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Aigtek電壓放大器在雙波長外腔共振和頻研究中的應(yīng)用

來源:西安安泰電子科技有限公司   2025年03月25日 10:29  

  實驗名稱:雙波長外腔共振和頻過程中腔參數(shù)優(yōu)化的研究

  測試設(shè)備:電壓放大器、光電探測器、PZT等。

  實驗過程:


雙波長外腔共振和頻的實驗裝置


  圖1:雙波長外腔共振和頻的實驗裝置

  M:腔鏡;PPLN:周期極化銀酸鋰晶體;LEN:模式匹配透鏡;PBS:偏振分束棱鏡;PD:光電探測器;PID:比例積分微分控制器;HVA:電壓放大器;PZT:壓電陶瓷;R:反射平面鏡

  利用雙波長外腔共振技術(shù)及周期性極化銀酸鋰晶體PPLN實現(xiàn)938nm和1583nm兩激光和頻從而產(chǎn)生589nm鈉黃光的實驗裝置如圖1所示。為了優(yōu)化光束質(zhì)量,采用單模光纖對輸出激光束進行整形,最終的耦合效率優(yōu)于50%。外腔是由兩平面鏡M1、M2和兩曲率半徑為50mm的凹面鏡M3、M4構(gòu)成的蝶形環(huán)形腔,這種腔形不僅能滿足雙波長共振和頻技術(shù)的要求同時可以將兩束種子光分別從兩個腔鏡入射,降低了實驗的難度。實驗中所采用非線性晶體是長寬高分別為10mm*3mm*1mm的PPLN晶體,并將其放在溫控爐上對其進行溫度控制。由于PPLN晶體采用了Ⅰ類相位匹配進行和頻,所以對938nm激光器的要求是e1軸方向偏振,對1583nm激光器的要求也是e1軸方向偏振,分別可以通過調(diào)節(jié)各自的波片實現(xiàn)。晶體和蝶形環(huán)形腔的實物如圖2所示。


實驗中所用的晶體和搭建的蝶形環(huán)形腔:(a)晶體;(b)蝶形環(huán)形腔。


  圖2:實驗中所用的晶體和搭建的蝶形環(huán)形腔:(a)晶體;(b)蝶形環(huán)形腔。

  兩基頻光與蝶形環(huán)形腔利用頻率鎖定技術(shù)進行級聯(lián)鎖定,探測器將測得的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑤斎霚p法器1,減法器將兩信號相減后產(chǎn)生誤差信號,此過程為H-C1。由于外腔內(nèi)放置有非線性晶體,若激光與腔共振,則腔鏡M2后的反射光為線偏振光,分成的兩束光光強相同,相減后為0,若激光與腔不共振,則M2后的反射光為橢圓偏振光,分成的兩束光光強不同,相減后不為0,這種反射信號的偏振態(tài)隨著腔模失諧頻率變化而產(chǎn)生的誤差信號具有奇函數(shù)特征,因此可以對激光與腔進行頻率鎖定。最后將這個誤差信號經(jīng)過PID1,對比例增益以及積分帶寬進行設(shè)置后反饋到電壓放大器控制的壓電陶瓷PZT上,通過壓電陶瓷的伸縮來實現(xiàn)環(huán)形腔腔模頻率到938nm激光器輸出頻率的鎖定。同樣,在1583nm激光器輸出頻率到環(huán)形腔腔模頻率的鎖定過程具體為腔鏡M4后的反射光束通過與H-C1相同的過程H-C2后產(chǎn)生誤差信號,最后將這個誤差信號經(jīng)過PID2,對比例增益以及積分帶寬進行設(shè)置后反饋到1583nm激光器的調(diào)制端口上,通過對1583nm激光器的頻率控制實現(xiàn)其到環(huán)形腔的頻率鎖定。這樣,環(huán)形腔腔模頻率鎖定到938nm激光器的輸出頻率上,1583nm激光器的輸出頻率鎖定到環(huán)形腔腔模頻率上,從而實現(xiàn)了三者之間的相位關(guān)聯(lián)鎖定,使它們之間的頻率相對穩(wěn)定。另外,腔鏡M3的透射信號被另一個探測器PD5探測,然后輸入到示波器采集數(shù)據(jù)。在蝶形環(huán)形腔中實現(xiàn)了雙波長共振之后,938nm和1583nm基頻光將在腔內(nèi)與PPLN晶體相互作用,產(chǎn)生589nm的基頻光,并對一些實驗結(jié)果進行測量與分析。

  實驗結(jié)果:


589nm和頻光功率隨PPLN晶體溫度的變化曲線


  圖3:589nm和頻光功率隨PPLN晶體溫度的變化曲線

  由于實驗中PPLN晶體的相位匹配方式是溫度匹配,所以通過溫度的改變,和頻過程中的相位匹配參數(shù)能達到優(yōu)化的值。圖3是不同晶體溫度下589nm和頻光輸出功率的變化曲線,從圖中可以看出,溫度對晶體和頻轉(zhuǎn)化效率的影響較大,當(dāng)溫度為112.5℃時,晶體的和頻轉(zhuǎn)化效率大,此時獲得的最高和頻光功率為204.3mW。由此可見實驗結(jié)果低于理論計算結(jié)果。這個差異可能主要是由于實驗中的模式匹配造成的。


589nm和頻光輸出功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖


  圖4:589nm和頻光輸出功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。實線:理論模擬結(jié)果;點:實驗結(jié)果


外腔對938nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖


  圖5:外腔對938nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。實線:理論模擬結(jié)果;點:實驗結(jié)果


外腔對1583nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖


  圖6:外腔對1583nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖:(a)腔不內(nèi)存在938nm共振激光;(b)腔內(nèi)存在938nm共振激光。實線:理論模擬結(jié)果;點:實驗結(jié)果

  為了與理論結(jié)果進行對比,在晶體溫度為112.5℃時,將938nm和1583nm激光進行共振和頻,其中938nm基頻光的功率為300mW,1583nm基頻光功率從0mW到500mW之間進行變化,但是無論功率如何變化,雙波長外腔共振系統(tǒng)始終處在阻抗欠耦合情況下。圖4為589nm和頻光輸出功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖,圖中實線為理論模擬的結(jié)果,點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出,隨著1583nm基頻光入射功率的增加,理論模擬和實驗的結(jié)果中589nm和頻光功率都在增加,當(dāng)1583nm基頻光的功率為500mW時,得到589nm和頻光的最高功率為204.3mW。這時,對于進入腔內(nèi)的938nm基頻光其和頻轉(zhuǎn)化效率為61.1%。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果符合的較好。圖5為外腔對938nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。同樣圖中實線為理論模擬的結(jié)果,點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出隨著1583nm基頻光入射功率的增加,被外腔反射的938nm功率減小,而938nm入射光功率是不變的,說明隨著1583nm入射光功率的增加和頻轉(zhuǎn)換效率逐漸增大,所消耗的938nm基頻光功率逐漸增加。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果也符合的較好。圖6分別為腔內(nèi)存在938nm共振激光與沒有938nm共振激光時,外腔對1583nm基頻光的反射光功率隨著1583nm基頻光輸入功率變化的曲線圖。圖中實線為理論模擬的結(jié)果,點線為實驗結(jié)果。從圖中可以看出,隨著1583nm基頻光入射功率的增加,被外腔反射的1583nm功率也相應(yīng)增大,但是當(dāng)腔內(nèi)存在938nm共振激光時,由于和頻的發(fā)生消耗掉一部分1583nm激光,因此與腔內(nèi)沒有938nm共振激光的情況相比較被外腔反射的1583nm激光功率要低。實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果也符合的非常好。

  電壓放大器推薦:ATA-2161



  圖:ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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