這個實驗主要分成兩個部分，在第一部分我們將一塊單晶PPKTP晶體的兩個表面設計成球面並均勻鍍膜，使它同身兼為非線性介質共振腔的特性，精簡了實驗架設的複雜度，同時收窄了訊號的增益頻寬。另外，我們搭建了一台波長可調的外腔雷射，用以作為光源，並利用單晶PPKTP晶體的優點產生了波長可調、低閾值、單模輸出的雙共振光參量放大器，它的閾值約4.38mw、輸出橫模為高斯模態、轉換效率約11.62%。
在這個實驗的第二部分，我們從耦合波動方程式出發，在假設相位匹配的情況下，找出了它的解析解，並進一步配合雙共振條件、推導出了光參量放大器的變率方程式(Rate equation)、並且利用該方程式針對光參量震盪器的震盪行為進行模擬與分析，找出了掌控其動態行為的物理參數。另一方面，我們承第一部分的實驗架構，架設聲光調制器及自製其驅動器，利用它們產生脈衝光及調制泵浦光，並且與理論模擬交叉比對，一方面研究其動態行為，一方面驗證理論的正確性。

This thesis is divided into two parts. In the first part, we describe the design of a monolithic PPKTP crystal which is not only a nonlinear medium but also an optical resonator for implementing an optical parametric oscillator (OPO). The monolithic cavity simplifies the setup of our experiment and narrow the bandwidth of the OPO. In addition, we set up a tunable external cavity diode laser (ECDL) as a pumping source. With the pump and the monolithic crystal, we demonstrate a tunable, low-threshold and single-mode doubly resonant oscillator (DRO). The transverse mode of the OPO is TEM00; its threshold and conversion efficiency are 4.38 mw and 11.62%, respectively.
In the second part of thesis, we solve the coupled wave equation analytically by assuming the phase matching condition. Moreover, we describe the rate equation of OPO by considering a special case — the balanced DRO. With the rate equation we study and simulate the oscillation of OPO and find out the dominant parameters of its dynamic behavior. Finally, we perform with our experiment, using an acousto-optic modulator to modulate the pump and therefore the OPO and comparing to our theoretical prediction.

目錄
摘要 i
誌謝 iii
圖目錄 viii
表目錄 x
第一章 實驗動機與研究方法 1
第二章 光學參量振盪器 3
2.1非線性光學簡介 3
2.2非線性波動方程式 5
2.3二階非線性光學(second order nonlinear optics) 8
2.4相位匹配條件(phase matching condition) 10
2.5準相位匹配(Quasi phase matching) 12
2.6光學參量震盪器 14
2.6.1差頻產生(DFG) 14
2.6.2光學參量震盪器概述 16
2.6.3耦合波動方程(coupled wave equation) 17
2.6.4 參量放大與閾值 18
2.6.5 OPO的縱向模態結構 21
2.6.6 OPO變率方程式(rate equation) 24
第三章 非線性晶體與實驗元件介紹 28
3.1概述 28
3.2單晶PPKTP非線性晶體 28
3.2.1概述 28
3.2.2 KTP晶體的基本物理參數 28
3.2.3 PPKTP晶體的設計概念 29
3.2.4晶體控溫估算 31
3.3外腔二極體雷射(external cavity diode laser) 34
3.4光隔離器 35
3.5聲光調制器(Acousto-Optic Modulator) 37
3.5.1 概述 37
3.5.2基本原理 37
3.5.3 操作模式 39
3.5.4複數反射振幅與布拉格條件 41
3.5.5 頻率位移 43
3.5.6偏折效率(Deflection efficiency) 44
3.6.7調制速度 45
第四章實驗系統的架設 46
4.1實驗架構概述 46
4.2穩頻外腔二極體雷射 47
4.2.1 diode選擇與安裝工作 47
4.2.2光柵的架設 48
4.2.3溫度的控制 49
4.2.4鎖頻 51
4.4光學元件架設 55
4.41圓柱透鏡 55
4.42光隔離器 56
4.43晶體的架設 57
4.4.4 濾光與分光光路 58
4.4.5 AOM的架設 59
第5章 實驗數據與理論模擬 62
5.1 概述 62
5.2 OPO的基本特性 62
5.2.1溫度隨波長的調變 62
5.2.2 晶體溫度變化對OPO訊號的調變 63
5.2.3 OPO的功率與閾值 64
5.2.4 OPO縱向模態與橫向模態 65
5.2.5OPO與SFG 68
5.3OPO動態行為模擬與探討 70
5.3.1 OPO的生成 70
5.3.2泵浦光強對動態反應影響 73
5.3.3反射率與腔長對動態反映的影響 74
5.3.4量子雜訊對動態反應的影響 75
5.4實驗與理論結果的比對 77
5.4.1實驗量與擬合 77
5.4.2 振盪建立時間的擾動與量子雜訊 79
5.4.3 OPO的delayed bifurcation 81
5.4.4 OPO的調制 84
第六章結論與未來展望 86
附錄1 AOM driver的製作 87
1.1 工作原理 87
1.2AOM driver的製作材料與電路成品 91
1.3完成後的測試與架設 95
參考文獻 96

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