一种超稳光学参考腔高精细度的测量方法及装置

1.本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种超稳光学参考腔高精细度的测量方法及装置。


背景技术：

2.激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就，而窄线宽激光器已成为精密光谱测量、光学频率标准、引力波测量、量子计算等众多领域不可或缺的工具。目前获得超窄线宽激光的主要方法是利用pdh(pound-drever-hall)稳频技术将自由运转的激光参考锁定至特殊设计的法布里珀罗腔上。描述法布里珀罗腔有多个参数，包括自由光谱范围、精细度、分辨本领、角色散等。其中，精细度对于超稳光学腔的选择上有非常重要的指导意义，精细度越高，线宽越窄，对待稳频的激光线宽压窄效果越好。而在超稳腔的制作过程中，通常需要测量法布里珀罗腔腔镜的精细度，以此检验高精细的腔镜是否在安装的过程和真空制备过程受到污染、腔镜的精细度是否满足要求。
3.超稳光学参考腔腔镜反射率较高、即精细度较大的类型也被叫做高精细度腔。传统的测量超稳光学参考腔低精细度腔镜的方法，通常先测出腔镜的反射率，如分光光度法和反射比率法，均以测量光强的比值为基础，误差大，最多只能给出三位有效数字。当反射率超过99.9％，此类方法通常不能测量出非常准确的反射率结果，因此并不能满足人们现在对精密测量的要求，尤其是在超精密的光学测量上。
4.目前，对超稳腔高精细度的测量通常需要调制腔长或稳频技术。基于腔长调制的方法采用压电陶瓷调制参考腔腔长，使激光频率与腔纵模随机耦合，此方法不易使激光频率与腔发生共振，因此超稳光学参考腔的输出信号振幅小，不利于提高测量精度。基于稳频技术的测量方法常用有两种：一种被直接称为“扫腔线宽测量法”，这种方法需要将已锁定在超高精细度腔上的超窄线宽激光源注入腔镜精细度待测的法布里珀罗腔中来实现；另一种被称为“腔衰荡测量法”，该方法需要经过pdh稳频技术将激光锁定在法布里珀罗腔上才能实现，锁频过程在实验上较为困难且复杂。
5.因此结合现实考虑，非常需要一种测量高精细度参考腔参数的方法，找到一种针对超稳光学参考腔高精细度的测量方法，并且这种方法简单、便捷，能够快速应用，对于任何使用法布里珀罗腔的实验计量来说都意义非凡。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种超稳光学参考腔高精细度的测量方法及装置，无需腔长调制及稳频技术就可以测量超稳光学参考腔高精细度，此方法简单、快捷，便于快速测量超稳光学参考腔的高精细度。
7.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
8.一方面，本发明提供一种超稳光学参考腔高精细度的测量方法，包括如下步骤：
9.激光器输出激光，经过模式匹配透镜组调节出符合模式匹配条件的激光，调节反
射镜组将激光耦合进入超稳光学参考腔，打开激光器的扫频模块，在超稳光学参考腔的共振频率附近缓慢扫描激光频率，通过调整模式匹配透镜组间的距离及优化反射镜组耦合进超稳光学参考腔的入射角度，使激光与超稳光学参考腔腔模达到空间模式匹配，从而极大地提高了超稳光学参考腔的透射光信号强度；
10.在光路中放置一个光开关，当超稳光学参考腔的透射光信号强度达到设定的阈值时，触发关闭激光，由于腔内介质或腔镜的吸收、散射带来损耗，因此光在腔内来回振荡的过程中会渐渐衰减，在超稳光学参考腔的透射端获得指数衰减信号，通过拟合得到光腔衰荡时间，多次测量取平均值，进而通过公式计算获得超稳腔的高精细度和线宽。
11.作为优选地，激光器输出单频连续激光，单频连续激光从前腔镜中心进入，在超稳光学参考腔内多次来回反射，用光电探测器接收超稳光学参考腔透射端逸出光强的指数衰减信号。
12.作为优选地，将超稳光学参考腔透射端的透射信号分成两路，一路放置一个相机用于监视共振模式信号，另一路放置一个光电探测器，用于监测透射光功率强度信号。
13.作为优选地，用于切断入射激光的光开关及用于探测衰荡信号的光电探测器的响应时间均小于光在超稳光学参考腔内的光腔衰荡时间。
14.作为优选地，获得的指数衰减信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：进行拟合会得到高精度超稳腔的光腔衰荡时间τ，x是数据采集的时间，y是采集到的衰减信号，y0和a是与光电探测器有关的常数；多次测量取平均值，即可测得腔内光子寿命；进而通过理论计算获得超稳光学参考腔的高精细度及线宽参数；高精细度测量依据如下公式：f＝2πτf
fsr
，其中f
fsr
为超稳光学参考腔的自由光谱程；则超稳光学参考腔的线宽为：
15.另一方面，本发明提供一种超稳光学参考腔高精细度的测量装置，包括激光器、模式匹配透镜组、反射镜组、光开关、超稳光学参考腔、偏振分光棱镜、相机和光电探测器；
16.激光器输出的激光依次经模式匹配透组镜和反射镜组耦合进入超稳光学参考腔，超稳光学参考腔透射端的激光经偏振分光棱镜分为两路，一路光信号由相机监测共振模式信号并通过显示屏显示出超稳腔的共振模式信号，一路光信号由光电探测器监测获得透射光功率强度信号，光电探测器与示波器相连接，用以记录腔衰荡曲线从而获得指数衰减信号；打开激光器的扫频模块，在超稳光学参考腔共振频率附近缓慢扫描激光频率，通过调整模式匹配透镜组间的距离及优化反射镜组耦合进超稳光学参考腔的入射角度，使得透射峰的对比度越来越大；
17.在超稳光学参考腔共振频率附近处缓慢扫描频率时，激光和超稳光学参考腔的模式共振，用光路中的光开关迅速切断入射激光，光电探测器在超稳光学参考腔的透射端以探测从腔中逸出光强的指数衰减信号，通过拟合得到光腔衰荡时间，多次测量取平均值，进而通过公式计算获得超稳腔的高精细度和线宽。
18.作为优选地，用于切断入射激光的光开关及用于探测衰荡信号的光电探测器的响应时间均小于光在超稳光学参考腔内的光腔衰荡时间。
19.作为优选地，获得的指数衰减信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：
进行拟合会得到高精度超稳腔的光腔衰荡时间τ，x是数据采集的时间，y是采集到的衰减信号，y0和a是与光电探测器有关的常数；多次测量取平均值，即可测得腔内光子寿命；进而通过理论计算获得超稳光学参考腔的高精细度及线宽参数；高精细度测量依据如下公式：f＝2πτf
fsr
，其中f
fsr
为超稳光学参考腔的自由光谱程；则超稳光学参考腔的线宽为：
20.作为优选地，所述模式匹配透镜组包括沿光路设置的第一凸透镜和第二凸透镜，激光器输出的激光依次经过第一凸透镜和第二凸透镜进入反射镜组；所述反射镜组包括沿光路设置的第一反射镜和第二反射镜，激光依次经过第一反射镜和第二反射镜通过光开关耦合进入超稳光学参考腔。
21.作为优选地，通过相机观察进行粗调，通过调节反射镜组，在相机的显示器上观察到变化的亮光；优化反射镜组的角度，使得透过超稳光学参考腔的激光尽量均匀分布，能观察到激光的高阶模式。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
23.1、装置简单。实验光路由光源、模式匹配光组及一对反射镜组成，避免了复杂的激光系统。
24.2、实验过程便捷，测量精度高。本发明无需调制腔长及激光稳频，在超稳光学参考腔共振频率附近缓慢扫描，且模式匹配透镜组使光束与腔模达到空间模式匹配，从而极大地提高超稳光学参考腔的输出信号振幅，多次测量取平均值，有利于提高测量精度。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明超稳光学参考腔高精细度的测量方法的流程图；
27.图2是本发明超稳光学参考腔高精细度的测量装置的结构示意图；
28.附图标记说明：
29.1、激光器；2、第一凸透镜；3、第二凸透镜；4、第一反射镜；5、第二反射镜；6、光开关；7、超稳光学参考腔；8、偏振分光棱镜；9、相机；10、光电探测器。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.如图1和图2所示，本发明提供一种超稳光学参考腔高精细度的测量方法，包括如
下步骤：
33.s1、激光器1输出激光，经过模式匹配透镜组调节出符合模式匹配条件的激光，调节反射镜组将激光耦合进入超稳光学参考腔7，打开激光器1的扫频模块，在超稳光学参考腔7的共振频率附近缓慢扫描激光频率，通过调整模式匹配透镜组间的距离及优化反射镜组耦合进超稳光学参考腔7的入射角度，使激光与超稳光学参考腔7腔模达到空间模式匹配，从而极大地提高了超稳光学参考腔7的透射光信号强度；
34.s2、在光路中放置一个光开关6，当超稳光学参考腔的透射光信号强度达到设定的阈值时，触发关闭激光，由于腔内介质或腔镜的吸收、散射等会带来损耗，因此光在腔内来回振荡的过程中会渐渐衰减，在超稳光学参考腔7的透射端获得指数衰减信号，通过拟合得到光腔衰荡时间，多次测量取平均值，进而通过公式计算获得超稳腔的高精细度和线宽等参数。
35.步骤s1中，激光器1输出单频连续激光，单频连续激光从前腔镜中心进入，在超稳光学参考腔7内多次来回反射，用光电探测器10接收超稳光学参考腔7透射端逸出光强的指数衰减信号。
36.步骤s1中，激光器1输出的激光需经过模式匹配透镜组使激光与腔模达到空间模式匹配，将经过模式匹配透镜组调节后的激光耦合进入超稳光学参考腔7，将超稳光学参考腔7透射端的透射信号分成两路，一路放置一个相机9用于监视共振模式信号，另一路放置一个光电探测器10，用于监测透射光功率强度信号。
37.步骤s1中，激光器1输出的激光不需要用稳频技术将自由运转的激光参考锁定在超稳光学参考腔7上，让激光频率在腔的共振频率附近缓慢扫描，激光通过短暂的光学共振耦合进超稳光学参考腔7并增强。可以通过观察相机9和光电探测器10观察到激光与超稳光学参考腔7的共振模式及透射信号光功率强度信号。
38.步骤s2中，需在光路中放置一个光开关6，在超稳光学参考腔7的透射光信号强度达到设定的阈值时，快速切断入射激光，以实现腔内光信号的衰减从而获得指数衰减信号。
39.步骤s2中，用于切断入射激光的光开关6及用于探测衰荡信号的光电探测器10的响应时间均小于光在超稳光学参考腔7内的光腔衰荡时间。
40.步骤s2中，获得的指数衰减信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：进行拟合会得到高精度超稳腔的光腔衰荡时间τ，x是数据采集的时间，y是采集到的衰减信号，y0和a是与光电探测器10有关的常数；多次测量取平均值，即可测得腔内光子寿命；进而通过理论计算获得超稳光学参考腔7的高精细度及线宽参数；高精细度测量依据如下公式：f＝2πτf
fsr
，其中f
fsr
为超稳光学参考腔7的自由光谱程；则超稳光学参考腔7的线宽为：
41.本发明通过测量共振激光在法布里珀罗腔腔内衰荡时间的方式来测量法布里珀罗腔的精细度，此方法不需要调制腔长，也无需复杂的锁频过程，测量装置简单，测量过程快捷方便。
42.实施例2
43.如图2所示，本发明提供一种超稳光学参考腔高精细度的测量装置，包括激光器1、
模式匹配透镜组、反射镜组、光开关6、超稳光学参考腔7、偏振分光棱镜8、相机9和光电探测器10。
44.激光器1输出的激光依次经模式匹配透组镜和反射镜组耦合进入超稳光学参考腔7，超稳光学参考腔7透射端的激光经偏振分光棱镜8分为两路，一路光信号由相机9监测共振模式信号并通过显示屏显示出超稳腔的共振模式信号(如tem
00
、tem
mn
)；一路光信号由光电探测器10监测获得透射光功率强度信号，光电探测器10与示波器相连接，用以记录腔衰荡曲线从而获得指数衰减信号。通过相机9观察进行粗调，一般情况下，通过调节反射镜组，可以在相机9的显示器上观察到变化的亮光；优化反射镜组的角度，使得透过超稳光学参考腔7的激光尽量均匀分布，可以观察到激光的高阶模式。打开激光器1的扫频模块，在超稳光学参考腔7共振频率附近缓慢扫描激光频率，即可观察到激光耦合超腔的tem
00
模。通过示波器可以监测到超稳光学参考腔7的透射信号，通过调整模式匹配透镜组间的距离及优化反射镜组耦合进超稳光学参考腔7的入射角度，使得透射峰的对比度越来越大。
45.在超稳光学参考腔7共振频率附近处缓慢扫描频率时，激光和超稳光学参考腔7的模式共振，用光路中的光开关6迅速切断入射激光，光电探测器10在超稳光学参考腔7的透射端以探测从腔中逸出光强的指数衰减信号，通过拟合得到光腔衰荡时间，多次测量取平均值，进而通过公式计算获得超稳腔的高精细度和线宽。
46.本发明用于切断入射激光的光开关6及用于探测衰荡信号的光电探测器10的响应时间均小于光在超稳光学参考腔7内的光腔衰荡时间。
47.获得的指数衰减信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：进行拟合会得到高精度超稳腔的光腔衰荡时间τ，x是数据采集的时间，y是采集到的衰减信号，y0和a是与光电探测器10有关的常数；多次测量取平均值，即可测得腔内光子寿命；进而通过理论计算获得超稳光学参考腔7的高精细度及线宽参数；高精细度测量依据如下公式：f＝2πτf
fsr
，其中f
fsr
为超稳光学参考腔7的自由光谱程；则超稳光学参考腔7的线宽为：
48.本实施例中，所述模式匹配透镜组包括沿光路设置的第一凸透镜2和第二凸透镜3，激光器1输出的激光依次经过第一凸透镜2和第二凸透镜3进入反射镜组；所述反射镜组包括沿光路设置的第一反射镜4和第二反射镜5，激光依次经过第一反射镜4和第二反射镜5通过光开关6耦合进入超稳光学参考腔7。
49.本发明装置简单。实验光路由光源、模式匹配光组及一对反射镜组成，避免了复杂的激光系统。
50.本发明实验过程便捷，测量精度高。无需调制腔长及激光稳频，在超稳光学参考腔共振频率附近缓慢扫描，且模式匹配透镜组使光束与腔模达到空间模式匹配，从而极大地提高超稳光学参考腔的输出信号振幅，多次测量取平均值，有利于提高测量精度。
51.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。