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    光學基礎技巧】諧振腔模式匹配及光路調節技巧

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    諧振腔模式匹配過程需要用到儀器如下:

    1. 光束質量分析儀;

    2. 紅外觀察儀;

    3. 光電探測器;

    4. CCD相機;

    5. 示波器。


    一、模式匹配原理與步驟

    對于幾何參數給定的諧振腔,根據自再現條件[1]可以確定一個腰斑的位置和大小,我們一般稱之為本征腰斑。讓輸入光束經過透鏡、反射鏡作用之后聚焦的位置和大小與腔本征腰斑相同的過程就是光-腔模式匹配。其步驟如下:

    1) 根據諧振腔的參數確定諧振腔的本征腰斑的位置及大小。

    2) 確定輸入光束的腰斑位置及大小。由于高斯光束的光斑大小隨著傳播距離成雙曲線變化,因此可通過光束質量分析儀測量輸入光束在傳播路徑上幾個不同位置的光斑大小,然后采用曲線擬合即可確定腰斑。

    3) 選擇一個或多個焦距合適的透鏡將光束聚焦到腔本征腰斑處:一般而言兩個透鏡組成的透鏡組可以滿足大部分應用場合。透鏡擺放好之后,可通過光束質量分析儀檢查輸入光的腰斑分布情況是否與腔的本征腰斑接近。

    4) 調整腔前的一對反射鏡的高低左右,讓入射光耦合進腔內并發生共振,進而根據共振信號的狀態微調反射鏡及透鏡位置,優化模式匹配效果。

    需要說明的是,上面步驟1~3為透鏡選擇,涉及到一定的理論計算,具體公式請參見參考文獻[1]。最后一步為光路調節,即調節腔內光線閉合,以達到共振,相關實驗技巧將在下文中給出。


    二、光路調節技巧

    諧振腔的工作原理是基于腔內多光束干涉,而發生干涉的一個基本條件就是光束空間上的重合,這就要求我們非常精準地控制光束的指向從而耦合進諧振腔。光-腔耦合的步驟如下:

    1) 將輸入光束準直到諧振腔的高度,采用的是大家熟知的“雙光闌法”,示意圖如下。即在光束傳播路徑的一前一后放置兩個光闌,在空間允許的情況下,兩個光闌的距離盡可能大。調節的口訣是“遠的調近的,近的調遠的”:調節反射鏡M1讓光線穿過光闌1,調節反射鏡M2讓光線穿過光光闌2,如此往復,直到光束同時穿過兩個光闌中心。 

    圖51.png

    圖1 光路準直示意圖


    2) 將諧振腔放置在準直好的光路中,調節諧振腔的閉合。以下將對線形腔和環形腔分別進行說明。

    對于兩個腔鏡的平行度較好的線性腔而言,只需調節入射光的指向使其垂直入射一般即可觀察到共振信號。而調節垂直入射的方法與上一步驟中光路準直的方法類似,其關鍵在于找準觀測點,如下圖2所示:用小紙片(不可見光用熒光板,注意不要擋住入射光)分別放在圖中標記為“1”,“2”位置處,依次調節反射鏡M1、M2使得“1”,“2”位置處入射光與反射光(虛線)重合。

    圖52.jpg

    圖2 線性腔光路調節

    圖53.jpg

    圖3 環形腔光路調節


    與線性腔不同的是,環形腔中入射光并非垂直入射到腔鏡上,所以在腔外無法判斷腔內光線是否閉合。因此需要在腔內選定兩個觀測點,如圖3中“1”,“2”所示。另外,在輸入光強不是足夠大的條件下,人眼無法直接觀察到腔內的弱光。此時需要借助紅外觀察儀來輔助調節。與上面的步驟類似,調節反射鏡M1、M2使得“1”,“2”位置處輸入光斑與在腔內傳輸一周的后光斑(虛線)重合,即可保證諧振腔基本閉合。

    3) 諧振腔基本閉合以后,使用周期信號掃描腔長或者入射激光頻率,使用波長、增益合適的光電探測器接收腔的透射(或反射)信號,連接示波器后應該能觀察到腔的透射峰(反射峰)信號。當模式匹配沒有達到最佳狀態時,會激發出許多高階空間模式,如下圖4所示。

    圖54.jpg

    圖4 模式匹配不佳時的透射峰信號

    一般而言,我們需要的是基模(TEM00)共振。那么首先要確定哪個透射峰是基模,具體操作是減小掃描電壓范圍至示波器上只看到一個根透射峰,用CCD相機拍攝該透射峰的空間光強分布,如圖4中小圖所示。然后微調反射鏡M1、M2使基模的強度變大,同時高階模的強度減弱,特別是TEM01(TEM10)的強度減弱最為明顯。稍微移動一下模式匹配透鏡的位置也可以優化模式,一般對TEM02(TEM20)及更高階模式的抑制具有一定的幫助。

    高的光-腔模式匹配效率是充分利用諧振腔特性的前提,除了在選擇透鏡時有一定的理論指導外,更多的工作集中在實驗操作上。需要我們在掌握基本的技巧的前提下,不斷地嘗試優化改進,以達到實驗需求。

    參考文獻:

    [1] 周炳琨,高以智,陳倜嶸,陳家驊. 激光原理(第6版). 北京:國防工業出版社, 2010.



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