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      【激光技術分享】典型光學諧振腔鎖定方法簡介

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      為使光學諧振腔工作在穩定的共振狀態,一般需要通過負反饋控制系統動態地調節腔長以應對外界環境的干擾,該過程我們稱之為“鎖腔”。

      鎖腔原理如下圖1所示,首先通過光電探測器獲取一個與激光在腔內共振狀態相關的誤差信號,誤差信號的特點為:如果以腔長正好滿足共振條件為基準(零點位置),誤差信號處于基準附近(過零點)。

      一旦誤差不為零,即表明腔長偏移了共振位置,誤差信號經過適當的比例積分微分(PID)處理后將反饋電壓傳遞給位于諧振腔上的腔長控制元件(一般為壓電驅動器),形成一個閉合環路,腔長控制元件基于該信號進行調整,直到誤差趨零以維持諧振腔的共振。


      圖1.png

      圖1鎖腔原理圖


      在這里需要說明的是,如果諧振腔的穩定性高于激光器,我們就可以將諧振腔當作頻率參考來穩定激光的頻率(簡稱“穩頻”),具體做法與上述鎖腔過程類似,只是將PID輸出的反饋電壓加載到激光器上壓電驅動器、聲光調制器來控制激光的頻率。

      由此可見,誤差信號在反饋系統中起著非常重要的作用,如何產生高質量的誤差信號是實現鎖腔的關鍵。本文將介紹三種不同的誤差信號產生方法,分別為:PDH locking、HC locking、Tilt locking,并分析比較它們的特點及應用范圍。

      1. PDH locking

      PDH是R. V. Pound, R. Drever, J. L. Hall三位科學家名字的首字母組合,最早描述該方法的文章發表在1983年的Applied Physics B上,文章的中心思想是利用光學諧振腔實現激光頻率和相位的穩定[1]。

      該方法借鑒了利用微波腔進行微波穩頻的思路,其原理如下圖2所示。

      首先對進入諧振腔的激光進行相位調制(PM),激光進入諧振腔后,腔反射光經光電探測器(PD)探測后與相位調制頻率混頻(Mixer)后解調,調節兩路的相對相位后經低通濾波(LP)可獲得用于鎖腔的誤差信號。

      圖2.png

      圖2 PDH鎖腔原理圖


      PDH技術是目前在光頻標、引力波探測、原子物理等領域應用最為廣泛的穩頻方案。但是該方法要求能夠對激光器本身進行相位調整,系統結構較為復雜,對電光調制器、信號發生器等儀器設備的性能提出了一定的要求。

      2. HC locking

      HC locking是由T. W. Hansch和B. Couillaud 提出的一種技術[2](簡稱HC locking)。

      與PDH不同的是,該方法不需要對激光器本身直接進行調制操作,而是利用在諧振腔內放置的一個線性偏振元件(偏振片或波片)來實現。

      該偏振元件可以使腔內光線的偏振態變為與共振頻率相關的橢圓偏振態,再通過一個四分之一波片(λ?4)與偏振分束器(PBS)的組合分出兩個正交偏振態,并用兩個探測器(PD1、PD2)接收后,二者做差后可獲得誤差信號。其工作原理如下圖3所示。

      圖3.png
      圖3 HC鎖腔原理圖


      由于HC技術需要在腔內放置偏振元件,因此并不適用對內腔損耗控制極其苛刻的激光穩頻類應用;但是可以適用于腔內有晶體的情形,比如倍頻腔、光參量振蕩器的腔長鎖定。

      3. Tilt Locking

      另一種鎖腔方法是Tilt Locking[3],顧名思義,這種方法要求在腔鏡上引入一定的傾斜,從而產生高階空間模式(如TEM01),再通過與基模(TEM00)的模間干涉來提取誤差信號。

      具體來講,在TEM00接近共振時,TEM01則偏離共振狀態,會完全被腔反射出去,類似于PDH中相位調制出的邊帶信號。此時腔反射光中包含被完全反射的TEM01以及被部分反射的TEM00兩種模式。

      如下圖4,通過一個象限探測器(QD)探測腔反射光,當激光在腔內共振時TEM01TEM00之間的相位差為π?2,QD相鄰兩象限做減法后輸出為零;當腔長偏移共振位置,QD會輸出相應的誤差信號。

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      圖4 Tilt Locking鎖腔原理圖


      Tilt Locking技術的特點是使用極少的器件就能夠產生誤差信號,但是這種方法本身對機械的穩定性比較敏感。

      同時它要求產生一定的腔鏡傾斜,也就是不能實現理想的腔光模式匹配,這在某種程度上也會限制其在高精細度諧振腔中的應用。

      綜上所述,以上三種鎖腔方案各有優缺點,本文只是粗淺地介紹了工作原理及適用場合,具體選擇哪種鎖腔技術要根據具體的實驗技術要求、實驗條件來確定。


      參考文獻:

      [1] Appl. Phys. B 31, 97 (1983)

      [2] Opt. Commun. 35 (3), 441 (1980) 

      [3] Opt. Lett. 24 (21):1499-501 (1999)



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