双波长外腔共振高效和频技术研究

非线性和频转换技术可产生紫外到可见波段的激光，被广泛地应用到激光光谱、大气监测及军事等领域。为了提高连续产生和频光功率，需要高的和频转换效率，双波长外腔共振技术可以提高与非线性晶体相互作用的激光强度，有效地克服单通和频转换过程效率低的缺点。这一技术通过两种子光与腔模间频率的级联锁定实现双光场在腔内的同时共振，然而当和频转换效率提高到一定程度，会诱发误差信号畸变，影响系统的稳定性；另外在实现II类相位匹配时，两正交偏振光场经过晶体后会出现走离，使其在腔内不能同时共振。这两个问题严重地限制了双波长外腔共振技术在高效和频中的应用，本项目拟通过理论和实验组合和频光与腔模信号来修正误差信号畸变以及两相同晶体的反向键合来补偿由于走离效应引起的双波长无法共振问题，最终实现双波长外腔共振技术在两类相位匹配下连续钠黄光的产生。

近年来随着新型高有效非线性系数、高损伤阈值和大尺寸非线性晶体的深入研究，非线性频率转换在物理、天文、环境、生物、医疗、军事等领域有着非常广泛的应用，并发挥着重要的作用。双波长和频与差频，单波长倍频以及光学参量振荡等是非线性频率转换研究的主要内容。相比于倍频与光学参量振荡，和频与差频的基频光增加了一个自由度，使其在新型激光波长、新型激光场以及量子光学等领域有着广泛的应用。基于和频技术可以产生短波长的激光输出，如1583nm和1064nm激光和频可以产生636nm的激光，其频率转换效率与两基频光功率成正比，因此为了提高转换效率，外部谐振腔作为无源功率放大装置可将两基频光功率放大几十甚至上百倍，因此基于外腔获得高效的和频转换是本项目研究的主要内容。具体研究内容包括：1、采用Boyd-Kleinman理论、耦合波方程以及腔模阻抗匹配理论对非线性过程进行模拟，计算出腔模线型随和频效率的变化关系以及线型变化对PDH锁频技术中误差信号的影响；2、通过采用和频光来补偿腔模凹陷，以期获得标准的不随和频效率变化的误差信号；3、分析II类相位匹配条件下腔模的特性，尝试采用两块相同晶体的反向键合来补偿由于走离效应引起的无法实现外腔和频问题；4、研究双波长外腔共振的频率锁定性能对种子光频率扫描特性的影响，通过优化锁频特性提高扫描频率和范围；5、最终建立可调谐、信号稳定的双波长外腔共振和频方案。基于这些研究内容，我们取得了如下的研究成果：1、双波长外腔共振和频中Boyd-Kleinman因子优化的理论研究；2、基于单波长外腔共振和频技术产生了波长可调谐589nm激光并测得了钠原子饱和荧光谱；3、基于三波耦合波方程数值精确分析了外腔高效和频对腔模的影响；4、基于1.3W的1064nm泵浦激光，将小于50mW的1583nm激光在双波长外腔共振机制下实现了95.6%的和频转换，同时在1583nm激光为295mW时，获得了440mW的636nm激光的输出。.该项目研究过程中，在国内外重要学术刊物上发表论文16篇，其中11篇被SCI收录，3篇被EI收录；授权发明专利4项。