光学腔及其相关技术

1、光学谐振腔及其相关技术马维光主要内容1、光学谐振腔2、激光场到光学谐振腔的高效耦合3、频率锁定技术4、PID电路设计光学谐振腔夹在两面镜子的小孩！信息被放大！hv光学谐振腔01 ReTiTEE01 e1 ReiRiREE22LRETE高斯光束稳定性条件120111llRR12,Rl R 12,RR 1 201g g122,RlRl122,2RlRl12,Rl Rl12,3 2Rl Rl 腔的分类光学谐振腔的用途应用优势：1、经过相干叠加腔内具有非常强的激光功率2、激光在腔内会往返无数次，会和腔内介质作用路径增长。应用领域：原子物理：腔QED（激光和单原子的强耦合）微量气体检测；利用增强的激光与

2、分子相互作用路径提高测量灵敏度。非线性频率转换：腔内高的激光功率可以提高转换效率高斯光束到光腔的高效耦合激光耦合思路：1、阻抗匹配：T4=T1+T2+T3+Lcav；2、模式匹配：腔外的高斯光束与腔内高斯光束一致。高斯光束参数的测量刀口法测量高斯光束参数理论分析刀口法测量高斯光束参数理论分析222222()( , )exp( )( )PxyI x y zzz功率为：( ,)PI x y dxdy 利用一刀片垂直于光束沿x方向移动，将遮盖部分光束，此时，透过的激光功率为：2( )( , , )1()2xPxP xPdydx I x y zerf考虑中心坐标偏移量x0，下式可以写为：拟合函数 高斯

3、光束横截面内的强度分布为：02( )1()2bckgrxxPP xPerf高斯光束参数的测量实验过程：1、将刃口平直的刀片装在微米级测微螺旋器上。2、在z方向上每隔50mm选取一个横截面进行测量，而在每个横截面上，刀片每移动50m，记录一透射光的功率值。3、对所记录的数值进行拟合，得出每一横截面的光斑半径。zyxz某一横截面内某一横截面内 透射光功率随刀口切割位置的变化透射光功率随刀口切割位置的变化高斯光束参数的测量4、将拟合的光斑半径随z的变化作图，利用下面函数进行拟合，获得束腰位置以及束腰半径。20020()1zz 3 61;642;413;326;1 54;525;3456MlMlMMl

4、MMlMlMlllllL 56l1l4l5l2l3l6腔腔ABCD矩阵的计算方法矩阵的计算方法以以 6为例为例以位置以位置6为起点，写出环形腔的为起点，写出环形腔的ABCD矩阵如下：矩阵如下：11101615141310120121010101012101ABllllllCDRR腔内模式的计算腔内模式的计算环形谐振腔内高斯光束的计算环形谐振腔内高斯光束的计算-自洽法自洽法sssAqBqCqD2412sDADABCqB1ADBC22121122sDADAiiqBBRn21AD2BRDA1 4212BnAD曲率半径和光斑大小高斯光束匹配1、激光器输出的高斯光束腰斑半径为0200z200z0qiz

5、0qiz 3、从到的ABCD矩阵为：1 22121111d dfdddABfCDdff200222001CqDBDACziziqAqBBA zz200BDACz222000BA zzz0001d2d02、腔内腰斑半径为高斯光束匹配211221201110dd ddddzffff21221220001d ddddffz0371 m实验测得：020 m代入上面方程求解得到：90fmm当时，11374dmm292dmm激光到腔模的频率锁定目的：激光与腔模共振，极大的发挥腔的优越性Pound-Drever-Hall 技术频率调制技术Hansch-Coillaud技术Hansch-Coillaud锁频原

6、理： 腔内存在双折射元件时，线偏光进入后竖直和水平方向偏振的光会在不同的相位处共振。当竖直方向的光共振时，水平方向光不共振，使得反射的光会形成依赖于激光频率的不同偏振态，通过对其检测就可获得误差信号。0.050.100.150.200.250.30(b) (a)-0.2-0.10.00.10.2(c) 0.270.280.290.300.310.320.000.050.10(d) Time sAmplitude V0.080.100.120.00.10.20.30.40.5 Amplitude VTime s Unlock Lock(b)(a)-0.8-0.40.00.40.8 locking

7、 signal(a.u)(rad)00.00.20.40.60.8 Detector signal (a.u.)Hansch-Coillaud技术控制理论基础 Controlled system:激光器；Controller：PID锁频模块X：激光器输出频率；Xref:腔模参考频率；X-Xe：误差信号；2：激光电压、电流控制口；1：激光和腔的相互作用过程；Z：外界扰动；Y：规整过的反馈信号；H（f）为PID的增益；G（f）为激光器系统的增益，输入电压与激光频率变换的关系控制理论基础闭环增益扰动增益 G f Hf的相位180，则开环增益不能为1.控制理论基础开环增益 1G f HfrefXX设计要求：开环增益GH以及PID增益尽可能大；如果GH大，则可以稳定到参考值，但是如果H太小，非常容易失锁。PID电路设计比例电路：直流有增益，减小稳态误差，通常为加减法器；积分电路：正比于误差信号存在的时间，频率越低增益越大，可以消除低 频误差，但是相位滞后，可能引起震荡；微分电路：正比于误差信号随时