譚中奇 梁永輝 吳素勇 劉賤平 全豫川

（國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院 湖南·長沙 410073）

光學(xué)諧振腔是光學(xué)及光電技術(shù)中一種非常經(jīng)典而重要的器件，[1]圍繞其開展實驗教學(xué)工作，不僅可增強學(xué)生對于經(jīng)典光學(xué)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(shù)中最為基礎(chǔ)的元件，光學(xué)諧振腔實驗教學(xué)有助于學(xué)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(yīng)用技術(shù)相關(guān)研究。為此，許多院校在光電類專業(yè)不同階段設(shè)置了與光學(xué)諧振腔相關(guān)的課程，例如，國防科技大學(xué)就在研究生課程中開設(shè)了《高等光電技術(shù)實驗》。[5,6]該課程中的光學(xué)諧振腔實驗，根據(jù)腔內(nèi)有無增益介質(zhì)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(chuàng)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(xué)們對于光學(xué)諧振腔模式理論的認識，掌握調(diào)腔、選模、測試等方面的基本技能，讓學(xué)生具備應(yīng)用光學(xué)諧振腔開展應(yīng)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(chuàng)新性等方面的要求，本文在現(xiàn)有基礎(chǔ)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(shù)——腔衰蕩技術(shù)，設(shè)計超低損耗測試拓展實驗，以此開拓研究生學(xué)術(shù)視野、引導(dǎo)其創(chuàng)新思維。下面將從腔衰蕩原理、系統(tǒng)設(shè)計和測試結(jié)果等方面介紹拓展實驗設(shè)計和探索工作。

1 腔衰蕩技術(shù)概述

腔衰蕩技術(shù)產(chǎn)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(xué)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(chuàng)）等措施或手段，但這些技術(shù)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(xué)諧振腔內(nèi)的衰減時間來反演腔內(nèi)損耗的技術(shù)，[7]并將這種技術(shù)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(dǎo)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(xué)技術(shù)的不斷進步發(fā)展，腔衰蕩技術(shù)的應(yīng)用不再局限于膜片損耗測量，而拓展到光學(xué)諧振腔總損耗測量領(lǐng)域；最為重要的是，腔衰蕩技術(shù)與激光光譜技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了一種新穎的激光吸收光譜技術(shù)，即腔衰蕩光譜技術(shù)（Cavity ring-down spectroscopy，簡稱CRDS）。該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究、燃燒診斷、痕量氣體檢測、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及農(nóng)業(yè)科技生產(chǎn)等物質(zhì)定性和定量檢測的各種領(lǐng)域。綜上所述，基于光學(xué)諧振腔基礎(chǔ)實驗，設(shè)計腔衰蕩實驗系統(tǒng)，并組織開展相關(guān)實驗，對于開拓研究生學(xué)術(shù)視野、追蹤國際學(xué)術(shù)發(fā)展方向具有重要現(xiàn)實意義，同時，這對啟發(fā)研究生的創(chuàng)新思維、引導(dǎo)進行學(xué)術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

2 腔衰蕩測量系統(tǒng)設(shè)想

腔衰蕩技術(shù)根據(jù)光源的性質(zhì)可分為脈沖腔衰蕩和連續(xù)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(xù)波腔衰蕩技術(shù)則采用連續(xù)激光入射；考慮到光學(xué)諧振腔實驗中掃描法珀腔實驗已經(jīng)進行了諧振腔調(diào)節(jié)和優(yōu)化訓(xùn)練和實驗，為避免重復(fù)，同時減少不必要實驗時間，將光學(xué)諧振腔調(diào)腔過程簡化，具體設(shè)計思路是利用光學(xué)集成思路，在諧振腔加工階段解決其調(diào)節(jié)問題，拓展實驗中重點訓(xùn)練激光與諧振腔之間的模式耦合問題。按照此思路，設(shè)計系統(tǒng)如下圖1 所示：所設(shè)計的腔衰蕩實驗系統(tǒng)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(tǒng)成本，采用半導(dǎo)體激光器作為光源，利用其電流調(diào)制特性，實現(xiàn)激光的百納秒級開關(guān)。具體實驗過程可描述如下：半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)準直器后，從折疊鏡處入射到低損耗V 型諧振腔內(nèi)，為實現(xiàn)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(fā)出的三角波型號驅(qū)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(shù)據(jù)采集卡，另一路輸入值半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路，用于觸發(fā)半導(dǎo)體激光器關(guān)斷，實現(xiàn)衰蕩。

圖1 腔衰蕩實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xù)實驗開展進行探索，按照圖1 設(shè)計思路，搭建了簡易系統(tǒng)。系統(tǒng)采用633nm半導(dǎo)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(tǒng)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(jù)腔衰減時間t 和腔損耗之間的關(guān)系式，結(jié)合腔長具體數(shù)值L=32cm，可求得腔的總損耗值為239.4×10-6。

4 結(jié)束語

針對研究生實驗課程對實驗內(nèi)容前沿性、新穎性及創(chuàng)新性等方面的要求，本文基于現(xiàn)有光學(xué)諧振腔實驗基礎(chǔ)，研究探討了腔衰蕩法測量低損耗光學(xué)諧振腔損耗的實驗系統(tǒng)設(shè)計及其實踐問題。在系統(tǒng)設(shè)計中，從實驗課程實際情況出發(fā)，從光源選擇、腔體設(shè)計等角度出發(fā)，節(jié)約系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計基本達到設(shè)定目標，可以下一步實際應(yīng)用于光電類專業(yè)的研究生拓展實驗以及專業(yè)案例建設(shè)。