CN117154527A - 一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置与方法，属于固体激光和光量子技术领域。针对目前双色关联光束输出方法需要额外使用价格昂贵、体积庞大的装置的问题，本发明为一种在利用双掺杂增益介质，常规谐振腔长、易操作、不插入其他光学器件条件下实现双色关联光束输出的方法。本发明的核心为：在谐振腔内放置一个掺杂有两种激活离子的增益介质，通过设计双掺杂增益介质的掺杂离子浓度，调控两种掺杂离子间能量转移效率，在此基础上理论设计镀膜参数，使得双波长激光具有相同的振荡阈值。可以直接获得低噪声双色关联光束输出。
Description
技术领域
本发明属于固体激光和光量子技术领域，具体涉及一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置与方法。
背景技术
量子关联光源，如关联光子对、量子关联光束等，是实现量子离物传态、量子秘钥分发等连续变量量子信息应用的重要量子资源；同时该光源还可应用于量子生物检测和成像等领域，实现生物安全辐照剂量限制下的检测信噪比或成像分辨率的提升。
双色输出的量子关联光束可以显著拓展量子关联光源的应用效能，例如基于红外/红光双色量子关联光束可以建立光与原子体系之间的关联或纠缠，基于红外/可见光双色量子关联光束可以实现大气折射率分布的量子增强探测、液体样品的量子增强吸收光谱测量等。目前产生双色量子关联光束的主要方式为参量下转换：利用连续单频固体激光器作为泵浦源泵浦基于非线性晶体的光学参量振荡器。当参量振荡器工作在阈值以上的近阈值功率处时，测量双色输出光的强度差噪声，可以观察到在部分频段强度差噪声低于散粒噪声极限。但是这种方法装置庞大、价格昂贵、需要严格的相位匹配，因此工作稳定性受环境影响较大。
已有的双色关联光束输出方法一般需要增加额外的光学装置，不仅增加了设计与调试难度、提高了制作成本，而且运转稳定性相对较差。
因此，亟需一种装置简单，易实现、噪声低、成本低的双色关联光束产生的方案。
发明内容
针对目前双色关联光束输出方法需要额外使用价格昂贵、体积庞大的装置的问题，本发明提供了一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置与方法。
本发明提出一种可以利用双掺杂增益介质，常规谐振腔长、易操作、不插入其他光学器件条件下实现双色关联光束输出的方法。本发明的核心为：在谐振腔内放置一个掺杂有两种激活离子的增益介质，设计双掺杂增益介质的两离子浓度，进而控制激光阈值与两离子间能量转移效率，并设计镀膜参数以及谐振腔形状。在两种激活离子的激光跃迁阈值基本一致时，在阈值以上的近阈值处，两束输出光之间的强度差噪声起伏低于散粒噪声极限。可以获得装置简单，易实现、噪声低、成本低、能量利用率高的双色关联光束输出。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于双掺增益介质的双色关联光束的输出方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所需求双色关联光束的光波长选择双掺增益介质的种类；
步骤2，根据双掺杂增益介质中两种激活离子的自发辐射寿命与掺杂浓度之间的关系，设计合适的掺杂浓度，并计算出相应的能量转移效率，建立双波长速率方程；
步骤3，根据双波长速率方程，模拟计算出使得两种激活离子的激光跃迁阈值基本一致的内腔损耗色散特性，即输入镜和输出镜镀膜的色散特性；
步骤4，根据ABCD矩阵调整激光器谐振腔的参数，并且满足谐振腔的稳定性；
步骤5，根据理论设计的谐振腔参数，搭建谐振腔，实现目标激光光束输出；
步骤6，控制泵浦光功率，实现双色关联光束输出。
进一步，所述双色关联光束的光波长为1550nm和1040nm、2940nm和1060nm。
进一步，所述步骤2中根据双掺杂增益介质中两种激活离子的自发辐射寿命与掺杂浓度之间的关系，设计合适的掺杂浓度，并计算出相应的能量转移效率，建立双波长速率方程的具体过程为：
能量转移效率为：
τ2为第一个掺杂离子(施主粒子)在单掺增益介质的下能级的寿命，τ2’为共掺晶体中第一个掺杂离子(施主粒子)的下能级的寿命；
两个离子间的能量转移系数为：
N为第二个掺杂离子(受主粒子)的总粒子数密度；
建立双波长速率方程：
步骤2.1，分析与激光产生过程(粒子数反转)相关的能量过程；
步骤2.2，得出各个能量过程对应的微分方程；
步骤2.3，假设n个能级参与光与物质的相互作用，根据各能级所牵涉的能量过程，将相关能量过程对应的微分方程相加/相减(根据能量过程是导致该能级粒子数增加还是减少)，为该能级对应的速率方程，共n-1个独立方程；
步骤2.4，将步骤2.3建立的速率方程组化简为未知量只包含一个能级的粒子数密度(或反转粒子数密度)的速率方程；
步骤2.5，分析谐振腔的增益和损耗。得出内腔光子数密度的速率方程；
步骤2.6，联立步骤2.4和步骤2.5的两个方程，根据稳态条件进行解析或数值求解；
其中，NY为第一个掺杂离子的总粒子数密度，N1Y和N2Y分别表示第一个掺杂离子的下能级和上能级的粒子数密度；NE为第二个掺杂离子的总粒子数密度，N1E和N2E分别为第二个掺杂离子的下能级和上能级的粒子数密度；σE是第二个掺杂离子的受激辐射截面；σaY为第一个掺杂离子的吸收截面；σY为第一个掺杂离子的受激辐射截面；γY为第一个掺杂离子上能级的自发辐射几率，γE为第二个掺杂离子上能级的自发辐射几率；KN2YN1E代表由于能量转移而导致的粒子数的变化；N＝N2E-N1E为反转粒子数密度；CN2 E2代表共协上转换引起的粒子数密度的变化；φ为腔内光子数密度，Φ为腔内光子数；WP为抽运光子流密度；δ和c0是腔内往返损耗及光速；n是激光介质折射率；τR是光子在腔内的寿命；
稳定运转时离子能级的粒子数密度和腔内光子数密度对时间的微分为零，即通过MATLAB数值模拟，得出两离子掺杂浓度，此时两种激活离子的激光跃迁阈值基本一致，在阈值以上的近阈值处，两束输出光之间的强度差噪声起伏低于散粒噪声极限；
根据光线通过不同光学元件的变换规律，构造光线传输的ABCD矩阵；
以平凹腔为例，如下所示：
满足腔稳定的条件为：
两个离子间的能量传递属于共振能量传递，其中一个离子吸收激发能后从基态跃迁到激发态，然后通过自身的辐射或无辐射跃迁回到基态，或者把能量传递给附近的另一个离子回到基态。其中，自身的辐射或无辐射跃迁与能量传递是竞争的过程。通过设计双掺杂增益介质中的两离子浓度，当其他参数不变时，只改变掺杂离子浓度，激光阈值和斜率效率都会发生变化。这样就可以通过合理控制离子浓度，进而控制激光阈值与两离子间能量转移效率，最终实现双色关联光束输出及其调控。
进一步，双掺增益介质的种类为钕、铥都可以与铒和镱共掺甚至三掺。
进一步，不限于1微米/1.5微米、1微米/2微米等双色关联光束输出。
一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置，包括泵浦源、整形透镜组、输入镜、激光增益介质、控温水冷热沉、单向器、G腔镜、H腔镜、输出镜、双色镜。
进一步，以泵浦源作为泵浦光光源，泵浦光经过整形透镜组中的两个透镜整形和聚焦到晶体中心，通过输入镜被激光增益介质吸收并导致粒子数反转，在环形腔内形成激光振荡，最后经过单向器由输出镜输出双色关联光束并通过双色镜进行区分。
本发明的原理是在固体激光器的基础上，利用一个掺杂有两种激活离子的增益介质，其中两种激活离子具有一对相匹配的能级，使得在粒子间距足够小时，可实现粒子之间的高效能量转移。当通过合理的谐振腔尺寸、镀膜设计，使得两种激活离子的激光跃迁阈值基本一致时，在阈值以上的近阈值处，两束输出光之间的强度差噪声起伏低于散粒噪声极限。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明方法通过确定双掺杂增益介质的种类，选择调控增益介质中离子浓度，选择合适的谐振腔镀膜，实现双色关联光束输出，有效解决了传统双色关联光束输出系统导致其整个装置结构复杂，调节困难的问题，无需其它光学元件、方法简单、易于操作、成本较低。具有极高的应用价值和实用价值。
相比于其它双波长激光光源，本发明方法利用双掺杂增益介质，它不影响到激光本身的输出，两个波长的激光输出是由两种激活离子分别跃迁辐射的，不存在模式竞争问题。更重要的是，输出2束光之间存在较强的量子强度关联。
附图说明
图1为本发明提供的基于双掺增益介质的双色关联光束输出方法流程图:
图2为本发明实施例1提供的一种基于双掺增益介质的双色关联光束激光器装置；
其中，1-泵浦源；2-整形透镜组；3-输入镜；4-激光增益介质；5-控温水冷热沉；6-输出镜；7-双色镜；8-G腔镜；9-H腔镜；10-单向器。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种基于双掺增益介质的双色关联光束激光器装置。包括泵浦源1、整形透镜组2、输入镜3、激光增益介质4、控温水冷热沉5、输出镜6、双色镜7、G腔镜8、H腔镜9、单向器10；由输入镜3、G腔镜8、H腔镜9和输出镜6形成环形腔。如图2所示。
所述泵浦源1作为泵浦光光源，泵浦光经过整形透镜组2后，通过输入镜3后使激光增益介质4粒子数反转，当腔内增益大于损耗时，再由G腔镜8，H腔镜9，输出镜6、输入镜3组成的谐振腔内形成激光振荡，单向器10用于控制振荡激光单向通过，由输出镜6输出双色关联光束并通过双色镜7进行区分。
实施例2
如图1所示，本实施例提供了一种基于实施例1所述的双色关联光束输出方法，包括以下步骤：
S1、根据需求双色关联光束选择双掺增益介质的种类；如：需求双色关联光束为1040nm和1550nm，根据Er,Yb；YAB晶体中Yb离子可辐射1040nm激光，Er离子可辐射1550nm激光，因此选择Er,Yb:YAB晶体。
S2、根根据双掺杂增益介质中两种激活离子的自发辐射寿命与掺杂浓度之间的关系，设计合适的掺杂浓度，并计算出相应的能量转移效率，建立双波长速率方程，以Er,Yb:YAB晶体为例。
能量转移效率为：
τ2为Yb:YAB中Yb3+在第2F5/2能级的寿命，τ2’为Er,Yb:YAB晶体中Yb3+离子2F5/2能级的寿命；
两个离子间的能量传递系数为:
N为Er3+的总粒子数密度。
理论计算Er3+和Yb3+离子能级的粒子数密度和腔内光子数随时间的变化方程：
其中，N1Y和N2Y分别表示Yb3+的2F7/2,2F5/2能级的粒子数密度，NY为Yb3+离子总粒子数密度；N1E和N2E分别为Er3+的4I15/2和4I13/2能级的粒子数密度，N＝N2E-N1E为反转粒子数密度；为腔内光子数密度，Φ为腔内光子数；KN2YN1E代表由于能量转移而导致的粒子数的变化；CN2 E2代表共协上转换引起的粒子数密度的变化；γY，γE为2F5/2(Yb3+)，4I13/2(Er3+)能级的自发辐射几率；WP为抽运光子流密度；σaY为Yb3+的吸收截面；τR是光子在腔内的寿命；δ和c0是腔内往返损耗及光速；σE是Er3+的受激辐射截面,σY为Yb3+的受激辐射截面；n是激光介质折射率。
具体包括稳定运转时离子能级的粒子数密度和腔内光子数密度对时间的微分为零，即通过MATLAB数值模拟，两离子掺杂浓度分别为Er(1.5at.％),Yb(5at.％)时控制能量转移效率，双色关联光束阈值基本一致。
S3、模拟计算输入镜和输出镜的镀膜参数。输入镜采用曲率半径为100mm、HR@1540nm～1550nm(R＞99.8％)&HR@1035-1090nm(R＞99.9％)&HT@976nm(T>95％)的透镜，G腔镜和H腔镜为HR@1550nm&1040nm，输出耦合镜采用曲率半径100mm、T>20％@1520nm～1535nm、T≈3.5％@1540nm-1550nm和T＝0.5％@1035-1090nm的透镜，双色镜为HR@1.5μm&HT@1μm。
S4、根据所设计镀膜参数，利用程序调整附图2固体激光器谐振腔参数，满足谐振腔的稳定性。作为一种具体的实施方式，建立ABCD矩阵，为了使得输出激光具有更高的功率，设计谐振腔为环形腔，泵浦光在环形腔中激光晶体处光斑尺寸为80μm，并且满足热透镜效应和谐振腔稳定性条件。通过合理的谐振腔尺寸、镀膜设计，使得2种激活离子的激光跃迁阈值基本一致时，当输入光的功率在阈值以上的近阈值处，两束输出光之间的强度差噪声起伏低于散粒噪声极限。
S5、根据前述步确定的腔形结构搭建双色关联光束输出装置，图2所搭建整形装置的实施条件为：泵浦源采用中心波长为976nm LD激光器；增益介质为掺杂浓度分别是Er(1.5.at％),Yb(5.at％)的Er,Yb:YAB晶体，尺寸为3mm×3mm×2mm；图2中激光谐振腔为环形腔，输入耦合镜与输出耦合镜都采用曲率半径100mm的平凹镜。
泵浦光通过两个透镜整形和聚焦到晶体中心，经过输入镜，使增益介质粒子数反转，在激光腔内形成振荡，通过单向器，由输出镜输出双色关联光束并通过双色镜进行区分。
实施例3
S1、根据需求双色关联光束选择双掺增益介质的种类；如：需求双色关联光束为2940nm和1060nm，根据Er,Nd:YAG晶体中Er离子可辐射2940nm激光，Nd离子可辐射1060nm激光，因此选择Er,Nd:YAG晶体。
S2、根据双掺杂增益介质中两种激活离子的自发辐射寿命与掺杂浓度之间的关系，设计合适的掺杂浓度，并计算出相应的能量转移效率，建立双波长速率方程，以Er,Nd；YAG晶体为例。
能量转移效率为：
τ2为在Nd:YAG中Nd3+在4I11/2能级的寿命，τ2’为Nd3+在Er,Nd:YAG晶体中4I11/2能级的寿命；
两个离子间的能量转移系数为：
N为Er3+的总粒子数密度。
理论计算Er3+和Nd3+的能级的粒子数密度和腔内光子数随时间的变化方程：
其中，N1N和N2N分别表示Nd3+的4I11/2,4F3/2能级的粒子数密度，NN为Nd3+离子总粒子数密度；N1E和N2E分别为Er3+的4I13/2和4I11/2能级的粒子数密度，N＝N2E-N1E为反转粒子数密度；为腔内光子数密度，Φ为腔内光子数；KN2NN1E代表由于能量转移而导致的粒子数的变化；CN2 E2代表共协上转换引起的粒子数密度的变化；γN，γE为4F3/2(Nd3+)，4I11/2(Er3+)能级的自发辐射几率；WP为抽运光子流密度；σaN为Nd3+的吸收截面；τR是光子在腔内的寿命；δ和c0是腔内往返损耗及光速；σE是Er3+的受激辐射截面,σN为Nd3+的受激辐射截面；n是激光介质折射率。
具体包括稳定运转时离子能级的粒子数密度和腔内光子数密度对时间的微分为零，即通过MATLAB数值模拟，两离子掺杂浓度分别为Er(15at.％)，Yb(10at.％)时控制能量转移效率，双色关联光束阈值基本一致。
S3、模拟计算输入镜和输出镜的镀膜参数。输入镜采用曲率半径为100mm、HR@2900nm～2940nm(R＞99.8％)&HR@1064nm(R＞99.9％)&HT@976nm(T>95％)的透镜，G腔镜和H腔镜为HR@2940nm&1064nm，输出耦合镜采用曲率半径100mm、T>20％@2900nm～2940nm、T≈3.5％@1064nm的透镜，双色镜为HR@2.9μm&HT@1.06μm。
S4、根据所设计镀膜参数，利用程序调整附图2固体激光器谐振腔参数，满足谐振腔的稳定性。作为一种具体的实施方式，建立ABCD矩阵，为了使得输出激光具有更高的功率，设计谐振腔为环形腔，泵浦光在环形腔中激光晶体处光斑尺寸为70μm，并且满足热透镜效应和谐振腔稳定性条件。通过合理的谐振腔尺寸、镀膜设计，使得2种激活离子的激光跃迁阈值基本一致时，当输入光的功率在阈值以上的近阈值处，两束输出光之间的强度差噪声起伏低于散粒噪声极限。
S5、根据前述步确定的腔形结构搭建双色关联光束输出装置，图2所搭建整形装置的实施条件为：泵浦源采用中心波长为976nm LD激光器；增益介质为掺杂浓度分别是Er(15.at％),Nd(10.at％)的Er,Nd:YAG晶体，尺寸为2mm×3mm×4mm；图2中激光谐振腔为环形腔，输入耦合镜和输出耦合镜采用曲率半径100mm的平凹镜。
泵浦光通过两个透镜整形和聚焦到晶体中心，经过输入镜，使增益介质粒子数反转，在激光腔内形成振荡，通过单向器，由输出镜输出双色关联光束并通过双色镜进行区分。
本实施例提供的方法适用于含有任意多掺杂增益介质实现双色关联光束输出系统，该方法不限于目标关联光源。该方法中控制掺杂离子浓度但不限于多掺杂增益介质种类(如钕、铥等都可以和铒或镱共掺甚至三掺)。
现有技术利用光学参量振荡器产生双色量子关联光束的方法与本发明基本没有相似之处。不同之处包括：前者的基本机制是光参量振荡非线性过程，本发明的基本机制是利用2种掺杂离子之间的能量转移非线性过程；前者需要单频激光器、参量振荡器2套装置和控制系统，本发明只需要单频激光器1套装置；前者需要通过精确控温、精密光束控制实现严格的相位匹配，本发明只需要在谐振腔设计时保证工作点位于谐振腔稳区、控制双掺晶体的掺杂浓度即可。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种基于双掺增益介质的双色关联光束的输出方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，根据所需求双色关联光束的光波长选择双掺增益介质的种类；
步骤2，根据双掺杂增益介质中两种激活离子的自发辐射寿命与掺杂浓度之间的关系，设计合适的掺杂浓度，并计算出相应的能量转移效率，建立双波长速率方程；
步骤3，根据双波长速率方程，模拟计算出使得两种激活离子的激光跃迁阈值基本一致的内腔损耗色散特性，即输入镜和输出镜镀膜的色散特性；
步骤4，根据ABCD矩阵调整激光器谐振腔的参数，并且满足谐振腔的稳定性；
步骤5，根据理论设计的谐振腔参数，搭建谐振腔，实现目标激光光束输出；
步骤6，控制泵浦光功率，实现双色关联光束输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于双掺增益介质的双色关联光束的输出方法，其特征在于：所述双掺杂增益介质必须满足2种掺杂离子具有一对共振能级的条件。
3.根据权利要求1所述的一种基于双掺增益介质的双色关联光束的输出方法，其特征在于：双色关联光束产生条件为输出的双波长激光具有相同的振荡阈值。
4.一种基于双掺增益介质的双色关联光束的产生装置，其特征在于：包括泵浦源、整形透镜组、输入镜、激光增益介质、控温水冷热沉、输出镜、双色镜、G腔镜、H腔镜、单向器；由输入镜、G腔镜、H腔镜和输出镜构成谐振腔，所述谐振腔为单向行波环形腔结构；所述整形透镜组由两个透镜组成，泵浦源为泵浦光光源。
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