电压放大器在双波长外腔共振和频研究中的应用
实验名称：双波长外腔共振和频过程中腔参数优化的研究
测试设备：电压放大器、光电探测器、PZT等。
实验过程：
图1：双波长外腔共振和频的实验装置
M：腔镜；PPLN：周期极化银酸锂晶体；LEN：模式匹配透镜；PBS：偏振分束棱镜；PD：光电探测器；PID：比例积分微分控制器；HVA：电压放大器；PZT：压电陶瓷；R：反射平面镜
利用双波长外腔共振技术及周期性极化银酸锂晶体PPLN实现938nm和1583nm两激光和频从而产生589nm钠黄光的实验装置如图1所示。为了优化光束质量，采用单模光纤对输出激光束进行整形，最终的耦合效率优于50%。外腔是由两平面镜M1、M2和两曲率半径为50mm的凹面镜M3、M4构成的蝶形环形腔，这种腔形不仅能满足双波长共振和频技术的要求同时可以将两束种子光分别从两个腔镜入射，降低了实验的难度。实验中所采用非线性晶体是长宽高分别为10mm*3mm*1mm的PPLN晶体，并将其放在温控炉上对其进行温度控制。由于PPLN晶体采用了Ⅰ类相位匹配进行和频，所以对938nm激光器的要求是e1轴方向偏振，对1583nm激光器的要求也是e1轴方向偏振，分别可以通过调节各自的波片实现。晶体和蝶形环形腔的实物如图2所示。
图2：实验中所用的晶体和搭建的蝶形环形腔：（a）晶体；（b）蝶形环形腔。
两基频光与蝶形环形腔利用频率锁定技术进行级联锁定，探测器将测得的光信号转变为电信号并输入减法器1，减法器将两信号相减后产生误差信号，此过程为H-C1。由于外腔内放置有非线性晶体，若激光与腔共振，则腔镜M2后的反射光为线偏振光，分成的两束光光强相同，相减后为0，若激光与腔不共振，则M2后的反射光为椭圆偏振光，分成的两束光光强不同，相减后不为0，这种反射信号的偏振态随着腔模失谐频率变化而产生的误差信号具有奇函数特征，因此可以对激光与腔进行频率锁定。最后将这个误差信号经过PID1，对比例增益以及积分带宽进行设置后反馈到电压放大器控制的压电陶瓷PZT上，通过压电陶瓷的伸缩来实现环形腔腔模频率到938nm激光器输出频率的锁定。同样，在1583nm激光器输出频率到环形腔腔模频率的锁定过程具体为腔镜M4后的反射光束通过与H-C1相同的过程H-C2后产生误差信号，最后将这个误差信号经过PID2，对比例增益以及积分带宽进行设置后反馈到1583nm激光器的调制端口上，通过对1583nm激光器的频率控制实现其到环形腔的频率锁定。这样，环形腔腔模频率锁定到938nm激光器的输出频率上，1583nm激光器的输出频率锁定到环形腔腔模频率上，从而实现了三者之间的相位关联锁定，使它们之间的频率相对稳定。另外，腔镜M3的透射信号被另一个探测器PD5探测，然后输入到示波器采集数据。在蝶形环形腔中实现了双波长共振之后，938nm和1583nm基频光将在腔内与PPLN晶体相互作用，产生589nm的基频光，并对一些实验结果进行测量与分析。
实验结果：
图3：589nm和频光功率随PPLN晶体温度的变化曲线
由于实验中PPLN晶体的相位匹配方式是温度匹配，所以通过温度的改变，和频过程中的相位匹配参数能达到最优化的值。图3是不同晶体温度下589nm和频光输出功率的变化曲线，从图中可以看出，温度对晶体和频转化效率的影响较大，当温度为112.5℃时，晶体的和频转化效率最大，此时获得的最高和频光功率为204.3mW。由此可见实验结果低于理论计算结果。这个差异可能主要是由于实验中不完全的模式匹配造成的。
图4：589nm和频光输出功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图。实线：理论模拟结果；点：实验结果
图5：外腔对938nm基频光的反射光功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图。实线：理论模拟结果；点：实验结果
图6：外腔对1583nm基频光的反射光功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图：（a）腔不内存在938nm共振激光；（b）腔内存在938nm共振激光。实线：理论模拟结果；点：实验结果
为了与理论结果进行对比，在晶体温度为112.5℃时，将938nm和1583nm激光进行共振和频，其中938nm基频光的功率为300mW，1583nm基频光功率从0mW到500mW之间进行变化，但是无论功率如何变化，双波长外腔共振系统始终处在阻抗欠耦合情况下。图4为589nm和频光输出功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图，图中实线为理论模拟的结果，点线为实验结果。从图中可以看出，随着1583nm基频光入射功率的增加，理论模拟和实验的结果中589nm和频光功率都在增加，当1583nm基频光的功率为500mW时，得到589nm和频光的最高功率为204.3mW。这时，对于进入腔内的938nm基频光其和频转化效率为61.1%。实验结果和理论模拟结果符合的较好。图5为外腔对938nm基频光的反射光功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图。同样图中实线为理论模拟的结果，点线为实验结果。从图中可以看出随着1583nm基频光入射功率的增加，被外腔反射的938nm功率减��，而938nm入射光功率是不变的，说明随着1583nm入射光功率的增加和频转换效率逐渐增大，所消耗的938nm基频光功率逐渐增加。实验结果和理论模拟结果也符合的较好。图6分别为腔内存在938nm共振激光与没有938nm共振激光时，外腔对1583nm基频光的反射光功率随着1583nm基频光输入功率变化的曲线图。图中实线为理论模拟的结果，点线为实验结果。从图中可以看出，随着1583nm基频光入射功率的增加，被外腔反射的1583nm功率也相应增大，但是当腔内存在938nm共振激光时，由于和频的发生消耗掉一部分1583nm激光，因此与腔内没有938nm共振激光的情况相比较被外腔反射的1583nm激光功率要低。实验结果和理论模拟结果也符合的非常好。
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