焦透镜9、10和11组成的成像系统操控激光器稳定工作范围，在降低激光器噪声的同时实现高功率激光输出。
在本发明所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法中，通过优化选取增益介质的材质、长度、掺杂浓度改变激光器受激辐射速率
Figure 902309DEST_PATH_IMAGE026
。
图1是根据激光器的实际参数再结合公式（1）-（3），理论模拟出作出的相对噪声强度随激光器受激辐射速率关系图。图1中，随激光器受激辐射速率的减小，激光器弛豫振荡频率强度噪声降低，激光器强度噪声谱达到量子噪声频率的截止频率减小。图2是根据图1所作出的激光器强度噪声谱达到散粒噪声基准的截止频率与谐振腔光学长度的关系图，由此可以得到噪声抑制效果显著时对应的谐振腔的光学长度。
本专利提供了一个谐振腔长为1050mm 的连续波单频激光器的实施例。所设计的L=1050mm的激光以及成像系统示意图如图3所示，选取该谐振腔的长度来抑制激光器的强度噪声主要依据是图1。
图3中标注的数字分别代表如下含义：泵浦源1、聚焦透镜2和3组成的泵浦光耦合系统、输入镜凹凸镜4、平凸镜5、平凹镜6、输出镜平凹镜7、键合增益晶体8、聚焦透镜9、10和11组成的成像系统、半波片12和磁光晶体13组成的光学单向器、非线性晶体14。
激光谐振腔是个由4、5、6、7四个镜子构成的领结结构四镜环形腔，这里的4和5是两个曲率半径为R=1500mm的凹凸镜，6和7是两个曲率半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的平凹透镜。9、10、11所表示的透镜系统是本实施例中的成像系统。其中，激光晶体的主平面与9，9与10，与10和11分别设置为100mm，100mm以及120mm，该距离的设定值可以根据ABCD矩阵理论计算得到。输入的耦合镜上镀有808nm的高透膜，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，以及1064nm的高反膜
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。5和6上镀了1064nm的高反膜
Figure 239618DEST_PATH_IMAGE066
。输出耦合镜7镀了1064nm透过率为
Figure DEST_PATH_IMAGE068
的膜和532nm的高透膜
Figure DEST_PATH_IMAGE070
。泵浦源是个808nm耦合了光纤的激光二极管（LD）。耦合光纤的纤芯直径和数值孔径分别是
Figure DEST_PATH_IMAGE072
以及0.22。泵浦辐射聚焦于530mm，注射于激光晶体。激光晶体8是由一块5mm未掺杂端盖，及15mm以
Figure DEST_PATH_IMAGE074
掺Nd的复合
Figure DEST_PATH_IMAGE076
。激光晶体的后端切了一个
Figure DEST_PATH_IMAGE078
的小角度，以保证激光稳定的偏振性。为消除空间烧孔效应以及为达到激光的单向传播，我们使用了一个由8mm长的铽镓石榴石（TGG）晶体13和半波片12组成的光学单向器。除激光晶体之外，一种I-类非临界相位匹配的三硼酸锂（LBO）晶体
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，其尺寸为
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，被插入谐振腔中以有效抑制非激光模式的振荡。激光晶体和LBO晶体的中心分别被放置在光腰为0.496mm和0.070的地方。
根据由谐振腔长度变化引起受激辐射速率变化导致激光器强度噪声谱的变化，得到了激光器噪声抑制效果显著时最佳谐振腔的光学长度。通过在最佳谐振腔光学长度的谐振腔内加入特定的成像系统实现对激光器工作稳区的操控，实现高功率低噪声激光输出，再结合在谐振腔内引入非线性损耗可以进一步降低激光器弛豫振荡处的频率。本发明在显著降低激光器强度噪声的同时，压窄了激光器的线宽。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法，其特征在于，包括步骤：
采集高功率连续波单频激光器的强度噪声谱Vf、输出耦合真空噪声Vvac，由腔内损耗引起的噪声Vlosses，从泵浦源来的噪声Vp，由自发辐射引起的噪声Vspont，由偶极波动引起的噪声Vdipole，高功率连续波单频激光器的强度噪声谱有公式(1)表示：
Vf＝k1(ωf,γf)Vvac+k2(ωf,γf)Vp+k3(ωf,γf)Vspont+k4(ωf,γf)Vdipole+k5(ωf,γf)Vlosses (1)
其中，k1,k2,k3,k4,k5分别是关于输出耦合真空噪声Vvac、由腔内损耗引起的噪声Vlosses、从泵浦源来的噪声Vp、由自发辐射引起的噪声Vspont和由偶极波动引起的噪声Vdipole的参数；ωf为激光器弛豫振荡频率，γf为激光器弛豫振荡阻尼速率；
激光器弛豫振荡频率ωf以及弛豫振荡阻尼速率γf随激光器的受激辐射速率G的变化情况如公式(2)所示：
Figure FDA0002930045230000011
其中2k＝2km+2kl，其中2km＝Tc/L和2kl＝δc/L分别是由输出损耗和腔内损耗引起的光子衰减率，T是输出耦合透镜的透射系数，δ表示腔内线性损失，L表示谐振腔腔长，c代表腔内光子数，G表示光速；Γ为激光器的受激辐射速率；γt是泵浦效率，表示原子从高能级到低能级的自发辐射速率；
通过在一定范围内改变激光谐振腔的光学长度来控制激光器的受激辐射速率，如公式(3)所示：
Figure FDA0002930045230000012
其中σs为激光受激发射截面，n为晶体的折射率，l为增益晶体的掺杂长度，ρ＝ρc*cw为增益介质中掺杂原子密度，ρc为掺杂原子浓度为1.0at.％对应的原子密度，cw为增益介质的掺杂浓度；
联立公式(1)-(3)，即可得到高功率连续波单频激光器的强度噪声谱随激光谐振腔的光学长度的变化情况，实现调整谐振腔光学长度来抑制高功率连续波单频激光器的强度噪声；
高功率连续波单频激光器包括：泵浦源(1)、聚焦透镜(2)和(3)组成的泵浦光耦合系统、输入镜凹凸镜(4)、平凸镜(5)、平凹镜(6)、输出镜平凹镜(7)、键合增益晶体(8)、聚焦透镜(9)、(10)和(11)组成的成像系统、半波片(12)和磁光晶体(13)组成的光学单向器、晶体(14)；通过聚焦透镜(9)、(10)和(11)组成的成像系统操控激光器稳定工作范围，在降低激光器噪声的同时实现高功率激光输出。
2.根据权利要求1所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法，其特征在于，根据公式(1)和公式(2)，通过在腔内插入非线性晶体引入非线性损耗进一步抑制激光器弛豫振荡频率处的强度噪声。
3.根据权利要求1所述的抑制高功率连续波单频激光器强度噪声的方法，其特征在于，通过优化选取增益介质的材质、长度、掺杂浓度改变激光器受激辐射速率。
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