CN111174708B - 一种对微光学谐振腔腔长测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种对微光学谐振腔腔长测量的方法和装置，所述测量方法：将第一腔镜与第二腔镜放置于稳定平台上组成微光学腔；用高压放大器对微光学腔的腔长进行扫描，在示波器上得到微光学腔的透射曲线；通过零阶透射峰和一阶透射峰与透射峰的一个自由光谱区之间的时间比，利用光在腔内往返一周零阶和一阶透射峰相位变化的特性来计算微光学腔的腔长。所述测量装置：包括激光器(1)、腔模匹配透镜(2)、第一腔镜(3)、第二腔镜(4)、压电陶瓷(5)、透镜(6)、探测器(7)、函数信号发生器(8)、示波器(9)和高压放大器(10)。本发明在可调谐和不可调谐激光器中实现对微光学谐振腔长的测量，同时对低反射率和高反射率的FP腔的腔长都适用，测量精度高，测量装置简单，测量过程易于操作。

Description

一种对微光学谐振腔腔长测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及微光学腔测量技术领域，具体是一种对微光学谐振腔腔长测量的方法和装置。
背景技术
随着激光技术的不断发展，从激光的产生、激光模式的检测、模式选择到腔增强的各种效应，光学腔的用途越来越广泛，光学微腔是现代光学测试、计量和分析不可缺少的工具之一。微光学谐振腔由于其品质因子高、谱宽窄、有效模体积小、振荡阈值低等优势在低阈值激光器、腔量子电动力学、生物探测、高性能滤波器等领域具有广泛的应用。高精细度光学腔因其极窄的线宽，可以获得极高的光学谱分辨率和位移分辨率，在激光光钟、引力波的探测、热噪声的测量方面有着独特的作用；同时高精细度光学腔不但可以在空间选择特定的光学模式，而且可以增强光子的相干性。随着技术的不断进步，光学微腔其应用领域不仅局限于传统光学，被越来越多地应用到精密测量、微弱信号监测以及弱光(单光子)控制和测量方面，在量子信息和集成量子芯片方面更是有广阔的应用前景。
微光学谐振腔应用于实际中必须要对微光学腔的腔长进行测量，并锁定满足实际应用的腔长，使其谐振频率稳定在特定波长附近，所以对微光学腔的测量是一个必要的过程。现有的一些腔长测量方法：基于可调谐法布里-泊罗腔(FP腔)光谱严格理论公式的拟合法,拟合方法求解参量丰富,适用性较强,但是需要先估计腔镜的反射率和透射相位谱等参数,求解速度相对较慢。基于低反射率FP腔的双光束干涉近似表达式的周期法和傅里叶变换方法由于谐振条纹近似为余弦函数形式,可以用余弦插值方法提高谐振峰间隔的估计精度，可调谐激光器波长扫描精度有限,因此在傅里叶变换时存在频谱分辨率有限引入的腔长估计误差。而本方法非常便于计算，测量精确度高，装置简单易操作，在不可调谐激光器中也可以应用而且还适用于高反射率FP腔，可在光学腔测量中广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对微光学谐振腔腔长测量的方法；所述测量方法便于计算，测量精确度高，装置简单易操作，应用广泛。
本发明提供的一种对微光学谐振腔腔长的测量方法，包括以下步骤：
(1).将第一腔镜与第二腔镜放置于隔振底座上组成微光学腔；
(2).用高压放大器对微光学腔的腔长进行扫描，在示波器上得到微光学腔的透射曲线；
(3).将示波器上得到的透射曲线时间展开，得到零阶透射峰和一阶透射峰与透射峰的一个自由光谱区之间的时间比；
(4).根据光在微光学腔内往返一周一阶透射峰在腔内共振比零阶透射峰在腔内共振多走的相位从而推算出微光学腔在一阶共振时的腔长，根据式子
Figure BDA0002365323930000021
(5).从而得到腔长的表达式
Figure BDA0002365323930000022
利用该式子就可以算出微光学腔的腔长；
上述式中：ZR是腰斑的瑞利长度，k是扫描一阶透射峰与零阶透射峰之间的时间展开，N是扫描一个自由光谱区的时间展开，m是腔透射光的横模阶数，n是腔透射光的纵模阶数。其中ZR可以根据公式
Figure BDA0002365323930000023
来得出ω0是光在腔中心的腰斑半径，λ是光的波长，根据以上式子可以求出微光学腔的腔长。
为实现上述测量方法提供的一种对微光学谐振腔腔长测量的装置，其特征在于包括：激光器、腔模式匹配透镜、第一腔镜、4-第二腔镜、压电陶瓷；透镜、探测器、函数信号发生器、示波器和高压放大器；所述的激光器产生的光经过模式匹配透镜进入由第一腔镜和第二腔镜构成的微光学腔，透射光经透镜聚焦令透射光进入探测器，探测器的输出信号连接到函数信号发生器的输入端，函数信号发生器的输出端连接到高压放大器的输入端，高压放大器的输出端再连接到微光学腔的第二腔镜上的压电陶瓷上。
与其现有测量方法相比，本发明的有益效果：
(1).本发明不仅可以在可调谐激光器中，而且在不可调谐激光器中也可以用本方法测量腔长；
(2).本发明对低反射率和高反射率的FP腔的腔长测量都适用；
(3).本发明的测量精度较高；
(4).本发明装置结构简单，测量过程易于实际操作。
附图说明
图1本发明的一种对微光学谐振腔腔长测量装置示意图，图中：1-激光器；2-腔模匹配透镜；3-第一腔镜；4-第二腔镜；5-压电陶瓷；6-透镜；7-探测器；8-函数信号发生器；9-示波器；10-高压放大器；11-隔振底座；实线是光路径，虚线是电连接。
图2是扫描腔长后得到的透射曲线；
图3是对图2中透射曲线的第一个透射峰将时间展开后的透射曲线。
具体实施方式
一种对微光学谐振腔腔长的测量方法，包括如下步骤：
(1)、激光器1产生波长为1064nm的红外光，经过腔模式匹配透镜匹配进入到微光学腔，用高压放大器10对微光学腔的腔长进行扫描，从微光学腔里透射出来的光经透镜6聚焦后进入探测器7产生电信号在示波器9上看到透射曲线(见图2)。
(2)、将得到的透射峰曲线在示波器9上时间展开得到零阶透射峰和一阶透射峰(见图3)与透射峰的一个自由光谱区之间的时间比；
(3)、光在微光学腔内往返一周一阶透射峰在腔内共振比零阶透射峰在腔内共振多走的相位从而推算出微光学腔在一阶共振时的腔长，根据式子
Figure BDA0002365323930000031
(4)、从而得到腔长的表达式
Figure BDA0002365323930000032
利用该式子就可以算出微光学腔的腔长；
上述表达式中，zR是腰斑的瑞利长度，k是扫描一阶透射峰与零阶透射峰之间的时间展开，N是扫描一个自由光谱区的时间展开，m是腔透射光的横模阶数，n是腔透射光的纵模阶数。其中zR可以根据公式
Figure BDA0002365323930000033
来得出ω0是光在腔中心的腰斑半径，λ是光的波长，根据以上式子可以求出微光学腔的腔长。
实现上述测量方法的一种对微光学谐振腔腔长测量的装置，如图1所示，包括：激光器1、腔模式匹配透镜2、第一腔镜3、4-第二腔镜4、压电陶瓷5；透镜6、探测器7、函数信号发生器8、示波器9、高压放大器10和隔振底座11；所述的激光器1产生的波长为1064nm红外光经过模式匹配透镜2进入微光学腔，透射光经透镜6聚焦令透射光进入探测器7，探测器7的输出信号连接到函数信号发生器8的输入端，函数信号发生器8的输出端连接到高压放大器10的输入端，高压放大器10的输出端再连接到微光学腔的第二腔镜4上的压电陶瓷5上。

Claims (1)

1.一种对微光学谐振腔腔长的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).将第一腔镜(3)与第二腔镜(4)放置于隔振底座(11)上组成微光学腔；
(2).用高压放大器(10)对微光学腔的腔长进行扫描，在示波器(9)上得到微光学腔的透射曲线；
(3).将示波器(9)上得到的透射曲线时间展开，得到零阶透射峰和一阶透射峰与透射峰的一个自由光谱区之间的时间比；
(4).根据光在微光学腔内往返一周一阶透射峰在腔内共振比零阶透射峰在腔内共振多走的相位从而推算出微光学腔在零阶透射峰共振时的腔长，根据式子
Figure FDA0002937073560000011
(5).得到腔长的表达式
Figure FDA0002937073560000012
利用该式子可以算出微光学腔的腔长；
式中：ZR是腰斑的瑞利长度，k是扫描一阶透射峰与零阶透射峰之间的时间展开，N是扫描一个自由光谱区的时间展开，m是腔透射光的横模阶数，n是腔透射光的纵模阶数。
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