半导体激光器注入锁定系统的研制

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1、由于E]T效应可导致介质的线性和非线性极化率发生极大的变化，使介质具有如下独特的光学特性?{12-z4j({)介质的线性吸收藏小，色教增强(2>原子与光子量子态之闻的转化易于相干控制(3)弱光F具有显著的非线性效应，因此E[T效应在光学信息处理及光量子信息处理中具有重要的应用潜力。最近，利用EtT进行光量子信息存储与处理的理论与实验研究迅速兴起。哈佛大学的Hau研究组在超冷原子团中利用EIT效应．将光速降低到17m，sl”J。随后，他们通过控制耦台光的通断，将光学信号存储在原子介质中达0．Sms[⋯1，演示了光学信号在原子介质中的可逆存储，Bl起了学

2、术界的强烈反响。EtT效应是由原子基态向激发态跃迁时量子干涉效应引起的。它的时间响应瞬态模型可用含时的薛定谔方程描述。已经有研究小组对三能级EIT介质的瞬态光学特性进行了研究L]7-1S!，但对于四能级ElT介质，还未见有关报道。我们用半经典理论计算分析了N．型四能级原子中当信号光开启后介质对探针光的非线性光学响应随时间演化的瞬态过程。研究结果将会对吸收型光予开光的设计提供理论依据。2第一章半导体激光器注入锁定实验系统的研制在激光冷却与俘获原子或BEC实验中，要求用于冷却的激光器具有功率高、频率稳、线宽窄等特性。在通常情况下，单模窄线宽的激光器一般工

3、作于低功率的状态。当激光器输出功率高时，通常工作于高饱和状态下，而这常常容易出现多模运转。注入锁定则是获得单模高功率激光的一种有效方法。注入锁定是指用一个低功率、窄线宽的激光器作为种子源(称为主激光器)．将其输出的激光注入到高功率激光器(称为从激光器)中。当注入光有效地匹配到从激光器中时，从激光器自由运转时的振荡模式就会被抑制而跟随主激光器的的频率运转，这时即达到注入锁定的目的。I．I半导体激光器注入锁定机制的理论分析如图1-1所示的半导体激光器，当注入电流高于阈值电流时，激光开始振荡输出。当一个外部信号光场(来自主激光器)注入到半导体激光腔时，腔中

4、的载流子数、光子数以及光场的相位将会发生改变：埘咖Injection[=>图1-1有外部光注入时半导体激光器模型假定激光腔中的光场为平面波，采取慢变包络近似，在有光注入时，总的光子数P、相位m、载流子数N的变化规律由如下速率方程描述：[191t'=fO-÷+三ngL斛。,PJ2cos卯；=[国。嘞+三ngLfl、墨Pnjm口+兰2(G-1／。)】庐由：三～GP—N(1-2)(1·3)其中，G为光学增益，N为载流子数目，f。为光子寿命，L为腔长，／lg为群速度折射率，c为光速，a为电场中相位幅度耦合因子㈣，P．为每秒注入到腔中的光子数，0为注入光场与自

5、由运转光场之闯韵裙位差，t为注J入宅流，c为载滚子寿命。上述方程已经归一化，盼-IEl2。‰为主激光器角频率，(-0。为从激光器最靠近‰的腔共振频率，主从激光器之间的频率失谐量Aco=coo—m。。改变从激光器驱动电流和温度可以改变从激光器的振荡频率，在从激光器一定的频率变化范围内，当信号光注入到从激光器后，从激光器都能与主激光器实现同步运转．这个从激光器的频率变化范围就是注入锁定的频率锁频范围，也称为同步带宽。锁频范围△∞可认为(030一红k)与(出。，一够。)两项的和。第一项为注入光频率与注入后从撇光器腔频率的失谐量国。一∞，。【31。第二项为注

6、入光引起的腔频率的移动n_，一够。，这～项是半导体激光器与其它激光器相比所特有的，根据文献8“，半导体激光器的增益谱曲线相对于增益的顶峰是不对称的．所以在增益谱曲线峰值附近的相关折射率将随著受激载漉子密度的变化而变化【22-26]。而在通常的激光器中，增益曲线是对称的，所以在峰值处色散为零。另一方面，半导体激光器中自由载流子的等离子效应对光学区折射率也有作用。由于这两方面的作用，半导体激光器在增益曲线峰值附近折射率的改变与载流子密度近似成线性关系，比例常数数量级为一1×10-20cm3[22-26]。激活介质折射率对载流子密度的依靠极大地影响了注入锁

7、定的激光器的行为，导致了特别的不对称的调谐特性和不稳定性。当从激光器达到稳态输出时，P，西，N变化为零。由式(1-1)、(1-2)式解得：锁煳协南(∥心础⋯础，㈦。，4妒南(舻吼一圳呦2p厢‘sin(O-¨由于一1o，口取值范围为：一号<口<吾，又由于一l

8、co