[发明专利]一种激光时空模式改善装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术和量子光学领域，具体是一种高效的激光时空模式改善装置。

背景技术

激光光场是光学精密测量领域，如引力波探测，航空工业中的激光超声探测等，以及量子光学、量子信息领域必不可少的重要光源。具有优良时空模式特性的激光光场，例如具有良好空间模式特性以及达到散粒噪声极限的激光光场可以极大改善光学精密测量的测量灵敏度，提高量子光学、量子信息领域中纠缠态光场的纠缠度等。通常，激光器输出的激光光场具有高于标准量子噪声极限的额外起伏噪声，而且其横模特性也并非理想的TEM₀₀高斯模式，因此当应用于光学精密测量领域时，需要对其时空模式进行过滤、改善。

B.Willke等人[B.Willke,etal.,Opt.Lett.23,1704(1998)]利用一个三镜环形窄线宽Fabre-Perot腔对Nd:YAG激光器输出的激光光场的空间和时间模式进行了过滤，采用了激光腔镜直接粘接在整体熔融石英腔体上的整体腔结构。发明专利[CN 10185402413]提出一种光学模清洁器的设计，采用了殷钢腔体的整体腔结构，并可进行控温。J.Hald等人[J.Hald,J.Opt.Soc.Am.B 22,2338(2005)]利用一个高精细度的两镜驻波Fabre-Perot腔作为模式清洁器，并将模清洁器的第一次输出光场再次导入模清洁器，实现了半导体激光器额外噪声的高效过滤。上述的第一、二个工作都是利用单次穿过模清洁器的方法对激光的时空特性进行改善，由于激光模式的改善效果由模清洁器的线宽所决定，为了获得好的改善效果，需要采用高精细度、窄线宽的模清洁器，一方面窄线宽对腔镜的镀膜要求很高，同时增加了成本；另一方面高精细度模清洁器的腔长锁定难度较大，且易受外界环境扰动的干扰。第三个工作采用了两次穿过模清洁器的方法，较单次穿过相比提高了改善的性能，但是由于采用了两镜驻波腔结构，在模清洁器腔前和两级光学过滤之间需要高隔离比的光学隔离器；同时由于两级所用的偏振相互垂直，需要对退偏进行严格补偿，以消除偏振诱导的光强调制效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的激光时空模式改善装置，其具有装置简单、稳定性好的特点，可以用来对激光器输出的激光光场进行高效的时空模式改善。

本发明提供的一种激光时空模式改善装置，包括高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、腔长锁定系统（5）和零度全反射系统（6）；其中，高消光比偏振分束器（1）、法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4）、和零度全反射系统（6）前后依次衔接放置，激光从高消光比偏振分束器（1）输入，依次通过法拉第旋转器（2）、偏振控制系统（3）、环形窄线宽光学谐振腔（4），至零度全反射系统（6）后沿原光路返回，最后从高消光比偏振分束器（1）出射；

所述的零度全反射系统（6）由凹面镜（9）和调节装置（10）构成，其中凹面镜（9）安装在调节装置（10）上，调节装置（10）可以通过手动或电动的方式调节凹面镜（9）的空间位置和倾角，凹面镜（9）的凹面镀有对入射激光的零度全反射膜，其曲率半径和入射激光的等相位面曲率半径大小相等，其法线和入射激光重合，使得入射激光可以沿原光路反射回环形窄线宽光学谐振腔（4）内。

所述的高消光比偏振分束器（1）具有四个通光面，且通光面均镀有减少入射激光反射的减反膜。

所述的法拉第旋转器（2），用来实现对入射线偏振激光的偏振面旋转，入射线偏振激光单次穿过时偏振面的旋转角度在44-46度之间。

所述的偏振控制系统（3）由表面镀减反膜的半波片（7）及其控制装置（8）构成，控制装置（8）可通过手动或电动的方式使得半波片（7）能绕入射光轴精确旋转0到360度，实现对入射线偏振激光偏振方向的精确控制。

所述的的环形窄线宽光学谐振腔（4）由至少三个反射镜构成且处于稳定区域，其中两个反射镜镀有对入射激光相同反射率的高反射膜，作为输入和输出耦合镜，其余反射镜镀有全反射膜。

所述的的腔长锁定系统（5）用来锁定环形窄线宽光学谐振腔（4）的腔长，实现入射激光频率和环形窄线宽光学谐振腔（4）的共振。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明提供的一种高效的激光时空模式改善装置，激光器输出的激光光场入射到该装置后，将往返两次穿过同一个环形腔模清洁器，从而可以方便、高效地对激光场进行时间、空间模式的改善。