研究生光學(xué)諧振腔拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初探

譚中奇 梁永輝 吳素勇 劉賤平 全豫川

（國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410073）

光學(xué)諧振腔是光學(xué)及光電技術(shù)中一種非常經(jīng)典而重要的器件，[1]圍繞其開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，不僅可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于經(jīng)典光學(xué)中多光束干涉理論的理解和掌握，[2]更重要的是，作為激光技術(shù)中最為基礎(chǔ)的元件，光學(xué)諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生理解和掌握激光模式的基本概念和理論，[3,4]從而有助于其今后開(kāi)展激光及其應(yīng)用技術(shù)相關(guān)研究。為此，許多院校在光電類專業(yè)不同階段設(shè)置了與光學(xué)諧振腔相關(guān)的課程，例如，國(guó)防科技大學(xué)就在研究生課程中開(kāi)設(shè)了《高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》。[5,6]該課程中的光學(xué)諧振腔實(shí)驗(yàn)，根據(jù)腔內(nèi)有無(wú)增益介質(zhì)又細(xì)分為無(wú)源腔實(shí)驗(yàn)（即掃描法珀腔實(shí)驗(yàn)）和有源腔實(shí)驗(yàn)（即氦氖激光器實(shí)驗(yàn)）；其實(shí)驗(yàn)難度、創(chuàng)新性和拓展性等均較本科課程有較大提升，主要目的是加深同學(xué)們對(duì)于光學(xué)諧振腔模式理論的認(rèn)識(shí)，掌握調(diào)腔、選模、測(cè)試等方面的基本技能，讓學(xué)生具備應(yīng)用光學(xué)諧振腔開(kāi)展應(yīng)用拓展的能力；然而，鑒于研究生實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，即新穎性、前沿性、創(chuàng)新性等方面的要求，本文在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，探索了其拓展實(shí)驗(yàn)難度，針對(duì)超低損耗高反鏡性能測(cè)試問(wèn)題，利用目前國(guó)際先進(jìn)測(cè)試技術(shù)——腔衰蕩技術(shù)，設(shè)計(jì)超低損耗測(cè)試拓展實(shí)驗(yàn)，以此開(kāi)拓研究生學(xué)術(shù)視野、引導(dǎo)其創(chuàng)新思維。下面將從腔衰蕩原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果等方面介紹拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探索工作。

1 腔衰蕩技術(shù)概述

腔衰蕩技術(shù)產(chǎn)生于20 世紀(jì)八十年度初，其主要目的是解決當(dāng)時(shí)困擾已久的超低損耗光學(xué)薄膜損耗測(cè)量問(wèn)題。當(dāng)時(shí)，為解決超低損耗膜片（高反膜和增透膜）的性能標(biāo)定問(wèn)題，人們提出了不少方案，如分光光度計(jì)、差動(dòng)型透反儀（我國(guó)高伯龍?jiān)菏开?dú)創(chuàng)）等措施或手段，但這些技術(shù)面對(duì)越來(lái)越小的損耗膜片時(shí)，其測(cè)量精度仍顯不夠。1984 年，美國(guó)Anderson 等人提出利用激光在光學(xué)諧振腔內(nèi)的衰減時(shí)間來(lái)反演腔內(nèi)損耗的技術(shù)，[7]并將這種技術(shù)稱為Cavity ring-down Technique，簡(jiǎn)稱CRD。其基本測(cè)量原理，可由麥克斯韋方程組近似處理導(dǎo)出的自洽方程組進(jìn)行分析：[8]

其中 代表腔的第 個(gè)模式， 為激光的角頻率； 為腔的第 個(gè)分立模式的角頻率，為 階模式處諧振腔的值。為無(wú)源腔的諧振角頻率（為腔長(zhǎng)，為光速為

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，腔衰蕩技術(shù)的應(yīng)用不再局限于膜片損耗測(cè)量，而拓展到光學(xué)諧振腔總損耗測(cè)量領(lǐng)域；最為重要的是，腔衰蕩技術(shù)與激光光譜技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了一種新穎的激光吸收光譜技術(shù)，即腔衰蕩光譜技術(shù)（Cavity ring-down spectroscopy，簡(jiǎn)稱CRDS）。該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究、燃燒診斷、痕量氣體檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及農(nóng)業(yè)科技生產(chǎn)等物質(zhì)定性和定量檢測(cè)的各種領(lǐng)域。綜上所述，基于光學(xué)諧振腔基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)腔衰蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并組織開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于開(kāi)拓研究生學(xué)術(shù)視野、追蹤國(guó)際學(xué)術(shù)發(fā)展方向具有重要現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)，這對(duì)啟發(fā)研究生的創(chuàng)新思維、引導(dǎo)進(jìn)行學(xué)術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

2 腔衰蕩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)想

腔衰蕩技術(shù)根據(jù)光源的性質(zhì)可分為脈沖腔衰蕩和連續(xù)波腔衰蕩兩大類；其中脈沖腔衰蕩采用寬度為納秒量級(jí)的脈沖激光作為光源，而連續(xù)波腔衰蕩技術(shù)則采用連續(xù)激光入射；考慮到光學(xué)諧振腔實(shí)驗(yàn)中掃描法珀腔實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了諧振腔調(diào)節(jié)和優(yōu)化訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)，為避免重復(fù)，同時(shí)減少不必要實(shí)驗(yàn)時(shí)間，將光學(xué)諧振腔調(diào)腔過(guò)程簡(jiǎn)化，具體設(shè)計(jì)思路是利用光學(xué)集成思路，在諧振腔加工階段解決其調(diào)節(jié)問(wèn)題，拓展實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)訓(xùn)練激光與諧振腔之間的模式耦合問(wèn)題。按照此思路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)如下圖1 所示：所設(shè)計(jì)的腔衰蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光器、V 型諧振腔、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)及附屬電路組成。為減少系統(tǒng)成本，采用半導(dǎo)體激光器作為光源，利用其電流調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)激光的百納秒級(jí)開(kāi)關(guān)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程可描述如下：半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直器后，從折疊鏡處入射到低損耗V 型諧振腔內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)激光與諧振腔的頻率匹配條件，安裝在V 型腔端面鏡M2 后的壓電陶瓷在計(jì)算機(jī)發(fā)出的三角波型號(hào)驅(qū)動(dòng)下來(lái)回掃描腔長(zhǎng)，當(dāng)滿足諧振條件后，安裝在端面鏡M1 后的光電探測(cè)器將可探測(cè)得到諧振光信號(hào)，該信號(hào)分為兩路：一路連接至A/D高速數(shù)據(jù)采集卡，另一路輸入值半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路，用于觸發(fā)半導(dǎo)體激光器關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)衰蕩。

圖1 腔衰蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 腔衰蕩實(shí)驗(yàn)探索

為驗(yàn)證所涉及的拓展實(shí)驗(yàn)方案是否可行，并為后續(xù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展進(jìn)行探索，按照?qǐng)D1 設(shè)計(jì)思路，搭建了簡(jiǎn)易系統(tǒng)。系統(tǒng)采用633nm半導(dǎo)體激光器作為光源，V型諧振腔采用微晶玻璃作為腔體材料，三片超低損耗膜片以光膠方式固定在腔體上，探測(cè)器采用雪崩管探測(cè)器，考慮到這種探測(cè)器的光敏面積較小，因此測(cè)量系統(tǒng)在雪崩管前加入了會(huì)聚透鏡。將633nm 激光耦合進(jìn)入V 型諧振腔后，進(jìn)行腔衰蕩測(cè)量，測(cè)得信號(hào)如圖2 所示。

圖2 腔衰蕩信號(hào)及其擬合圖

針對(duì)這種非線性信號(hào)，采取Levenberg-Marquardt 非線性最小二乘擬合法，該方法容易收斂而且精度高。從圖2 中的擬合殘差曲線可看出，擬合效果好，得到腔的衰減時(shí)間為4.46 s。根據(jù)腔衰減時(shí)間t 和腔損耗之間的關(guān)系式，結(jié)合腔長(zhǎng)具體數(shù)值L=32cm，可求得腔的總損耗值為239.4×10-6。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)研究生實(shí)驗(yàn)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前沿性、新穎性及創(chuàng)新性等方面的要求，本文基于現(xiàn)有光學(xué)諧振腔實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，研究探討了腔衰蕩法測(cè)量低損耗光學(xué)諧振腔損耗的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)踐問(wèn)題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從實(shí)驗(yàn)課程實(shí)際情況出發(fā)，從光源選擇、腔體設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，節(jié)約系統(tǒng)成本和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，具有較好的可操作性。從實(shí)踐情況可以看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，可以下一步實(shí)際應(yīng)用于光電類專業(yè)的研究生拓展實(shí)驗(yàn)以及專業(yè)案例建設(shè)。