一种测量谐振腔内腔光斑的装置及方法

1.本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种测量谐振腔内腔光斑的装置及方法。


背景技术：

2.近年来，光学谐振腔已经广泛的应用于科研和生产生活领域。在科研中，光学谐振腔是激光器的必要组成部分；在量子信息领域，光学谐振腔是在受限空间中研究光和物质相互作用的重要媒介；在生产生活领域，光学谐振腔可以应用于传感、灵敏探测。而在这些应用中，光学谐振腔内的腔光斑半径是影响研究的重要指标之一，因此对谐振腔内腔光斑进行无损测量是非常重要且必要的。但是测量光斑半径的传统方法无法直接测量内腔光斑，原因是以上均会大面积或者全部阻挡腔中光斑，这样腔内模场随即消失，造成测量失败。因此急需一种可以无损测量谐振腔内腔光斑半径的方法。
3.随着微纳米技术的研究，将一根普通的光纤通过熔融拉制成具有特殊锥形结构的纳米光纤已经应用到各个领域中。纳米光纤制作方法简单，最细的部分直径可达到百纳米量级，表面具有非常强的倏逝场，基于此，纳米光纤可以应用于如下方面：在量子计算领域，纳米光纤的倏逝场是装载量子发射器的优良接口；在工业上，纳米光纤可以实现对悬臂梁振动模式的测量，可制成传感器，对弱力等进行测量。因为纳米光纤直径极小，因此将纳米光纤放置于光学谐振器内，这只对谐振器精密度造成影响，但不会影响谐振器模场建立，因此可以完成测量谐振腔内腔光斑半径。


技术实现要素：

4.本发明目的是解决传统方法会大面积或者全部阻挡腔中光斑，这样腔内模场随即消失，造成测量失败，无法直接测量谐振腔内腔光斑的问题。本发明提供一种在不影响谐振腔模场建立的情况下，无损测量谐振腔内腔光斑的装置及方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
6.一种测量谐振腔内腔光斑的装置，包括激光器、第一高反镜、第二高反镜、半波片、电光调制器eom、匹配透镜、待测光学谐振腔、纳米光纤系统、光电探测器、示波器；
7.所述激光器出射的高斯光束依次经过第一高反镜、第二高反镜、半波片、电光调制器eom、匹配透镜后准直入射进待测光学谐振腔、光电探测器，使得光电探测器探测到待测光学谐振腔的透射信号，所述光电探测器通过电路连接线与示波器连接，使得示波器中显示谐振腔的透射谱，所述纳米光纤系统放置在垂直于待测光学谐振腔的待测光斑的不同位置。
8.进一步，所述激光器为外腔反馈半导体激光器，工作中心波长为852nm，最大输出功率70mw。
9.进一步，所述第一高反镜和第二高反镜与光轴的夹角为45度，镀膜工作波长在750～1100nm，反射率r大于99.5％。
10.进一步，所述电光调制器eom通过信号源加δv＝38.95mhz调制频率，实现对待测光学谐振腔加δv＝38.95mhz边带。
11.进一步，所述待测光学谐振腔由两片具有高反射率的腔镜相对放置而形成的fabry-perot腔，两片腔镜的曲率半径为r1＝r2＝50mm，工作波长为852nm，反射率r≥99.8％。
12.进一步，所述光电探测器为自由空间型硅光电探测器，探测波长范围是350～1100nm。
13.一种测量谐振腔内腔光斑的方法，包括以下步骤：
14.步骤1，将纳米光纤系统放置在垂直于待测光斑的不同位置，扫描激光器的频率，在示波器上得到纳米光纤系统放置在垂直于待测光斑的不同位置时所对应的透射峰，根据电光调制器eom产生边带的频率间隔δv计算透射峰的频率宽度δw，其公式如下：
[0015][0016]
其中，δv为通过信号源加在电光调制器eom产生边带的频率间隔，δv
实验
为从示波器中采集到的电光调制器eom产生边带的频率间隔，δw
拟合
为通过对示波器采集的待测光学谐振腔透射谱进行lorentz拟合得到的待测光学谐振腔透射谱的线宽值；
[0017]
步骤2，计算纳米光纤系统位于待测光斑位置所对应的光学谐振腔损耗，其公式如下：
[0018][0019]
其中，fsr
理论
为待测光学谐振腔自由光谱区的理论值，δv为通过信号源加在电光调制器eom产生边带的频率间隔，δv
实验
为从示波器中采集到的电光调制器eom产生边带的频率间隔，δw为通过对示波器采集的待测光学谐振腔透射谱进行lorentz拟合得到的待测光学谐振腔透射谱的线宽值，t1、t2为待测光学谐振腔内的腔镜透过率；
[0020]
步骤3，做出待测光学谐振腔损耗随纳米光纤系统在待测光斑的不同位置处变化关系曲线，通过对曲线进行高斯拟合，得到的高斯直径值即为待测光学谐振腔的腔内待测光斑半径。
[0021]
与现有技术相比本发明具有以下优点：
[0022]
采用本发明的装置及方法最终可以实现光学谐振腔内腔光斑半径的测量。在测量谐振腔内腔光斑时，本发明使用的纳米光纤制作方法简单，性质优良，将它加入光学谐振腔测量谐振腔腔内光斑半径的过程中，装置简单，方法易于操作。测量过程中，不会影响模场建立，可以完成测量谐振腔内腔光斑半径。对实验无损，并且可以准确的测量谐振腔的腔光斑半径。综上，这种测量方法是无损、可靠、高效、准确的。
附图说明
[0023]
图1是本发明装置的结构示意图；
[0024]
图2是光学谐振腔损耗随纳米光纤在谐振腔腔内待测光斑的不同位置处的变化光系；
[0025]
其中，1-激光器、2-高斯光束、3-第一高反镜、4-第二高反镜、5-半波片、6-电光调
制器eom、7-匹配透镜、8-待测光学谐振腔、9-纳米光纤系统、10-光电探测器、11-电路连接线、12-示波器。
具体实施方式
[0026]
以下具体实施例是结合本发明中的附图用于对本发明中的技术方案和操作步骤进行清楚、完整的描述，但不能根据此实施例来规定和限制本发明的范围，此实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。有关领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内在没有做出创造性劳动的前提下，可以做出各种变型实施例，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。
[0027]
实施例1
[0028]
如图1所示，本实施例的一种测量谐振腔内腔光斑的装置包括激光器1、第一高反镜3、第二高反镜4、半波片5、电光调制器eom6、匹配透镜7、待测光学谐振腔8、纳米光纤系统9、光电探测器10、示波器12；
[0029]
所述激光器1出射的高斯光束2依次经过第一高反镜3、第二高反镜4、半波片5、电光调制器eom6、匹配透镜7后准直入射进待测光学谐振腔8、光电探测器10，使得光电探测器10探测到待测光学谐振腔8的透射信号，所述光电探测器10通过电路连接线11与示波器12连接，使得示波器12中显示谐振腔的透射谱，所述纳米光纤系统9放置在垂直于待测光学谐振腔8的待测光斑的不同位置。
[0030]
所述激光器1是外腔反馈半导体激光器，工作中心波长为852nm，最大输出功率约70mw。
[0031]
所述第一高反镜3、第二高反镜4与光轴的夹角为45度，镀膜工作波长在750～1100nm，反射率r大于99.5％。
[0032]
所述半波片5工作波长在852nm。
[0033]
所述电光调制器eom6通过信号源加δv＝38.95mhz调制频率，实现对待测光学谐振腔8加δv＝38.95mhz边带。
[0034]
所述待测光学谐振腔8是由两片具有高反射率的腔镜相对放置而形成的fabry-perot腔，两片腔镜的曲率半径为r1＝r2＝50mm，工作波长为852nm，反射率为：r≥99.8％。
[0035]
所述纳米光纤系统9包括有三维平移台，纳米光纤连接架，纳米光纤。三维平移台的最大行程为13mm，移动精度为粗调10微米，细调0.5微米，可以实现对纳米光纤x、y、z三个方向的调节。纳米光纤由普通单模光纤熔融拉伸制作形成，最细部位直径可以达到450nm以下。
[0036]
所述光电探测器10使用自由空间型硅光电探测器，探测波长范围是350～1100nm。
[0037]
本发明的一种测量光学谐振腔腔光斑的方法，基于上述的一种测量测量光学谐振腔腔内光斑的装置完成，包括以下步骤：
[0038]
s1.开启激光器1，使得激光器输出的高斯光束2经过第一高反镜3和第二高反镜4后完全准直的传播。
[0039]
s2.放置半波片5，使得高斯光束2经过半波片5后可以准直的传播。
[0040]
s3.放置电光调制器eom6，使得高斯光束2经过eom6后可以准直的传播。
[0041]
s4.根据高斯光束的模式匹配理论计算匹配透镜7需要放置的位置，将匹配透镜7
放置在该位置，并使得高斯光束2经过匹配透镜5后，仍然可以准直传播。
[0042]
s5.放置待测光学谐振腔8，尽可能使得高斯光束2从每片谐振腔腔镜的中心入射、出射，使得高斯光束2经过待测光学谐振腔8后可以准直的传播。
[0043]
s6.放置光电探测器10，使得经过s5的光尽可能的被光电探测器10收集到，将光电探测器10通过电路连接线11连接到示波器12，在示波器12上呈现光电探测器探测到的信号。
[0044]
s7.调节待测谐振腔8，通过微调第一高反镜3、第二高反镜4，使示波器上呈现谐振腔透射谱。
[0045]
s8.放置纳米光纤系统9，将纳米光纤系统9放置到待测光学谐振腔8的待测光斑处。
[0046]
s9.进行实验测量：通过将纳米光纤系统9置于垂直于光学谐振腔8待测光斑的不同位置，扫描激光器1的频率，在示波器上得到纳米光纤系统放置在垂直于待测光斑的不同位置时所对应的透射谱。根据电光调制器eom6产生边带的频率间隔δv计算透射谱的频率宽度δw，其公式如下：其中，δv为通过信号源加在电光调制器eom产生边带的频率间隔，δv
实验
为从示波器中采集到的电光调制器eom产生边带的频率间隔，δw
拟合
为通过对示波器采集的待测光学谐振腔透射谱进行lorentz拟合得到的待测光学谐振腔透射谱的线宽值；
[0047]
利用公式计算纳米光纤系统9位于谐振腔待测光斑位置所对应的光学谐振腔损耗。
[0048]
其中，fsr
理论
为待测光学谐振腔自由光谱区的理论值，δv为通过信号源加在电光调制器eom产生边带的频率间隔，δv
实验
为从示波器中采集到的电光调制器eom产生边带的频率间隔，δw为通过对示波器采集的待测光学谐振腔透射谱进行lorentz拟合得到的待测光学谐振腔透射谱的线宽值，t1、t2为待测光学谐振腔内的腔镜透过率。在每个位置测量时，可以采集多组数据，以减小测量误差。
[0049]
s10.做出待测光学谐振腔8损耗随纳米光纤系统在谐振腔待测光斑的不同位置处变化关系曲线，通过对曲线进行高斯拟合，得到的高斯直径值即为谐振腔的腔内待测光斑半径，如图2所示。最终获得光斑半径为81.66
±
4.47微米。