研究生光学谐振腔拓展实验设计初探

谭中奇 梁永辉 吴素勇 刘贱平 全豫川

（国防科技大学前沿交叉学科学院 湖南·长沙 410073）

光学谐振腔是光学及光电技术中一种非常经典而重要的器件，[1]围绕其开展实验教学工作，不仅可增强学生对于经典光学中多光束干涉理论的理解和掌握，[2]更重要的是，作为激光技术中最为基础的元件，光学谐振腔实验教学有助于学生理解和掌握激光模式的基本概念和理论，[3,4]从而有助于其今后开展激光及其应用技术相关研究。为此，许多院校在光电类专业不同阶段设置了与光学谐振腔相关的课程，例如，国防科技大学就在研究生课程中开设了《高等光电技术实验》。[5,6]该课程中的光学谐振腔实验，根据腔内有无增益介质又细分为无源腔实验（即扫描法珀腔实验）和有源腔实验（即氦氖激光器实验）；其实验难度、创新性和拓展性等均较本科课程有较大提升，主要目的是加深同学们对于光学谐振腔模式理论的认识，掌握调腔、选模、测试等方面的基本技能，让学生具备应用光学谐振腔开展应用拓展的能力；然而，鉴于研究生实验课程特点，即新颖性、前沿性、创新性等方面的要求，本文在现有基础上，探索了其拓展实验难度，针对超低损耗高反镜性能测试问题，利用目前国际先进测试技术——腔衰荡技术，设计超低损耗测试拓展实验，以此开拓研究生学术视野、引导其创新思维。下面将从腔衰荡原理、系统设计和测试结果等方面介绍拓展实验设计和探索工作。

1 腔衰荡技术概述

腔衰荡技术产生于20 世纪八十年度初，其主要目的是解决当时困扰已久的超低损耗光学薄膜损耗测量问题。当时，为解决超低损耗膜片（高反膜和增透膜）的性能标定问题，人们提出了不少方案，如分光光度计、差动型透反仪（我国高伯龙院士独创）等措施或手段，但这些技术面对越来越小的损耗膜片时，其测量精度仍显不够。1984 年，美国Anderson 等人提出利用激光在光学谐振腔内的衰减时间来反演腔内损耗的技术，[7]并将这种技术称为Cavity ring-down Technique，简称CRD。其基本测量原理，可由麦克斯韦方程组近似处理导出的自洽方程组进行分析：[8]

其中 代表腔的第 个模式， 为激光的角频率； 为腔的第 个分立模式的角频率，为 阶模式处谐振腔的值。为无源腔的谐振角频率（为腔长，为光速为

随着科学技术的不断进步发展，腔衰荡技术的应用不再局限于膜片损耗测量，而拓展到光学谐振腔总损耗测量领域；最为重要的是，腔衰荡技术与激光光谱技术结合，产生了一种新颖的激光吸收光谱技术，即腔衰荡光谱技术（Cavity ring-down spectroscopy，简称CRDS）。该技术目前已被广泛应用于全球气候变化研究、燃烧诊断、痕量气体检测、生物医学应用及农业科技生产等物质定性和定量检测的各种领域。综上所述，基于光学谐振腔基础实验，设计腔衰荡实验系统，并组织开展相关实验，对于开拓研究生学术视野、追踪国际学术发展方向具有重要现实意义，同时，这对启发研究生的创新思维、引导进行学术创新具有重要意义。

2 腔衰荡测量系统设想

腔衰荡技术根据光源的性质可分为脉冲腔衰荡和连续波腔衰荡两大类；其中脉冲腔衰荡采用宽度为纳秒量级的脉冲激光作为光源，而连续波腔衰荡技术则采用连续激光入射；考虑到光学谐振腔实验中扫描法珀腔实验已经进行了谐振腔调节和优化训练和实验，为避免重复，同时减少不必要实验时间，将光学谐振腔调腔过程简化，具体设计思路是利用光学集成思路，在谐振腔加工阶段解决其调节问题，拓展实验中重点训练激光与谐振腔之间的模式耦合问题。按照此思路，设计系统如下图1 所示：所设计的腔衰荡实验系统主要由激光器、V 型谐振腔、探测器和计算机及附属电路组成。为减少系统成本，采用半导体激光器作为光源，利用其电流调制特性，实现激光的百纳秒级开关。具体实验过程可描述如下：半导体激光器发出的激光经准直器后，从折叠镜处入射到低损耗V 型谐振腔内，为实现激光与谐振腔的频率匹配条件，安装在V 型腔端面镜M2 后的压电陶瓷在计算机发出的三角波型号驱动下来回扫描腔长，当满足谐振条件后，安装在端面镜M1 后的光电探测器将可探测得到谐振光信号，该信号分为两路：一路连接至A/D高速数据采集卡，另一路输入值半导体激光器的驱动电路，用于触发半导体激光器关断，实现衰荡。

图1 腔衰荡实验系统结构示意图

3 腔衰荡实验探索

为验证所涉及的拓展实验方案是否可行，并为后续实验开展进行探索，按照图1 设计思路，搭建了简易系统。系统采用633nm半导体激光器作为光源，V型谐振腔采用微晶玻璃作为腔体材料，三片超低损耗膜片以光胶方式固定在腔体上，探测器采用雪崩管探测器，考虑到这种探测器的光敏面积较小，因此测量系统在雪崩管前加入了会聚透镜。将633nm 激光耦合进入V 型谐振腔后，进行腔衰荡测量，测得信号如图2 所示。

图2 腔衰荡信号及其拟合图

针对这种非线性信号，采取Levenberg-Marquardt 非线性最小二乘拟合法，该方法容易收敛而且精度高。从图2 中的拟合残差曲线可看出，拟合效果好，得到腔的衰减时间为4.46 s。根据腔衰减时间t 和腔损耗之间的关系式，结合腔长具体数值L=32cm，可求得腔的总损耗值为239.4×10-6。

4 结束语

针对研究生实验课程对实验内容前沿性、新颖性及创新性等方面的要求，本文基于现有光学谐振腔实验基础，研究探讨了腔衰荡法测量低损耗光学谐振腔损耗的实验系统设计及其实践问题。在系统设计中，从实验课程实际情况出发，从光源选择、腔体设计等角度出发，节约系统成本和实验时间，具有较好的可操作性。从实践情况可以看出，系统设计基本达到设定目标，可以下一步实际应用于光电类专业的研究生拓展实验以及专业案例建设。