瓦级全固态连续单频1.5微米激光器的研制及其调谐特性的研究

Since the diode-pumped solid-state continuous-wave (CW) single-frequency lasers at 1.5 μm have the advantages of low noise and good beam quality, they are very attractive for building the practical continuous-variable entanglement at the communication wavelength. As a consequence, the light sources are strongly needed for developing the practical long-distance quantum communication, quantum storage and quantum computation. Moreover, single frequency lasers at the wavelengths of 1590 nm, 1560 nm and 1542 nm, which have important applications in high-resolution spectroscopy and precise measurement, can also be realized by tuning the laser’s wavelength. This project intends to build a 2-watt-level all-solid-state CW single-frequency tunable laser at 1.5 μm by using the Er,Yb:YAl3(BO3)4 crystal as gain medium and carrying out a series of investigations on the resonator design, crystal-parameters optimization, heat treatment, longitudinal mode selection, power stabilization and wavelength tuning. The model machine will have independent intellectual property right.

激光二极管泵浦的1.5 μm固体激光器在实现连续单频运转之后具有优良的噪声性能和良好的光束质量，非常适合用于实用化光通信波段连续变量纠缠态光源的制备，是进一步发展实用化长距离量子通信、量子存储和量子计算所亟需的光源。此外，该激光器在波长调谐之后还可以实现1590 nm、1560 nm、1542 nm等波长的连续单频激光输出，在高分辨率光谱、精密测量等方面也有着重要的应用前景。本项目拟采用Er,Yb:YAl3(BO3)4晶体作为激光介质，在激光器的谐振腔结构、激光晶体的参数、热处理技术、纵模选择技术、功率稳定技术和波长调谐技术等方面进行系统研究，研制出拥有自主知识产权的全固态连续单频可调谐1.5 μm激光器样机，激光输出功率达到2W以上。

光通信波段的高功率全固态连续单频可调谐激光器是制备光通信波段的压缩态光源和连续变量量子纠缠源，开展高分辨率光谱、激光冷却与囚禁原子、光频标等研究所亟需的光源。. 本项目围绕光通信波段全固态连续单频可调谐激光器的研制，开展了相关研究工作，并取得以下研究成果。第一，采用激光二极管泵浦全固态激光技术进行了1.5 μm连续单频固体激光光源的设计和研制，研制出输出功率为0.86 W的1.5 μm激光器桌面装置，以及激光器的波长切换与调谐装置。基于该装置，连续单频1.5 μm激光器的波长可切换至1520 nm、1542 nm、1550 nm、1560 nm、1590 nm等波段，并可在上述波长附近连续调谐，调谐范围均大于10 GHz。该光源已被应用在光通信波段超稳频光源的研制中。第二，采用参量激光技术进行了全固态可调谐1.5 μm激光光源的设计和研制，研制出输出功率达6.2 W的1.5 μm连续单频激光光源桌面装置，该光源波长可在1522 nm-1546 nm、1557 nm-1589 nm范围内连续调谐。该光源已被应用在小型化光通信波段连续变量纠缠源的制备中。第三，进行了高功率1.3 μm光通信波段全固态连续单频激光器的研制，研制出输出功率为11.3 W的1.3 μm激光器样机，激光波长连续调谐范围大于13 GHz。第四，进行了高功率全固态单纵模脉冲激光器的研制，研制出输出功率为1 MW的单纵模脉冲激光光源。第五，利用研制的全固态1.5 μm连续单频激光光源，进行了1.5 μm光通信波段连续变量纠缠态光源的研制以及长距离纠缠分发的研究，研制出纠缠度达8.3 dB的连续变量纠缠态光源，并在单模光纤中实现了距离达20 km的纠缠分发。. 围绕上述研究工作，共发表学术论文6篇，其中Opt. Lett. 1篇、Opt. Express 1篇、Laser Phys. Lett. 1篇、Appl. Opt. 1篇; 申请中国发明专利2件，美国发明专利1件。培养毕业博士生1名、毕业硕士生2名。