基于納米光纖的光學(xué)法布里-珀羅諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)的表征*

胡裕棟 宋麗軍 王晨曦 張沛 周靜 李剛2) 張鵬飛2)? 張?zhí)觳?)

1) (山西大學(xué)光電研究所,量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

2) (山西大學(xué),極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

光學(xué)法布里-珀羅(F-P)諧振腔、粒子、微納機(jī)械振子三者結(jié)合的復(fù)合腔光力學(xué)系統(tǒng)在基本物理問(wèn)題、量子信息、精密測(cè)量等方面的研究和應(yīng)用中越來(lái)越引起大家的重視.本文將納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔的腔模中,探究了納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的影響,并通過(guò)測(cè)量納米光纖引起的光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗隨納米光纖位置的關(guān)系直接獲得光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)分布的無(wú)損表征.此方法可以用于在納米光纖表面裝載的發(fā)光粒子與光學(xué)F-P 諧振腔耦合的精確控制,也為集合光子、粒子、聲子的復(fù)合腔光力學(xué)研究提供了良好的平臺(tái).

1 引言

光與原子的相互作用系統(tǒng)是基本物理問(wèn)題、量子信息、精密測(cè)量等方面研究和應(yīng)用的重要工具之一[1].其中光與原子相互作用的強(qiáng)度,稱為耦合強(qiáng)度,是各類(lèi)研究關(guān)注的重要指標(biāo)之一.為了研究特定的物理現(xiàn)象,如實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子的靈敏探測(cè)[2],研究單粒子水平上光與物質(zhì)相互作用的量子行為[3]等,通常要在光和原子強(qiáng)耦合的條件下完成.當(dāng)光和原子的耦合強(qiáng)度大于原子和光場(chǎng)的損耗時(shí),即稱為強(qiáng)耦合.光學(xué)諧振腔的引入可以使得光子能夠在受限空間中往返多次傳輸,這極大地提升了光子在光學(xué)諧振腔內(nèi)的壽命,使得光場(chǎng)和原子實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合[4].

近年來(lái)隨著研究的進(jìn)展,各種不同結(jié)構(gòu)、不同材料的光學(xué)諧振腔被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于腔量子電動(dòng)力學(xué)研究中[3],例如光學(xué)鏡片法布里-珀羅(F-P)微腔[5]、光纖環(huán)形諧振腔[6]、微盤(pán)腔[7]、微柱腔[8]、納米光纖環(huán)形腔[9]、光纖F-P 腔[10,11]、微環(huán)芯腔[12]、光子晶體微腔[13]、領(lǐng)結(jié)腔[14]等.基于上述各類(lèi)光學(xué)諧振腔的光與物質(zhì)相互作用研究也得到了快速發(fā)展[15?25].在上述各類(lèi)系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用,原子或固體粒子需要被放置于光學(xué)諧振腔的腔場(chǎng)中,并且為了達(dá)到最大耦合強(qiáng)度,對(duì)粒子的空間位置控制提出了更高要求.對(duì)于模式開(kāi)放的光學(xué)F-P 諧振腔,人們可以利用激光冷卻與俘獲技術(shù)[26],將原子、分子、離子等控制在腔模中,如采用原子自由下落[27]、原子噴泉[28]、光學(xué)偶極阱[29]、原子傳送帶[30]等方法.其優(yōu)點(diǎn)是可以懸空控制粒子,無(wú)物理裝置介入,但是缺點(diǎn)是系統(tǒng)龐大、技術(shù)難度高[31].

但是對(duì)于單個(gè)固體粒子,如量子點(diǎn),色心等直接懸空放置在光學(xué)F-P 諧振腔腔模中存在技術(shù)困難.這通常需要借助載體將粒子放置于光學(xué)F-P諧振腔的腔模中,以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與粒子的相互作用.固體粒子裝載方式可以采用將粒子直接生長(zhǎng)或者放置在微盤(pán)腔、微球腔表面[32],其優(yōu)點(diǎn)是耦合強(qiáng)度大、系統(tǒng)穩(wěn)定,但缺點(diǎn)是粒子位置無(wú)法實(shí)時(shí)移動(dòng)和控制.

近年來(lái),納米光纖的發(fā)展為裝載固體粒子提供了很好的接口[33],與此同時(shí)也為粒子的操控和探測(cè)提供了一種有效、便利的方法[34].納米光纖既可以裝載原子[35],也可以裝載固體粒子[36].另外,由于納米光纖具有制作方法簡(jiǎn)單、成本低,而且其表面具有強(qiáng)倏逝場(chǎng)并可與粒子直接相互作用等優(yōu)點(diǎn),所以被廣泛運(yùn)用.2003 年直徑為亞波長(zhǎng)量級(jí)的納米光纖被提出,其通常由普通光纖利用熔融拉伸技術(shù)制作而成.納米光纖由普通光纖區(qū),錐區(qū),腰區(qū)三部分組成,腰區(qū)的光纖直徑可達(dá)百納米甚至更小[37].當(dāng)納米光纖直徑為百納米量級(jí)時(shí),納米光纖表面的光學(xué)倏逝場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)被增強(qiáng)[38].這為納米光纖與原子、離子、粒子和色心等多種粒子發(fā)射器的耦合提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[39].由此可見(jiàn),利用納米光纖可以將固體粒子或者原子進(jìn)行裝載,并將納米光纖與粒子整體放置于光學(xué)F-P 諧振腔中,實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)模場(chǎng)與粒子的相互作用.而且納米光纖放置于光學(xué)F-P 諧振腔的系統(tǒng)除了以上應(yīng)用,也可以作為腔光力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行腔光力學(xué)的研究[40?43].

當(dāng)納米光纖放置于光學(xué)F-P 諧振腔的腔模中,由于納米光纖對(duì)腔內(nèi)模場(chǎng)進(jìn)行散射,增加了光學(xué)F-P 諧振腔的內(nèi)腔損耗,最終會(huì)影響光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度[44].這些效應(yīng)將會(huì)影響光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)粒子與光場(chǎng)的耦合強(qiáng)度,因此探究納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔的影響是十分必要的.在光學(xué)F-P諧振腔中進(jìn)行光與粒子的相互作用研究時(shí),光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑是實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)之一.因此,對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腰斑半徑的測(cè)量是非常必要的.現(xiàn)有測(cè)量光學(xué)諧振腔腰斑半徑的方法有:通過(guò)測(cè)量光學(xué)諧振腔不同模式之間的相位差計(jì)算光學(xué)諧振腔的腰斑半徑[45,46]、通過(guò)將狹縫置于光學(xué)諧振腔軸向不同位置測(cè)量光斑半徑擬合獲得光學(xué)諧振腔腰斑半徑[47].但是上述方法在面臨實(shí)時(shí)表征腔內(nèi)模場(chǎng)和用于腔量子電動(dòng)力學(xué)中粒子位置實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用要求存在一定技術(shù)困難.

基于納米光纖的尺寸小、集成性好的特點(diǎn),我們提出利用納米光纖測(cè)量光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑,通過(guò)改變納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔腔模中的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)分布的表征.此方法具有不影響腔內(nèi)模場(chǎng)建立、直接測(cè)量獲得光斑參數(shù)等優(yōu)點(diǎn).本文中將直徑約為440 nm的納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔中,研究了納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的影響.通過(guò)改變納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔腔模中的位置對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量和表征,確定了光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑尺寸和位置.利用此方法可以最終確定納米光纖裝載固體粒子后置于光學(xué)F-P 諧振腔的最佳耦合位置,也為后續(xù)采用光學(xué)F-P 諧振腔與N-V 色心的相互作用研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),同樣也為納米光纖、光學(xué)F-P 諧振腔、固體粒子三者結(jié)合的復(fù)合腔光力學(xué)的研究提供良好的平臺(tái).

2 理論模擬

在實(shí)驗(yàn)中與腔內(nèi)模場(chǎng)相互作用的粒子通常需要被放置于光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)的腰斑中心處,以達(dá)到最大耦合強(qiáng)度.擬將固體粒子裝載于納米光纖表面并與腔內(nèi)模場(chǎng)耦合.而納米光纖直徑(440 nm)遠(yuǎn)小于光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑(70 μm),因此納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)傳輸僅造成微小的損耗,但不會(huì)影響腔內(nèi)模場(chǎng)的整體分布.通過(guò)有限時(shí)域差分法(FDTD)對(duì)納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)高斯光束的傳輸損耗進(jìn)行了模擬.圖1(a)為納米光纖置于高斯光束中的模型示意圖.高斯光束沿z軸傳輸,納米光纖軸向沿x軸放置.當(dāng)納米光纖放置于光學(xué)F-P 諧振腔腰斑處,改變納米光纖在y軸的位置,根據(jù)F=2π/(1-R1+1-R2+L)得到光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度隨納米光纖在y軸不同位置的變化關(guān)系,如圖1(b)所示.其中F是光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度,1-R1=1-R2=0.2% 為實(shí)驗(yàn)中所用光學(xué)F-P 諧振腔腔鏡的透過(guò)率,R1、R2為實(shí)驗(yàn)中所用光學(xué)FP 諧振腔腔鏡的反射率,L是理論模擬的納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔中造成的內(nèi)腔損耗.模型中光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)的腰斑半徑取為70 μm,納米光纖直徑為440 nm,均對(duì)應(yīng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值.圖1(b)中藍(lán)色實(shí)線為光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)高斯光束強(qiáng)度隨y軸位置的變化曲線.圖1(b)中紅色三角塊是模擬得到的納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔引起的內(nèi)腔損耗.由圖1(b)可以看出,納米光纖造成光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗與光學(xué)F-P 諧振腔腔場(chǎng)強(qiáng)度的分布一致,因此可以測(cè)量納米光纖引起的內(nèi)腔損耗隨空間位置的變化,來(lái)獲得光學(xué)F-P諧振腔內(nèi)腰斑半徑的數(shù)值.圖1(b)中橙色圓點(diǎn)為模擬計(jì)算得到的光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度隨納米光纖在不同y軸位置的值.由圖1(b)可知,當(dāng)納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔腔場(chǎng)內(nèi),由于納米光纖造成的光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗使得光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度有一個(gè)明顯的下降,由1500 降至最低約為1300.而納米光纖造成光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗與腔內(nèi)模場(chǎng)強(qiáng)度分布相關(guān),所以光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗的變化曲線也呈高斯型.兩者細(xì)小的差別是由于納米光纖具有一定尺寸和數(shù)值模擬誤差造成的.

圖1 (a) 理論模型結(jié)構(gòu)示意圖,灰色陰影表示高斯光束,紅色陰影表示高斯光束在徑向光功率密度分布,藍(lán)色長(zhǎng)棒表示納米光纖;(b) 光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度隨納米光纖在y 軸位置的變化關(guān)系的模擬結(jié)果,紅色三角塊為納米光纖造成光學(xué)F-P 諧振腔的內(nèi)腔損耗,藍(lán)色實(shí)線為光學(xué)F-P諧振腔腔內(nèi)高斯光束的強(qiáng)度分布,橙色圓點(diǎn)為光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度Fig.1.(a) Schematic of the model for numerical simulations.Gray shaded areas represent the Gaussian beams,red shaded areas represent the intensity distribution of Gaussian beams and long blue bars represent the nanofiber.(b) F-P cavity finesse as a function of the nanofiber position along y-axis.The orange circles are the finesse of F-P cavity.The red triangular blocks are the F-P cavity losses and the blue solid line is the intensity distribution of the Gaussian beam in the F-P cavity.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中我們搭建了將納米光纖放置于光學(xué)FP 諧振腔中的實(shí)驗(yàn)裝置,其示意圖如圖2(a)所示.光學(xué)F-P 諧振腔是由兩片高反射率的腔鏡相對(duì)放置而成.兩片腔鏡的曲率半徑為r1=r2=50 mm,反射率為R1=R2≈99.8%.其中一片腔鏡由環(huán)狀壓電陶瓷(PI,P-016.00 H)固定,通過(guò)改變施加在壓電陶瓷上的電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腔長(zhǎng)的掃描.激光由一臺(tái)半導(dǎo)體激光器提供,波長(zhǎng)為852 nm.激光通過(guò)電光調(diào)制器(EOM,圖2 中未標(biāo)出)并施加相位調(diào)制信號(hào),調(diào)制頻率為w=38.9 MHz.光學(xué)F-P 諧振腔的腔長(zhǎng)為(80±4) mm,空腔精細(xì)度約為1500,光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑為(73±3) μm.光學(xué)F-P 諧振腔的透射信號(hào)由光電探測(cè)器收集,并將光電探測(cè)器連接至示波器,在示波器中監(jiān)視透射譜信息,并從示波器中采集透射譜的信息進(jìn)行分析.

圖2 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(b) 納米光纖的電鏡照片F(xiàn)ig.2.(a) Schematic of experimental setup;(b) SEM image of the nanofiber.

由于示波器采樣率的限制,對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度測(cè)量過(guò)程如下.光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度可以表示為F=FSR/Δw,式中 FSR 是光學(xué)F-P諧振腔的自由光譜區(qū),Δw是光學(xué)F-P 諧振腔的線寬.在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制壓電陶瓷(PZT)掃描光學(xué)F-P 諧振腔腔長(zhǎng)可以獲取頻率調(diào)制后的光學(xué)F-P諧振腔透射譜.根據(jù)公式 FSR=(TFSR×ΔΩ)/TΔΩ計(jì)算得到 FSR,式中TFSR為光學(xué)F-P 諧振腔相鄰激光主頻共振峰的掃描時(shí)間間隔,ΔΩ為邊帶調(diào)制頻率,TΔΩ為在示波器采集的光學(xué)F-P 諧振腔透射譜的邊帶與主頻之間的掃描時(shí)間間隔.同理,根據(jù)公式 Δw=(ΔΩ×TΔw)/TΔΩ計(jì)算得到 Δw,式中 ΔΩ為邊帶調(diào)制頻率,TΔΩ為在示波器采集的光學(xué)F-P 諧振腔透射譜的邊帶與主頻之間的掃描時(shí)間間隔,TΔw是光學(xué)F-P 諧振腔透射譜的半高全寬對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差來(lái)自多次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差.

置于光學(xué)F-P 諧振腔中的納米光纖是通過(guò)對(duì)單模光纖進(jìn)行熔融拉伸的技術(shù)加工而成,其包括普通光纖、錐形結(jié)構(gòu)和納米光纖三個(gè)部分[48].其中納米光纖部分通過(guò)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)拍照法測(cè)得最細(xì)直徑為(440±3) nm.圖2(b)為納米光纖的電鏡照片.我們制作的納米光纖直徑最細(xì)處的長(zhǎng)度約為4 mm,兩端錐區(qū)的長(zhǎng)度均約為17.5 mm.拉制成功的納米光纖采用“U 型支架固定于高精度三維平移臺(tái)上(Newport 461-XYZ-M).實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制平移臺(tái)來(lái)改變納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔中的相對(duì)位置.為了避免外界環(huán)境氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,將光學(xué)F-P諧振腔及納米光纖整體裝置放置于亞克力罩中.

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果與分析

當(dāng)納米光纖被置于光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)時(shí),納米光纖對(duì)腔場(chǎng)的散射損耗可以造成光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的變化.實(shí)驗(yàn)中將納米光纖置于光學(xué)F-P諧振腔的腔模不同位置,探究了納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的影響.根據(jù)精細(xì)度可以獲得內(nèi)腔損耗,通過(guò)內(nèi)腔損耗隨納米光纖在腔徑向位置的變化曲線,采用高斯擬合可以得到腔內(nèi)光斑的半徑.在此基礎(chǔ)上,將納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔軸向的不同位置進(jìn)行光斑半徑測(cè)量,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔內(nèi)模場(chǎng)分布的表征.

3.2.1 納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的影響

實(shí)驗(yàn)中,首先探究了將納米光纖置于光學(xué)FP 諧振腔的腔模腰斑處光學(xué)F-P 諧振腔的精細(xì)度,隨納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔徑向(圖2(a)中y軸)位置的變化情況.利用與鏡片連接的壓電陶瓷對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔腔長(zhǎng)進(jìn)行掃描,并記錄納米光纖在腔模不同位置處的光學(xué)F-P 諧振腔的透射譜.為了測(cè)量獲得的光學(xué)F-P 諧振腔的自由光譜區(qū)和線寬,采用激光相位調(diào)制產(chǎn)生的邊帶以標(biāo)定光學(xué)F-P 諧振腔透射譜的頻率.根據(jù)公式l=c/(2×FSR),實(shí)驗(yàn)中根據(jù)自由光譜區(qū)得到光學(xué)F-P 諧振腔的腔長(zhǎng)為(80±4)mm,式中 FSR 為光學(xué)F-P 諧振腔的自由光譜區(qū).實(shí)驗(yàn)中納米光纖被置于光學(xué)F-P 諧振腔腰斑處,沿著垂直于光學(xué)F-P 諧振腔軸向(y軸)移動(dòng)納米光纖,得到光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度隨納米光纖在y軸位置的變化關(guān)系,如圖3 所示.由圖3 可知,納米光纖穿過(guò)光學(xué)F-P 諧振腔腰斑時(shí),光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度受到納米光纖的影響而降低.納米光纖位置處于光強(qiáng)越大處,其精細(xì)度越小.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到,納米光纖引入損耗造成最低精細(xì)度約為240 (見(jiàn)圖3),這個(gè)數(shù)值要小于理論預(yù)測(cè)的最小精細(xì)度1300.主要原因是附著在納米光纖表面的灰塵引起的損耗.在自由空間中,空氣的流動(dòng)會(huì)將灰塵移動(dòng)并附著在納米光纖的表面.當(dāng)灰塵隨著納米光纖進(jìn)入光學(xué)F-P 諧振腔的腔模,可以增加內(nèi)腔損耗,從而影響實(shí)驗(yàn)精度.

3.2.2 光學(xué)F-P 諧振腔腰斑的表征

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,納米光纖置于光學(xué)FP 諧振腔腰斑處對(duì)腔模引起的內(nèi)腔損耗與納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔徑向(y軸)位置的關(guān)系,通過(guò)高斯擬合得到光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑.在實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)光學(xué)F-P 諧振腔的腔模在其軸向分布的關(guān)系曲線(圖5)得到光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑位置,并將納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔腰斑位置處測(cè)量光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑.圖4 為實(shí)驗(yàn)得到的光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗隨納米光纖在y軸位置的變化關(guān)系曲線,紫色方塊為實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的納米光纖引起的光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗,灰色實(shí)線為高斯擬合.擬合得到的腰斑半徑為(72±1) μm.由實(shí)測(cè)自由光譜區(qū)方法測(cè)量腔長(zhǎng)后計(jì)算得到的腰斑半徑值為(73±3) μm,兩者吻合得較好.

圖4 納米光纖處于光學(xué)F-P 諧振腔腔模腰斑處,光學(xué)F-P諧振腔內(nèi)腔損耗隨納米光纖在y 軸位置的變化關(guān)系Fig.4.F-P cavity loss as a function of the position of the nanofiber in the y-axis when the nanofiber is at the waist of the cavity.

圖5 光學(xué)F-P 諧振腔中軸向(z 軸)的腔內(nèi)模場(chǎng)分布Fig.5.Mode distribution in the F-P cavity along z-axis.

3.2.3 光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)軸向分布的表征

在以上基礎(chǔ)上,將納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔軸向(z軸)的不同位置,并測(cè)量光學(xué)F-P 諧振腔軸向不同位置的光斑半徑,從而可以對(duì)光學(xué)F-P諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)軸向分布進(jìn)行表征.實(shí)驗(yàn)中納米光纖放置于光學(xué)F-P 諧振腔軸向(z軸)的不同位置,進(jìn)行與3.2.2 節(jié)中相同的測(cè)量過(guò)程,得到光學(xué)F-P諧振腔腔內(nèi)光斑半徑與光學(xué)F-P 諧振腔軸向(z軸)位置的變化關(guān)系圖如圖5 所示.粉色三角塊為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,黑色實(shí)線為根據(jù)高斯光束的傳輸公式w(z)=理論預(yù)測(cè)的結(jié)果,式中w0是光學(xué)F-P 諧振腔的腰斑半徑大小,z是光學(xué)F-P 諧振腔光斑在腔軸方向的位置,λ是高斯光束的波長(zhǎng),可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論曲線符合得較好.

實(shí)驗(yàn)誤差的主要來(lái)源主要包括兩方面.1) 光學(xué)F-P 諧振腔的不穩(wěn)定性: 為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求,其中一個(gè)腔鏡是固定于一維平移臺(tái)上以便大范圍控制腔長(zhǎng).但是平移臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔的穩(wěn)定性造成影響,光學(xué)F-P 諧振腔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性導(dǎo)致光學(xué)F-P 諧振腔透射譜的抖動(dòng),進(jìn)而引起光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的誤差.2) 納米光纖的本征機(jī)械振動(dòng): 納米光纖最細(xì)部位的直徑僅有百納米量級(jí),所以其對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感,周?chē)鷮?shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)引起或激勵(lì)納米光纖的振動(dòng),這會(huì)影響納米光纖在光學(xué)F-P 諧振腔中的相對(duì)位置,從而對(duì)納米光纖引起的光學(xué)F-P 諧振腔內(nèi)腔損耗產(chǎn)生影響.

4 結(jié)論與展望

綜上所述,在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將納米光纖放置于光學(xué)F-P 諧振腔中,探究了納米光纖對(duì)光學(xué)F-P 諧振腔精細(xì)度的影響,并通過(guò)將納米光纖置于光學(xué)F-P 諧振腔腰斑處,根據(jù)納米光纖引發(fā)的內(nèi)腔損耗隨著納米光纖位置的變化曲線擬合得到光學(xué)F-P諧振腔的腰斑半徑,這與由自由光譜區(qū)計(jì)算得到的結(jié)果一致.另外利用納米光纖測(cè)量了光學(xué)F-P 諧振腔軸向不同位置的光斑半徑并對(duì)腔內(nèi)模場(chǎng)的分布進(jìn)行了表征.針對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量誤差的問(wèn)題,可以進(jìn)一步提高光學(xué)F-P 諧振腔裝置的穩(wěn)定性,例如采用光學(xué)F-P 諧振腔腔體一體化設(shè)計(jì),以增加光學(xué)F-P 諧振腔的穩(wěn)定性.針對(duì)納米光纖本征振動(dòng),可以優(yōu)化納米光纖制作過(guò)程,盡量縮短納米光纖的長(zhǎng)度,減小振動(dòng)幅度對(duì)測(cè)量的影響.另外可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的外部保護(hù)措施,以避免空氣流動(dòng)和灰塵對(duì)納米光纖產(chǎn)生影響.本文所述研究?jī)?nèi)容為光學(xué)F-P 諧振腔腔內(nèi)模場(chǎng)的表征提供了一種有效、無(wú)損的測(cè)量方法.利用此系統(tǒng),納米光纖表面裝載固體粒子后可以與光學(xué)F-P 諧振腔耦合.納米光纖的引入可以為控制固體粒子在光學(xué)F-P 諧振腔腔模中的位置提供便利.另外通過(guò)優(yōu)化制作過(guò)程減小納米光纖的直徑可以進(jìn)一步減小其對(duì)內(nèi)腔損耗的影響.另外這種方法也為納米光纖機(jī)械振子、光學(xué)FP 諧振腔、發(fā)光粒子三者結(jié)合的復(fù)合腔光力學(xué)研究提供良好的平臺(tái).