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1、用于原子与通信波段激光器调谐及控制研究【摘要】：全固态连续单频可调谐激光器,具有输出光谱范围宽、输出功率高、使用方便、窄线宽及全固态等优点,因此在高灵敏度的干涉仪、高分辨率激光光谱、引力波探测、量子通讯、原子冷却及其它基础物理研究等领域获得了广泛应用。作为可调谐激光器中的代表全固态连续调谐单频钛宝石激光器由于它频谱范围宽,线宽窄,相位噪声低,功率高,等独特的优点,已成为量子通讯、量子信息处理、激光光谱等领域的重要光源。鉴于全固态连续单频可调谐钛宝石激光器在我们实验室和其它科研领域有着广泛的应用前景,为了推动我们实验室基础研究和应用研究的发展,加快我们国家自主创新的步伐,我们分别对双折射滤光片组
2、的设计、腔内标准具的锁定、锁定标准具需要的低噪声高压放大器、以及对作为泵浦源的高功率绿光激光器的控制系统设计等进行了一系列研究工作：1、设计了一个可调谐的高功率低噪声单频绿光激光器。激光器采用 LD 端面泵浦技术,谐振腔采用四镜 8 字环形谐振腔结构,通过在谐振腔内插入楔形的复合Nd:YVO4 增益晶体,倍频晶体 LBO,光学单向器,在 LD 泵浦功率为47W 时,获得了输出功率为 10.7W 的连续单频绿光激光输出 ,3 小时的功率稳定性优于0.64%, 在此基础上,通过改变标准具的工作温度,实现了激光器的频率调谐,在温度改变约 14时,激光器基频光的频率调谐范围达到了 12GHz,相应倍频
3、光的调谐范围为 24GHz,由于调谐范围覆盖了碘分子多条吸收线,因此它可在基于碘分子超精细吸收峰的光频标系统中,提供优质的激光光源。2、设计制做了 LOCK-IN、标准具探测器以及振镜电机控制信号等关键电子设备,实现了标准具与激光器腔内振荡光的锁定,为进行激光器连续调谐工作研究创造了条件。使用垂直入射 TGG+半波片的光学单向器,进行连续调谐实验,发现了 TGG 晶体和半波片对连续调谐的影响,设计了布氏角入射TGG 晶体及自然旋光补偿片的光学单向器。并总结出设计自然旋光补偿片时如何考虑 s 光反射的问题,以避免出现过补偿,为以后的实验设计工作积累了经验。在采用布氏角入射 TGG+自然旋光补偿片
4、结构的光学单向器进行的连续调谐实验中,最终实现了连续调谐 20GHz的实验结果。由于钛宝石激光器有较宽的波长调谐范围,其中 780nm光波恰好对应于铷原子跃迁线 F3/2 一 F1/2,因此可以有效俘获铷原子并将之冷却。同时,利用波长为 780nnm 激光作为泵浦光,通过 OPO技术还可获得 1560nm 纠缠源,可用于量子保密通讯研究。因此可以为铷原子的研究以及量子光学通讯提供优质光源。3、设计完成了由单片机控制的 LD 泵浦源控制系统,与我所生产的 10W 单绿光单频激光器配套使用,达到了预期的效果。在此工作中设计完成了硬件 PCB板的设计,并通过软件编程实现了预定的目标。系统开关机过程中
5、实现了 LBO 倍频晶体温度自动均匀变化,在操作逻辑顺序上由程序控制,在运行过程中发现异常可自动进入关机程序,避免了许多人为误操作带来的安全隐患；在电流设置方面,由于程序设定了上限电流,操作过程不会出现过流损坏 LD 的情况；从而操作更方便,运行更安全。4、设计完成了低噪声高压放大器的工作。通过设计电平搬移电路,将运算放大器输出电压搬移 300 多伏后,传递到末级放大作用的高压N 沟道 MOS 管的栅源之间,使低电压的运算放大器与高压晶体管可以配合工作。经过两年多本所各实验室的使用,效果良好,满足了精密实验中低噪声放大的需求。在此基础上向国家知识产权局审请国家专利,并于 2013 年 1 月
6、23 日获得授权。创新性的工作：A.利用薄标准具温度变化实现大范围激光器频率调谐。B.利用布氏角入射TGG+自然旋光补偿片避免了标准具效应对激光器连续调谐的影响。提出自然旋光补偿片过补偿及产生的原因,使补偿更加有效。C.实现标准具与激光器频率的锁定,为研究连续调谐过程中的问题创造了条件。D.利用单片机程序控制激光器泵浦源,使整个系统操作更加简便,运行更加可靠。E.设计了电平搬移电路,实现在高压放大器中运算放大器输出信号下移 300 多伏驱动高压 MOS 晶体管。 【关键词】：连续调谐钛宝石激光器低噪声高压放大器锁定【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】
7、：TN248【目录】：目录 4-7Content7-10 中文摘要 10-12Abstract12-16 第一章绪论 16-221.1 引言 161.2 研究意义 16-181.3 调谐及选取单纵模的方法 18-201.4 本文的主要工作 20-22 第二章可调谐高功率单频Nd：YVO_4/LBO 绿光激光器 22-302.1 引言 22-232.2 温度调谐理论23-242.3 实验装置 24-252.4 实验结果 25-282.5 总结 28-30 第三章连续调谐钛宝石激光器调谐控制研究 30-723.1 增益介质- 钛宝石晶体30-403.1.1 钛宝石的晶体结构和物理化学性质 30-3
8、23.1.2 钛宝石晶体的光谱特性 32-353.1.3 钛宝石晶体的品质因子 35-373.1.4Ti(3+)的宽带二能级激光系统 37-403.2 光学单向器 40-433.2.1 引言 40-413.2.2磁致旋光晶体 41-433.3 粗调谐元件-双折射滤光片 43-513.3.1 双折射滤波器简介 43-443.3.2 双折射滤波器的理论分析 44-513.4 细调谐元件-标准具 51-653.4.1 标准具 51-543.4.2 标准具的锁定和连续调谐原理 54-603.4.3 电控部分 60-653.5 实验及结果 65-703.5.1.采用垂直入射 TGG 晶体作为单向器 65
9、-683.5.2.采用布氏角入射 TGG 晶体作为单向器 68-703.6 总结 70-72 第四章激光器泵浦源程序控制系统 72-944.1 硬件部分 72-814.1.1 输入、输出接口电路 73-744.1.2 温度及电流信号的提取电路 74-754.1.3 各执行部件简介 75-764.1.4AD/DA 及其复用 76-784.1.5 显示、按键及 EEPROM 存储 78-794.1.6SPI 总线和 I2C 总线 79-814.2 软件部分 81-914.2.1 温度与电阻值的转换 83-864.2.2 键盘处理 86-874.2.3AD 和 DA 转换 87-884.2.4EEP
10、ROM 参数存储器 884.2.5 开关机 LBO 自动升降温的实现 88-894.2.6 安全逻辑互锁功能的实现 894.2.7 系统严重异常的处理 89-904.2.8 系统的调整90-914.3 实验结果 91-934.4 总结 93-94 第五章低噪声高压放大器 94-1095.1 放大器的噪声基础 94-975.1.1 约翰逊(Johnson)噪声 94-955.1.2散粒噪声 95-965.1.3 低频(1/f)噪声 965.1.4 晶体管的噪声 96-975.2 高压放大器结构 97-1045.2.1 电源部分 98-995.2.2 偏置信号调整 99-1005.2.3 高压放大主电路 100-1035.2.4 电路的反馈环分析 103-1045.3实验结果 104-1075.4 总结 107-109 第六章总结与展望 109-111 参考文献 111-116 附录：激光器泵浦源 LD 电流及温度控制程序清单116-150 博士期间已发表的期刊论文 150-151 致谢 151-152 个人简况及联系方式 152-154 本论文购买请联系页眉网站。
