研究生光學諧振腔拓展實驗設計初探

譚中奇 梁永輝 吳素勇 劉賤平 全豫川

（國防科技大學前沿交叉學科學院 湖南·長沙 410073）

光學諧振腔是光學及光電技術中一種非常經典而重要的器件，[1]圍繞其開展實驗教學工作，不僅可增強學生對于經典光學中多光束干涉理論的理解和掌握，[2]更重要的是，作為激光技術中最為基礎的元件，光學諧振腔實驗教學有助于學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展激光及其應用技術相關研究。為此，許多院校在光電類專業不同階段設置了與光學諧振腔相關的課程，例如，國防科技大學就在研究生課程中開設了《高等光電技術實驗》。[5,6]該課程中的光學諧振腔實驗，根據腔內有無增益介質又細分為無源腔實驗（即掃描法珀腔實驗）和有源腔實驗（即氦氖激光器實驗）；其實驗難度、創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們對于光學諧振腔模式理論的認識，掌握調腔、選模、測試等方面的基本技能，讓學生具備應用光學諧振腔開展應用拓展的能力；然而，鑒于研究生實驗課程特點，即新穎性、前沿性、創新性等方面的要求，本文在現有基礎上，探索了其拓展實驗難度，針對超低損耗高反鏡性能測試問題，利用目前國際先進測試技術——腔衰蕩技術，設計超低損耗測試拓展實驗，以此開拓研究生學術視野、引導其創新思維。下面將從腔衰蕩原理、系統設計和測試結果等方面介紹拓展實驗設計和探索工作。

1 腔衰蕩技術概述

腔衰蕩技術產生于20 世紀八十年度初，其主要目的是解決當時困擾已久的超低損耗光學薄膜損耗測量問題。當時，為解決超低損耗膜片（高反膜和增透膜）的性能標定問題，人們提出了不少方案，如分光光度計、差動型透反儀（我國高伯龍院士獨創）等措施或手段，但這些技術面對越來越小的損耗膜片時，其測量精度仍顯不夠。1984 年，美國Anderson 等人提出利用激光在光學諧振腔內的衰減時間來反演腔內損耗的技術，[7]并將這種技術稱為Cavity ring-down Technique，簡稱CRD。其基本測量原理，可由麥克斯韋方程組近似處理導出的自洽方程組進行分析：[8]

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

隨著科學技術的不斷進步發展，腔衰蕩技術的應用不再局限于膜片損耗測量，而拓展到光學諧振腔總損耗測量領域；最為重要的是，腔衰蕩技術與激光光譜技術結合，產生了一種新穎的激光吸收光譜技術，即腔衰蕩光譜技術（Cavity ring-down spectroscopy，簡稱CRDS）。該技術目前已被廣泛應用于全球氣候變化研究、燃燒診斷、痕量氣體檢測、生物醫學應用及農業科技生產等物質定性和定量檢測的各種領域。綜上所述，基于光學諧振腔基礎實驗，設計腔衰蕩實驗系統，并組織開展相關實驗，對于開拓研究生學術視野、追蹤國際學術發展方向具有重要現實意義，同時，這對啟發研究生的創新思維、引導進行學術創新具有重要意義。

2 腔衰蕩測量系統設想

腔衰蕩技術根據光源的性質可分為脈沖腔衰蕩和連續波腔衰蕩兩大類；其中脈沖腔衰蕩采用寬度為納秒量級的脈沖激光作為光源，而連續波腔衰蕩技術則采用連續激光入射；考慮到光學諧振腔實驗中掃描法珀腔實驗已經進行了諧振腔調節和優化訓練和實驗，為避免重復，同時減少不必要實驗時間，將光學諧振腔調腔過程簡化，具體設計思路是利用光學集成思路，在諧振腔加工階段解決其調節問題，拓展實驗中重點訓練激光與諧振腔之間的模式耦合問題。按照此思路，設計系統如下圖1 所示：所設計的腔衰蕩實驗系統主要由激光器、V 型諧振腔、探測器和計算機及附屬電路組成。為減少系統成本，采用半導體激光器作為光源，利用其電流調制特性，實現激光的百納秒級開關。具體實驗過程可描述如下：半導體激光器發出的激光經準直器后，從折疊鏡處入射到低損耗V 型諧振腔內，為實現激光與諧振腔的頻率匹配條件，安裝在V 型腔端面鏡M2 后的壓電陶瓷在計算機發出的三角波型號驅動下來回掃描腔長，當滿足諧振條件后，安裝在端面鏡M1 后的光電探測器將可探測得到諧振光信號，該信號分為兩路：一路連接至A/D高速數據采集卡，另一路輸入值半導體激光器的驅動電路，用于觸發半導體激光器關斷，實現衰蕩。

圖1 腔衰蕩實驗系統結構示意圖

3 腔衰蕩實驗探索

為驗證所涉及的拓展實驗方案是否可行，并為后續實驗開展進行探索，按照圖1 設計思路，搭建了簡易系統。系統采用633nm半導體激光器作為光源，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，探測器采用雪崩管探測器，考慮到這種探測器的光敏面積較小，因此測量系統在雪崩管前加入了會聚透鏡。將633nm 激光耦合進入V 型諧振腔后，進行腔衰蕩測量，測得信號如圖2 所示。

圖2 腔衰蕩信號及其擬合圖

針對這種非線性信號，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，得到腔的衰減時間為4.46 s。根據腔衰減時間t 和腔損耗之間的關系式，結合腔長具體數值L=32cm，可求得腔的總損耗值為239.4×10-6。

4 結束語

針對研究生實驗課程對實驗內容前沿性、新穎性及創新性等方面的要求，本文基于現有光學諧振腔實驗基礎，研究探討了腔衰蕩法測量低損耗光學諧振腔損耗的實驗系統設計及其實踐問題。在系統設計中，從實驗課程實際情況出發，從光源選擇、腔體設計等角度出發，節約系統成本和實驗時間，具有較好的可操作性。從實踐情況可以看出，系統設計基本達到設定目標，可以下一步實際應用于光電類專業的研究生拓展實驗以及專業案例建設。