一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法
【专利摘要】本发明提供了一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，此方法包括以下步骤：调节信号光与光学参量腔模式匹配；锁定光学参量腔，获得信号光的倍频光输出；调节倍频光与辅助的非简并光学腔模式匹配；从另一个方向上调节泵浦光与非简并光学腔模式匹配；获得泵浦光与光学参量腔模式匹配。该方法操作方便、匹配精度高、结果直观，具有很好的实用价值。
【专利说明】一种调节栗浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，具体是一种利用一个非简并光学腔作为辅助模式匹配腔，将非共振光束与光学参量腔的模式匹配转换为光束与辅助腔模式匹配的方法。
【背景技术】
[0002]压缩态光场是一种非常重要的非经典光场，可以应用于引力波的探测、光学精密测量、纠缠态光场的产生、量子通讯等研究领域。尤其在量子通讯方面，两个单模压缩态光场或者一个双模压缩态光场可用来产生纠缠光，纠缠光作为量子信息的基础和核心，可以完成量子纠缠交换、超微弱信息的量子传输、量子保密通信、量子密集编码和量子离物传态等量子通信领域的重要原理性实验。
[0003]光学参量振荡过程是获得压缩态光场的重要技术手段，根据光学参量振荡腔量子噪声的理论分析，可以得到正交分量压缩的理论表达式(P.K.Lam, T.C.Ralph, B.C.Buchlerer al., Optimizat1n and transfer of vacuum squeezing from an optical parametricoscillator, J.0pt.B:Quantum Semiclass.0pt.1 (1999) 469-474)如下:
4JP/Pih
[0004]Var = 1- η^η?Αη^-....................................rj(a)
(Q/ry+ii + yfpTp；)
[0005]其中，Il _是光学参量振荡腔的逃逸效率，同等条件下，逃逸效率越高，获得的压缩度越高。逃逸效率为光学参量振荡腔输出耦合透射率与总损耗的比值，对于固定的输出耦合透射率，光学参量腔的内腔损耗越小，逃逸效率越高。而内腔损耗不仅与腔内光学元件的质量，而且与信号光与光学参量腔的模匹配效率有关。模匹配效率越高，逃逸效率越高，压缩度越高。因此，信号光的模式匹配效率的提高是获得高质量压缩的关键。从公式(a)可知，另一个影响压缩度的参数是光学参量腔的阈值Pth，光学参量振荡腔的阈值越高，获得同样的参量增益需要的泵浦功率越高，而泵浦功率的提高会导致非线性晶体的热效应加剧，影响压缩光的获得。同时需要提高泵浦光的功率来满足经典增益的要求，为泵浦激光器提出更高要求。在其它条件相同的情况下，光学参量腔的阈值Pth和泵浦光与光学参量腔的匹配效率有关，泵浦光与光学参量腔的匹配效率越高，光学参量腔的阈值越低，越容易获得高压缩度光。另外，如果泵浦光与光学参量腔的模式匹配效率不高，泵浦光可能会激发光学参量腔内的高阶横模振荡，影响泵浦光与基模信号光相互作用的效率。因此，获得高效率的泵浦光与光学参量腔模式匹配是获得高质量压缩的另一个关键因素。
[0006]信号光在光学参量腔中振荡，因而扫描腔长透射信号的精细度较高，可以观察主模强度占所有模式强度的比例，得到模式匹配效率。通过选用合适的透镜组和调整信号光的方向使模式匹配效率达到最大，一般要求模式匹配效率大于99%。在单共振光学参量腔中，泵浦光在光学参量腔中不共振(一般为双次通过)，透射信号的精细度很低，形状如图1所示，匹配不好导致的小模被淹没在主模中，不能直接观察透射信号得到模式匹配效率的大小。
[0007]现有技术中，研究人员通常会先更换一组对泵浦光共振的光学参量腔腔镜(该腔中泵浦光的精细度高)，然后选用合适的透镜组和调整泵浦光的方向使模式匹配效率达到最大，匹配好后再换回对泵浦光不共振的腔镜。更换腔镜不仅麻烦，而且更换过程中腔长难免变化，影响实际的模式匹配效率。
[0008]现有技术的另一种方法是在同样的泵浦功率下，观察光学参量腔的经典增益大小，经典增益越高，表明泵浦光与光学参量腔的模式匹配效率越高。该方法的缺陷是只能比较调节过程中模式匹配效率的相对大小(比如模式匹配效率是提高还是降低)，而并不知道绝对模式匹配效率的值(是否达到99%)，调节过程盲目。因而，不仅操作过程繁琐，而且对模式匹配效率的衡量不直观。
[0009]本发明提出一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，可以在不更换光学参量腔腔镜的情况下，利用辅助的非简并光学腔，并能通过观察辅助腔的透射信号直接获得模式匹配效率的数值，获得泵浦光与光学参量腔高效率的模式匹配。具有简单、精确、直观等优点，具有重要的应用价值。
【发明内容】
:
[0010]本发明的目的是提供一种简便、精确、直观地调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法。
[0011]本发明的核心思想是把调节光学参量腔中非共振的泵浦光束的模式匹配转化为调节泵浦光束与共振辅助的非简并光学腔的模式匹配。首先，采用放置在信号光光路中的透镜组变换信号光的参数，使信号光与光学参量腔实现模式匹配；然后，锁定光学参量腔的腔长使信号光在光学参量腔内共振增强，获得信号光的倍频光输出；用一个非简并光学腔作为辅助腔，将光学参量腔输出的倍频光注入非简并光学腔，并用透镜组变换倍频光的参数使倍频光与非简并光学腔实现模式匹配；将泵浦光从辅助腔的另一边注入辅助腔，并用透镜组变换泵浦光光束参数，使泵浦光与辅助腔实现模式匹配；由于泵浦光与倍频光的波长相等，根据光路可逆性原理，即实现泵浦光与光学参量腔模式匹配。
[0012]本发明提供了一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0013]I)、用放置在光学参量腔前信号光光路中的第一透镜组变换信号光在光学参量腔内的模式尺寸，使信号光与光学参量腔的本征模实现模式匹配。
[0014]在光学参量腔前插入合适焦距的第一透镜组，变换信号光的横模尺寸，使其横模模式与光学参量腔的本征模模式一致。调节第一导光镜组，使信号光束在光学参量腔内谐振并与其本征模完全重合，通过第一压电陶瓷扫描光学参量腔的腔长，由第三探测器即可观察到光学参量腔输出激光的透射峰曲线。由于信号光是光学参量腔的共振光束，精细度较高，可以通过直接观察透射峰各个模式的比例得到信号光与光学参量腔模式匹配的程度。在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的I %以下时，此时即实现了信号光束与光学参量腔的模式匹配。
[0015]2)、锁定光学参量腔的腔长，使光学参量腔的腔长在信号光的频率上满足谐振增强条件，获得信号光的的倍频光输出。
[0016]锁定光学参量腔的腔长后,光学参量腔内信号光的功率密度较高,在光学参量腔内的非线性晶体中发生相互作用，获得信号光的倍频光输出，该倍频光的波长与泵浦光的波长相同，光束参数(腰斑、发散角)与泵浦光最佳模式匹配时的光束参数相同。
[0017]3)、将光学参量腔锁定后获得的倍频光导入一个辅助的非简并光学腔，用放置在光学参量腔和非简并光学腔之间的第二透镜组变换倍频光在非简并光学腔内的模式尺寸，使倍频光与非简并光学腔的本征模实现模式匹配。
[0018]选取所有腔镜都对泵浦光高反的非简并光学腔作为辅助腔，因而辅助腔对泵浦光(和倍频光)的精细度都很高，可以通过直接观察透射峰各个模式的比例得到信号光与光学参量腔模式匹配的程度。在光学参量腔后插入合适焦距的第二透镜组，变换倍频光束的横模尺寸，使其横模模式与辅助腔的本征模模式一致。调节第二导光镜组，使倍频光束在辅助腔内谐振并与其本征模完全重合，通过第二压电陶瓷扫描辅助腔的腔长，由第一探测器即可观察到辅助腔输出激光的透射峰曲线。在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1%以下时，此时即实现了倍频光束与辅助腔的模式匹配。
[0019]4)、用放置在非简并光学腔另一端的第三透镜组变换泵浦光在非简并光学腔内的模式尺寸，使泵浦光与非简并光学腔的本征模实现模式匹配。
[0020]在辅助腔的另一端，泵浦光的入射光路上插入合适焦距的第三透镜组，变换泵浦光束的横模尺寸，使其横模模式与辅助腔的本征模模式一致。调节导第三光镜组，使泵浦光束在辅助腔内谐振并与其本征模完全重合，通过第二压电陶瓷扫描辅助腔的腔长，由第二探测器即可观察到辅助腔输出激光的透射峰曲线。在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1%以下时，此时即实现了泵浦光束与辅助腔的模式匹配。
[0021]5)、泵浦光与倍频光波长相等，根据光路可逆性原理可知，泵浦光与光学参量腔的本征模实现了模式匹配。
[0022]所述的光学参量振荡腔是两镜腔、三镜腔或四镜腔等。
[0023]所述的光学参量振荡腔内包含光学非线性晶体。非线性晶体用于泵浦光和信号光非线性相互作用获得压缩光。同时，在泵浦光与光学参量腔模式匹配时用作倍频晶体。
[0024]所述的在步骤I)、步骤3)和步骤4)实现模式匹配时所采用的透镜组是一个或者多个透镜的组合。需要根据原光束的参数和目标光束的参数进行透镜组的选取，使原光束经过透镜组变换后的光束与腔本征模的的腰斑大小相等，位置重合。
[0025]通过该方法的实施，可以把调节光学参量腔中非共振的泵浦光束的模式匹配转化为调节泵浦光束与共振辅助腔的模式匹配。具有简便、高效和精确等优点，对获得高质量压缩光输出具有重要意义。
[0026]本发明所述的调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法与传统的方法相比具有以下优点:
[0027](I)与更换对泵浦光高反的腔镜进行模式匹配的方法相比，该方法不需要更换光学参量腔的腔镜，而是将不易观察模式匹配效率的非共振模与光学参量腔匹配转换为非共振模与辅助腔的模式匹配，避免了腔镜更换过程中光学参量腔腔长的变化，具有调节简便和精确的优点。
[0028](2)与观察光学参量腔的经典增益进行模式匹配的方法相比，该方法可以直接读出模式匹配效率的高低，具有直观和高效的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是扫描光学参量腔时，泵浦光束的透射峰曲线
[0030]图2是利用非简并三镜光学腔作为辅助腔，调节泵浦光束与两镜光学参量腔模式匹配，及信号光、泵浦光产生的装置示意图
[0031]图3是实施例1中，扫描三镜非简并光学腔时，倍频光的透射峰曲线
[0032]图4是利用非简并两镜光学腔作为辅助腔，调节泵浦光束与四镜光学参量腔模式匹配，及信号光、泵浦光产生的装置示意图
[0033]图中:1_光学参量腔,2-信号光,3-泵浦光,4-第一透镜组,5-第一导光镜组，6-非线性晶体，7-信号光的倍频光，8-双色分束镜，9-第二透镜组，10-第二导光镜组，11-非简并光学腔，12-第三导光镜组，13-第三透镜组，14-第一压电陶瓷，15-第二压电陶瓷，16-第一探测器，17-第二探测器，18-第一折叠镜，19-第二折叠镜，20-第三探测器，21-激光器，22-光学分束器，23-倍频腔。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】做出进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0035]实施例1.利用非简并三镜光学腔作为辅助腔，调节泵浦光束与两镜光学参量腔模式匹配，及信号光、泵浦光产生的装置，如图2所示。
[0036]激光器21输出的光束经光学分束器22后成为两束光,一束作为光学参量腔I的信号光2，另一束注入倍频腔23，得到二倍频输出，作为光学参量腔I的泵浦光3。激光器21的输出波长为1064nm，二倍频的波长为532nm。调节泵浦光3与光学参量腔I模式匹配的步骤如下:首先，在光学参量腔I前的信号光2光路中加入第一透镜组4和第一导光镜组5，第一透镜组4用来调整信号光2在光学参量腔I中的腰斑位置和尺寸，选取不同焦距的透镜组合将信号光2的参数变换为与光学参量腔I的本征模相同。第一导光镜组5用来调整信号光2的传播方向与光学参量腔I的本征模重合。通过第一压电陶瓷14扫描光学参量腔I的腔长，由第三探测器20即可观察到光学参量腔I输出激光的透射峰曲线。在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1%以下时，此时即实现了信号光束2与光学参量腔I的模式匹配。光学参量腔I由两个凹面镜和一块PPKTP晶体6组成，作为非线性晶体。两个凹面镜的曲率半径均为50mm，PPKTP晶体6尺寸为l*2*10mm，光学参量腔I的腔长为102.8mm，对应的本征模半径为34 μ m，位于光学参量腔I的中间。第一透镜组4包括焦距为-150mm和200mm的透镜各一片。第一导光镜组5由两片对信号光2高反(45度)的平面镜组成,调节第一导光镜组5使信号光2和光学参量腔I实现最佳模式匹配，匹配效率大于99%。然后，用PDH稳频方法将光学参量腔I的腔长锁定到信号光2的共振峰上，此时光学参量腔有倍频光7输出，倍频光7的波长与泵浦光3的波长相等。再次，在光学参量腔I后加入双色分束镜8将倍频光7与剩余信号光2分开。在倍频光光路中加入第二透镜组9、第二导光镜组10和非简并光学腔11,第二透镜组9用来调整倍频光7在非简并光学腔11中的腰斑位置和尺寸，选取不同焦距的透镜组合将倍频光7的参数变换为与非简并光学腔11的本征模相同。第二导光镜组10用来调整倍频光7的传播方向与非简并光学腔11的本征模重合。非简并光学腔11用作模式匹配的辅助腔，它是由两个平面镜和一个凹面镜组成的三镜环形腔，凹面镜的曲率半径为lm，非简并光学腔11的腔长为450mm，腔内腰斑半径为426 μ m。第二透镜组9包括焦距为-100mm和200mm的透镜各一片。第二导光镜组10由两片对信号光的倍频光7高反(45度)的平面镜组成。利用第一折叠镜18将透射光导入第一探测器16，调节第二导光镜组10，通过第二压电陶瓷15扫描非简并光学腔11的腔长，使倍频光7与非简并光学腔11的模式匹配效率最高，图3是倍频光7与非简并光学腔11的模式匹配结果，模式匹配效率大于99%。最后，用第三导光镜组12将泵浦光3从另一方向导入非简并光学腔11中，在泵浦光3的光路中插入第三透镜组13，利用第二折叠镜19将透射光导入第二探测器17，调节第三透镜组13的参数和调节第三导光镜组12，通过第二压电陶瓷15扫描非简并光学腔11的腔长，使泵浦光3与非简并光学腔11的模式匹配效率最高，即获得泵浦光3与光学参量腔I的模式匹配。第三透镜组13包括焦距为150mm和-1OOmm的透镜各一片。
[0037]实施例2.利用非简并两镜光学腔作为辅助腔，调节泵浦光束与四镜光学参量腔模式匹配，及信号光、泵浦光产生的装置，如图4所示。
[0038]激光器21输出的光束经光学分束器22后成为两束光,一束作为光学参量腔I的信号光2，另一束注入倍频腔23，得到二倍频输出，作为光学参量腔I的泵浦光3。激光器21的输出波长为1064nm，二倍频的波长为532nm。调节泵浦光3与光学参量腔I模式匹配的步骤如下:首先，在光学参量腔I前的信号光2光路中加入第一透镜组4和第一导光镜组5，第一透镜组4用来调整信号光2在光学参量腔I中的腰斑位置和尺寸，选取不同焦距的透镜组合将信号光2的参数变换为与光学参量腔I的本征模相同。第一导光镜组5用来调整信号光2的传播方向与光学参量腔I的本征模重合。通过第一压电陶瓷14扫描光学参量腔I的腔长，由第三探测器20即可观察到光学参量腔I输出激光的透射峰曲线。在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1%以下时，此时即实现了信号光束2与光学参量腔I的模式匹配。光学参量腔I由两个凹面镜、两个平面镜和一块LiNbO3晶体6组成，作为非线性晶体。两个凹面镜的曲率半径均为100mm，光学参量腔I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25 μ m，LiNbO3晶体6尺寸为3*3*12mm，位于光学参量腔I中两个凹面镜的中间。第一透镜组4包括焦距为-150mm和150mm的透镜各一片。第一导光镜组5由两片对信号光2高反(45度)的平面镜组成，调节第一导光镜组5使信号光2和光学参量腔I实现最佳模式匹配，匹配效率大于99%。然后，用TOH稳频方法将光学参量腔I的腔长锁定到信号光2的共振峰上，此时光学参量腔有倍频光7输出，倍频光7的波长与泵浦光3的波长相等。再次，在光学参量腔I后加入双色分束镜8将倍频光7与剩余信号光2分开。在倍频光光路中加入第二透镜组9、第二导光镜组10和非简并光学腔11，第二透镜组9用来调整倍频光7在非简并光学腔11中的腰斑位置和尺寸，选取不同焦距的透镜组合将倍频光7的参数变换为与非简并光学腔11的本征模相同。第二导光镜组10用来调整倍频光7的传播方向与非简并光学腔11的本征模重合。非简并光学腔11用作模式匹配的辅助腔，它是由两个凹面镜组成的两镜非简并光学腔，两凹面镜的曲率半径均为50m，非简并光学腔11的腔长为103mm。第二透镜组9包括焦距为_200mm和200mm的透镜各一片。第二导光镜组10由两片对信号光2高反(45度)的平面镜组成。利用第一折叠镜18将透射光导入第一探测器16，调节第二导光镜组10，通过第二压电陶瓷15扫描非简并光学腔11的腔长，使倍频光7与非简并光学腔11的模式匹配效率最高，大于99%。最后，用第三透镜组13将泵浦光3从另一方向导入非简并光学腔11中，在泵浦光3的光路中插入第三透镜组13，利用第二折叠镜19将透射光导入第二探测器17，调节第三透镜组13的参数和调节第三导光镜组12，通过第二压电陶瓷15扫描非简并光学腔11的腔长，使泵浦光3与非简并光学腔11的模式匹配效率最高，大于99%。即获得泵浦光3与光学参量腔I的模式匹配。第三透镜组13包括焦距为200mm和-1OOmm的透镜各一片。
[0039]上述实施例只是给出了最简单的利用三镜和两镜非简并光学腔调节泵浦光与两镜和四镜单共振光学参量腔的方法，并没有描述所有的可能。实际上，还可以用其它腔形非简并光学腔调节其它腔形的单共振光学参量腔，即为本发明所涵盖的范围。
[0040]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于，包括以下步骤:1)、用放置在光学参量腔(I)前信号光(2)光路中的第一透镜组(4)变换信号光(2)在光学参量腔(I)内的模式尺寸，使信号光(2)与光学参量腔(I)的本征模实现模式匹配； 2)、锁定光学参量腔(I)的腔长，使光学参量腔(I)的腔长在信号光(2)的频率上满足谐振增强条件，获得信号光(2)的倍频光(7)输出； 3)、将光学参量腔(I)锁定后获得的倍频光(7)导入一个辅助的非简并光学腔(11)，用放置在光学参量腔(I)和非简并光学腔(11)之间的第二透镜组(9)变换倍频光在非简并光学腔(Ii)内的模式尺寸，使倍频光(X)与非简并光学腔(Ii)的本征模实现模式匹配；4)、用放置在非简并光学腔(11)另一边的第三透镜组(13)变换泵浦光(3)在非简并光学腔(11)内的模式尺寸，使泵浦光(3)与非简并光学腔(11)的本征模实现模式匹配； 5)、泵浦光(3)与倍频光(7)波长相等，根据光路可逆性原理可知，泵浦光(3)与光学参量腔(I)的本征模实现了模式匹配。
2.如权利要求1所述的一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于，所述的光学参量振荡腔(I)是两镜腔、三镜腔或者其它多镜腔。
3.如权利要求1所述的一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于，所述的光学参量振荡腔(I)内包含光学非线性晶体(6)。
4.如权利要求1所述的一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于，在步骤I)、步骤3)和步骤4)实现模式匹配时所采用的透镜组是一个或者多个透镜的组合。
5.如权利要求1所述的一种调节泵浦光与单共振光学参量腔模式匹配的方法，其特征在于，所述的非简并光学腔(11)是两镜腔、三镜腔或者其它多镜腔。
【文档编号】H01S3/102GK104167659SQ201410452706
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】郑耀辉, 彭堃墀 申请人:山西大学