諧振腔模式匹配及光路調(diào)節(jié)技巧
本文將從個人實驗操作經(jīng)驗的角度出發(fā)，向大家介紹光-腔模式匹配的原理方法及光路調(diào)節(jié)技巧。
諧振腔模式匹配過程需要用到儀器如下：
1. 光束質(zhì)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(shù)給定的諧振腔，根據(jù)自再現(xiàn)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(jīng)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(jù)諧振腔的參數(shù)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(zhì)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(zhì)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(diào)整腔前的一對反射鏡的高低左右，讓入射光耦合進腔內(nèi)并發(fā)生共振，進而根據(jù)共振信號的狀態(tài)微調(diào)反射鏡及透鏡位置，優(yōu)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(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)腔內(nèi)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(diào)節(jié)技巧
諧振腔的工作原理是基于腔內(nèi)多光束干涉，而發(fā)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(diào)節(jié)的口訣是“遠的調(diào)近的，近的調(diào)遠的”：調(diào)節(jié)反射鏡M1讓光線穿過光闌1，調(diào)節(jié)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。
2) 將諧振腔放置在準直好的光路中，調(diào)節(jié)諧振腔的閉合。以下將對線形腔和環(huán)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)反射鏡M1、M2使得“1”，“2”位置處入射光與反射光（虛線）重合。
與線性腔不同的是，環(huán)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(nèi)光線是否閉合。因此需要在腔內(nèi)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(nèi)的弱光。此時需要借助紅外觀察儀來輔助調(diào)節(jié)。與上面的步驟類似，調(diào)節(jié)反射鏡M1、M2使得“1”，“2”位置處輸入光斑與在腔內(nèi)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(tài)時，會激發(fā)出許多高階空間模式，如下圖4所示。
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(diào)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(yōu)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(yōu)化改進，以達到實驗需求。
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