CN104180903A - 一种测量光学腔自由光谱范围的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量光学腔自由光谱范围的装置和方法，此装置包括：光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、直流光电探测器、交流光电探测器、示波器、频谱分析仪。采用上述装置，此方法包括以下步骤：将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上耦合后，导入光学腔，调节合束光与光学腔模式匹配；将光学腔的输出光经第二光学分束器分束后分别输入直流光电探测器和交流光电探测器中；改变单频可调谐激光器的波长，用频谱分析仪测出光学腔的自由光谱范围。该方法装置简单、操作方便、结果精确直观，具有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学腔测量，具体属于一种测量光学腔自由光谱范围的装置和方法。
背景技术
自由光谱范围是表征光学腔的一个重要参数，它的定义为，波长分别为λ1和λ2的光照在光学腔上，各自产生一组干涉圆环，若λ1的m级圆环和λ2的m-1(或m+1)级圆环重合，则把λ＝λ1-λ2称为该光学腔的自由光谱范围。
在实际工作中，在已知光学腔线宽的基础上，我们可以根据光学腔的自由光谱范围得到光学腔的精细度(光学腔的精细度＝自由光谱范围/线宽)。而精细度是表征光学腔损耗的重要参数。在利用光学参量振荡器产生压缩光和纠缠光的实验中，通过精确测量光学参量振荡腔的自由光谱范围估算光学腔的损耗，可以为减小损耗和改进光学腔性能提供重要参考。同时，可以根据损耗得到理论上压缩度和纠缠度的大小，为实验上压缩光和纠缠光的产生提供理论参考。另外，光学腔的损耗也直接决定腔内光子的寿命和光学腔的Q参数，对于光子态存储等科学领域也具有重要意义。
现有技术中，自由光谱范围通常根据它的定义计算获得，对于驻波腔，光在腔内往返传播，自由光谱范围的表达式如下：
自由光谱范围＝c/2nL (1)
对于环形腔，光在腔内单向传播，自由光谱范围的表达式如下：
自由光谱范围＝c/nL (2)
公式(1)和(2)中，c为真空中的光束，n为光学腔内介质的折射率，L为光学腔的腔长。因此，自由光谱范围的计算以光学腔腔长和腔内介质折射率两个参数已知为前提。腔长L是一个容易测量的量，而介质的折射率n随材料的不同和周围温度，气流等均有变化，不易得到精确结果，从而影响自由光谱范围的计算结果。
本发明提出一种测量光学腔自由光谱范围的装置和方法，可以通过直接测量相邻两级干涉圆环对应激光波长的频率差，得到光学腔的自由光谱范围。具有测量精度高的优点，具有重要的应用价值。
发明内容：
本发明的目的是提供一种精确测量光学腔自由光谱范围的装置和方法。
本发明根据自由光谱范围的定义，把测量过程的每个步骤用直观的方法表征出来，然后直观读出自由光谱范围的值。具体过程与自由光谱范围定义的对应关系如下：单频激光器输出的激光对应定义中波长为λ1的激光；单频可调谐激光器输出的激光可以在波长λ1和λ2之间调谐，对应波长为λ2的激光；将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，并使两束光在第一光学分束器后的光束参数相同、位置重合，使两束光在光学腔内对应同样的本征模式；调节合束光与光学腔模式匹配，并将光学腔的腔长稳定在单频激光器的波长上，使光束中大部分能量都集中在光学腔的基横模上，并得到λ1的m级圆环；连续改变单频可调谐激光器的频率，当示波器显示的信号强度达到下一个极大时，表明单频可调谐激光器输出光的波长为λ2，示波器的下一个极大值表示λ2的m-1(或m+1)级圆环；频谱分析仪读出的拍频信号对应两个波长的差频λ＝λ1-λ2。
本发明提供的一种测量光学腔自由光谱范围的装置，包括光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、直流光电探测器、交流光电探测器、示波器、频谱分析仪；其特征在于所述的单频可调谐激光器的输出光与单频激光器的输出光在第一光学分束器上耦合后，导入光学腔，光学腔的输出信号经第二光学分束器分束后分别导入所述的直流光电探测器和交流光电探测器中；所述的示波器与直流光电探测器连接，根据透射信号强度的变化确定单频可调谐激光器的输出光在光学腔中的共振点；所述的频谱分析仪与交流光电探测器连接，测量单频可调谐激光器和单频激光器的输出光透过光学腔后的拍频信号；所述的单频激光器输出光的频率在单频可调谐激光器的调谐范围内；所述的单频可调谐激光器的调谐范围大于光学腔的自由光谱范围；所述的频谱分析仪的测量带宽大于光学腔的自由光谱范围；所述的交流光电探测器的探测带宽大于光学腔的自由光谱范围。
光学腔作为本发明测量自由光谱范围的测量对象。单频激光器用来产生波长为λ1的激光输出。单频可调谐激光器用来产生可在λ1和λ2之间连续调谐的激光输出。直流光电探测器用来探测两台激光器发出的光透过光学腔后的信号强度，直流光电探测器的输出与示波器连接，用来显示、读出信号的强度。交流光电探测器用来探测两台激光器发出的光透过光学腔后的差频信号，交流光电探测器的输出与频谱分析仪连接，用来显示、读出差频信号的频率。
基于上述装置，本发明提供的一种测量光学腔自由光谱范围的方法，依次包括如下步骤：
1)、将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，并使两束光在第一光学分束器后的光束参数相同、位置重合；
只有两束光与光学腔的同一个本征横模模式匹配，才能保证两束光在光学腔内有同样的共振条件。即当单频激光器发出的光与光学腔共振时，如果我们将单频可调谐激光器的频率调谐到与单频激光器的频率相等，单频可调谐激光器发出的光也与光学腔共振。如果两束光不重合，它们对应光学腔内不同的横模，不同横模在光学腔内的传播路径不同，对应不同的共振条件，这样两台激光器发出的光波长相等，不能保证它们能在光学腔中满足同时共振条件。
2)、调节合束光与光学腔模式匹配，并将光学腔的腔长稳定在单频激光器的波长上；
调节合束光与光学腔模式匹配能提高共振点和非共振点信号的对比度，保证共振点的准确判断。
3)、将光学腔锁定后的输出光经第二光学分束器分束后分别输入直流光电探测器和交流光电探测器中，直流光电探测器的输出与示波器相连接，交流光电探测器的输出与频谱分析仪相连接，示波器用来读出光学腔后信号的强度，频谱分析仪用来读出光学腔后信号的频谱特性；
4)、改变单频可调谐激光器的波长，利用示波器和频谱分析仪的波形观察单频可调谐激光器和单频激光器频率相等的工作点，当示波器显示的信号极大且频谱分析仪读出的差频信号为零，表明两台激光器频率相等；
因为步骤2)将光学腔的腔长稳定在单频激光器的波长上，当单频可调谐激光器输出光与单频激光器输出光的波长相等时，单频可调谐激光器输出的光也在光学腔内共振，此时示波器读出的信号极大。因此，通过示波器观察信号的强度，用频谱分析仪辅助观察，得到单频激光器输出光的波长与单频激光器输出光波长相等时的工作点。
5)、连续改变单频可调谐激光器的频率，当示波器显示的信号强度达到下一个极大时，频谱分析仪对应的拍频信号频率即为光学腔的自由光谱范围。
连续改变单频可调谐激光器的频率，该激光器与光学腔偏离共振条件，此时，示波器读出的信号变小。当激光器的输出与光学腔满足下一个共振条件时，示波器读出的信号达到极大值，此时，单频可调谐激光器的波长对应到自由光谱范围定义中的λ2。此时，单频可调谐激光器和单频激光器输出的光均与光学腔共振，透过光学腔后两束信号的差频即对应光学腔的自由光谱范围，产生的频率用交流光电探测器探测后送入频谱分析仪读出频率值。
本发明所述的一种测量光学腔自由光谱范围的装置和方法与传统的方法相比具有以下优点：
(1)该装置结构简单，可以实现光学腔自由光谱范围的测量。
(2)与根据光学腔的腔长和腔内介质的折射率参数计算自由光谱范围的方法相比，该方法的测量结果不受腔长和折射率误差的影响，具有测量结果精确的优点。
(3)该方法能实时读出光学腔在任何时间、任何地点的自由光谱范围，避免了计算方法一般取固定的腔长和折射率参数，不考虑腔长和折射率随周围环境(温度、气流、海拔等)的变化，具有结果不受周围环境影响的优点。
(4)该方法能从频谱分析仪直接读出光学腔的自由光谱范围，具有结果直观的优点。
附图说明
图1是测量光学腔自由光谱范围的装置示意图
图2是实施例中自由光谱范围的测量结果
图中：1-光学腔，2-单频激光器，3-单频可调谐激光器，4-直流光电探测器，5-交流光电探测器，6-示波器，7-频谱分析仪，8-第一光学分束器，9-第二光学分束器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
测量光学腔自由光谱范围的装置如图1所示，包括光学腔1、单频激光器2、单频可调谐激光器3、直流光电探测器4、交流光电探测器5、示波器6、频谱分析仪7。光学腔1由一个PPKTP晶体和一个凹面镜组成，PPKTP晶体的尺寸为1*2*10mm，靠近凹面镜的端面为平面，远离凹面镜的端面为曲面，曲率半径为-12mm，工作温度为38度，凹面镜的曲率半径为25mm，光学腔1的腔长为33mm。单频激光器2采用分布反馈式单频光纤激光器，输出波长为1550.303nm。单频可调谐激光器3采用另一台分布反馈式单频光纤激光器，激光器的波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐，调谐方式为控制激光器的温度和扫描激光器上的压电陶瓷两种方法，改变单频可调谐激光器3的工作温度可以实现大范围，粗调谐，扫描压电陶瓷可实现小范围、细调谐。交流光电探测器5的带宽为4GHz。示波器6型号为TektronixDPO7000。频谱分析仪7的型号为Agilent N9020，测量带宽为8.6GHz。单频可调谐激光器3的输出光与单频激光器2的输出光在第一光学分束器8上耦合后，导入光学腔1，光学腔1的输出信号经第二光学分束器9分束后分别导入直流光电探测器4和交流光电探测器5中，示波器6与直流光电探测器4连接，根据透射信号强度的变化确定单频可调谐激光器3的输出光在光学腔1中的共振点。频谱分析仪7与交流光电探测器5连接，测量单频可调谐激光器3和单频激光器2的输出光透过光学腔后的拍频信号。
采用上述的装置，测量光学腔自由光谱范围的方法，依次包括如下步骤：将单频激光器2和单频可调谐激光器3发出的光分别从50/50分束器8的一个端口入射到50/50分束器8上，两束光经50/50分束器8后从50/50分束器8的两个方向输出，每个方向的输出均包含了两束入射光的特征。采用透镜组合改变其中一束入射光的参数，使两束光的参数相同，用光学导光镜组调整其中一束入射光的方向，使两台激光器发出的光经过50/50分束器后重合。选取50/50分束器8输出的其中一束光耦合到被测光学腔1中，通过在光学腔1前的光路中插入透镜组和导光镜组调节50/50分束器8输出光与光学腔1模式匹配，然后采用PDH稳频方法将光学腔1的腔长稳定到单频激光器2的频率上。将光学腔1输出的光经第二光学分束器9分成两束，一束注入直流光电探测器4，直流光电探测器4与示波器6连接，另一束注入交流光电探测器5，交流光电探测器5与频谱分析仪7连接。改变单频可调谐激光器3的温度，使单频可调谐激光器3的输出波长为1550.30nm。然后用高压放大器驱动单频可调谐激光器3上的压电陶瓷，调节高压放大器输出电压，当示波器6显示的信号极大且频谱分析仪7读出的差频信号为零，表明此时两台激光器频率相等。然后，继续连续调节高压放大器的电压，单频可调谐激光器3的输出光与光学腔1偏离共振，直流光电探测器4的输出变小，直到单频可调谐激光器3的输出光与光学腔1达到下一个共振点，此时直流光电探测器4的输出达到极大。此时用交流光电探测器5和频谱分析仪7读出拍频信号，即为光学腔1的自由光谱范围。图2是我们对同一个腔5次测量的结果，分别为3.607GHz，3.608GHz，3.61GHz，3.61GHz，3.611GHz，5次测量的平均值为3.609GHz，表明该腔的自由光谱范围为3.609GHz。
上述实施方式只是给出了利用本发明测量由一块晶体和一个腔镜组成的光学驻波腔自由光谱范围的方法，并没有描述测量其它腔型光学腔(多镜腔、环形腔等)的自由光谱范围。实际上，本发明也可以用来测量各种腔型光学腔的自由光谱范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种测量光学腔自由光谱范围的装置，其特征在于，包括光学腔(1)、单频激光器(2)、单频可调谐激光器(3)、直流光电探测器(4)、交流光电探测器(5)、示波器(6)、频谱分析仪(7)；所述的单频可调谐激光器(3)的输出光与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(8)上耦合后，导入光学腔(1)，光学腔(1)的输出信号经第二光学分束器(9)分束后分别导入所述的直流光电探测器(4)和交流光电探测器(5)中；所述的示波器(6)与直流光电探测器(4)连接；所述的频谱分析仪(7)与交流光电探测器(5)连接；所述的单频激光器(2)输出光的频率在单频可调谐激光器(3)的调谐范围内；所述的单频可调谐激光器(3)的调谐范围大于光学腔(1)的自由光谱范围；所述的频谱分析仪(7)的测量带宽大于光学腔(1)的自由光谱范围；所述的交流光电探测器(5)的探测带宽大于光学腔(1)的自由光谱范围。
2.如权利要求1所述的一种测量光学腔自由光谱范围的装置，其特征在于，所述的光学腔(1)为两镜腔或其它多镜腔。
3.一种测量光学腔自由光谱范围的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，依次包括如下步骤：
1)、将单频可调谐激光器(3)与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(8)上合束，并使两束光在第一光学分束器(8)后的光束参数相同、位置重合；
2)、调节合束光与光学腔(1)模式匹配，并将光学腔(1)的腔长稳定在单频激光器(2)的波长上；
3)、将光学腔(1)锁定后的输出光经第二光学分束器(9)分束后分别输入直流光电探测器(4)和交流光电探测器(5)中，直流光电探测器(4)的输出与示波器(6)相连接，交流光电探测器(5)的输出与频谱分析仪(7)相连接，示波器(6)用来读出光学腔(1)后信号的强度，频谱分析仪(7)用来读出光学腔(1)后信号的频谱特性；
4)、改变单频可调谐激光器(3)的波长，利用示波器(6)和频谱分析仪(7)的波形观察单频可调谐激光器(3)和单频激光器(2)频率相等的工作点，当示波器(6)显示的信号极大且频谱分析仪(7)读出的差频信号为零，表明两台激光器频率相等；
5)、连续改变单频可调谐激光器(3)的频率，当示波器(6)显示的信号强度达到下一个极大时，频谱分析仪(7)对应的拍频信号频率即为光学腔(1)的自由光谱范围。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |