固体单频激光技术

全固态单频连续波激光器具有高光束质量、低噪声、窄线宽以及高相干性等优点，在量子光学、原子物理、精密测量、激光雷达和激光制导等基础研究及国防和军事领域中有着广泛且重要的应用。本书基于作者多年的工作积累，总结了高功率全固态单频连续波激光器相关的技术和方法，并且给出了一些已经应用于成熟产品的激光器设计实例。全书共有6章，包括光学谐振腔、热效应的产生和改善、高功率单频激光器的稳定性、强度噪声的分析与抑制、利用非线性损耗提升单频激光器的性能和宽调谐单频激光技术。最后在结束语中简要介绍了全固态单频连续波激光器在光场量子态的制备、冷原子物理的研究和引力波探测中的应用情况。
本书深入浅出，尤其是给出的若干成熟产品的激光器设计实例，很适合高等院校的本科生和研究生、科研院所的科研工作人员以及从事相关工作的企业科技工作者等阅读和参考。希望从事量子光学和激光技术相关的科研人员和研究生通过本书能了解和掌握此类激光器的基本性能和初步的设计思想。

前言
第1章 光学谐振腔 1
1.1 法布里–珀罗腔 1
1.1.1 基本概念 1
1.1.2 无源法布里–珀罗干涉仪 10
1.1.3 有源法布里–珀罗干涉仪 19
1.2 激光的模式 24
1.2.1 纵模 24
1.2.2 横模 25
1.2.3 高斯光束 26
1.3 单频激光器 29
1.3.1 模式竞争 30
1.3.2 空间烧孔引起多模振荡 30
1.3.3 环形谐振腔 32
1.3.4 光学单向器 38
1.3.5 单频激光器的输出特性 41
1.4 单频测试 44
参考文献 48
第2章 热效应的产生和改善 50
2.1 热效应产生机理 50
2.1.1 量子亏损 50
2.1.2 能量传输上转换 51
2.1.3 激发态吸收 52
2.1.4 交叉弛豫 53
2.2 端面泵浦激光晶体的热透镜效应 53
2.2.1 温度分布 55
2.2.2 等效热透镜效应 56
2.2.3 热透镜像散 56
2.3 影响热效应的因素 57
2.3.1 泵浦源 58
2.3.2 增益晶体 64
2.4 热效应的改善 68
2.4.1 端面热效应的减轻 68
2.4.2 热透镜效应的减轻 70
2.5 热效应的补偿 75
2.5.1 热致球形像差的补偿 75
2.5.2 热透镜像散的补偿 75
2.6 像散自补偿的全固态单频连续波激光器 78
2.6.1 减轻 Nd:YVO4 晶体的热效应 79
2.6.2 Nd:YVO4 晶体热透镜像散及其补偿 83
2.7 磁致旋光晶体的热效应及其补偿 94
2.7.1 磁致旋光晶体的热透镜效应 94
2.7.2 磁致旋光晶体热效应的改善和补偿 99
参考文献 107
第3章 高功率单频激光器的稳定性 110
3.1 单纵模操控技术 110
3.1.1 热不灵敏腔 110
3.1.2 纵模选择技术 116
3.2 频率稳定性 119
3.2.1 频率稳定度 119
3.2.2 主动稳频技术 121
3.3 功率稳定性 137
3.3.1 端面平行的 Nd:YVO4 晶体 137
3.3.2 楔形 Nd:YVO4 晶体 140
3.4 指向稳定性 144
3.4.1 基本概念 144
3.4.2 测量原理 145
参考文献 148
第4章 强度噪声的分析与抑制 151
4.1 全固态单频连续波激光器的强度噪声特性 151
4.1.1 基频输出激光器强度噪声的理论模型 151
4.1.2 内腔倍频激光器强度噪声的理论模型 156
4.2 强度噪声的测量方法 160
4.2.1 白噪声校准测量法 160
4.2.2 自零拍噪声测量法 161
4.3 影响强度噪声的因素 165
4.3.1 泵浦源 165
4.3.2 泵浦方式 171
4.3.3 受激辐射速率 176
4.4 强度噪声的抑制 187
4.4.1 电流负反馈抑制单频激光器的强度噪声 187
4.4.2 利用光电反馈抑制激光器低频段的强度噪声 193
4.4.3 模式清洁器抑制激光器的强度噪声 198
4.4.4 串联式模式清洁器抑制激光器的强度噪声 202
参考文献 205
第5章 利用非线性损耗提升单频激光器的性能 207
5.1 基本原理 207
5.2 单纵模运转的物理条件 208
5.2.1 理论模型 208
5.2.2 非线性接受带宽 209
5.2.3 单纵模运转的物理条件分析 210
5.2.4 实验验证 211
5.3 提高全固态单频连续波激光器的输出功率 213
5.3.1 全固态单频连续波双波长激光器 213
5.3.2 内腔线性损耗的测量 217
5.3.3 百瓦级全固态单频连续波激光器 221
5.4 提高全固态单频连续波激光器的稳定性 227
5.4.1 基本原理 227
5.4.2 激光器及反馈控制系统 229
5.5 操控全固态单频连续波激光器的强度噪声 235
5.5.1 全固态单频连续波双波长激光器的强度噪声 235
5.5.2 激光器纵模结构与强度噪声之间的关系 239
5.6 实现超宽范围的频率连续调谐 244
5.6.1 基本原理 244
5.6.2 实验装置 247
5.6.3 实验结果与分析 248
参考文献 252
第6章 宽调谐单频激光技术 254
6.1 宽带激光晶体材料 254
6.1.1 掺过渡金属离子晶体 254
6.1.2 掺铬离子激光晶体 265
6.1.3 掺稀土离子晶体 269
6.2 谐振腔设计 270
6.2.1 环形谐振腔 271
6.2.2 钛宝石四镜环形谐振腔的像散补偿 273
6.2.3 像散补偿的环形谐振腔 274
6.3 单向运转方法 277
6.3.1 宽带光学单向器 277
6.3.2 自注入锁定激光技术 279
6.4 宽带调谐技术 281
6.4.1 双折射滤波片 281
6.4.2 离轴双折射滤波片 289
6.4.3 自动调谐的实现 297
6.4.4 自调谐钛宝石激光器 302
6.5 频率连续调谐技术 308
6.5.1 机械调制标准具锁定技术 308
6.5.2 电光效应标准具锁定技术 314
6.5.3 直接调制锁定技术 323
6.5.4 双折射标准具的偏振锁定技术 324
6.5.5 引入非线性损耗 330
6.6 全固态单频连续波钛宝石激光器设计实例 334
6.6.1 泵浦源的选择 335
6.6.2 耦合系统的设计 335
6.6.3 谐振腔 337
6.6.4 内腔损耗的测量 338
6.6.5 结果分析 340
参考文献 344
结束语 348