谐振腔模式匹配及光路调节技巧

本文将从个人实验操作经验的角度出发，向大家介绍光-腔模式匹配的原理方法及光路调节技巧。

谐振腔模式匹配过程需要用到仪器如下：

1. 光束质量分析仪；

2. 红外观察仪；

3. 光电探测器；

4. CCD相机；

5. 示波器。

一、模式匹配原理与步骤

对于几何参数给定的谐振腔，根据自再现条件[1]可以确定一个腰斑的位置和大小，我们一般称之为本征腰斑。让输入光束经过透镜、反射镜作用之后聚焦的位置和大小与腔本征腰斑相同的过程就是光-腔模式匹配。其步骤如下：

1) 根据谐振腔的参数确定谐振腔的本征腰斑的位置及大小。

2) 确定输入光束的腰斑位置及大小。由于高斯光束的光斑大小随着传播距离成双曲线变化，因此可通过光束质量分析仪测量输入光束在传播路径上几个不同位置的光斑大小，然后采用曲线拟合即可确定腰斑。

3) 选择一个或多个焦距合适的透镜将光束聚焦到腔本征腰斑处：一般而言两个透镜组成的透镜组可以满足大部分应用场合。透镜摆放好之后，可通过光束质量分析仪检查输入光的腰斑分布情况是否与腔的本征腰斑接近。

4) 调整腔前的一对反射镜的高低左右，让入射光耦合进腔内并发生共振，进而根据共振信号的状态微调反射镜及透镜位置，优化模式匹配效果。

需要说明的是，上面步骤1~3为透镜选择，涉及到一定的理论计算，具体公式请参见参考文献[1]。最后一步为光路调节，即调节腔内光线闭合，以达到共振，相关实验技巧将在下文中给出。

二、光路调节技巧

谐振腔的工作原理是基于腔内多光束干涉，而发生干涉的一个基本条件就是光束空间上的重合，这就要求我们非常精准地控制光束的指向从而耦合进谐振腔。光-腔耦合的步骤如下：

1) 将输入光束准直到谐振腔的高度，采用的是大家熟知的“双光阑法”，示意图如下。即在光束传播路径的一前一后放置两个光阑，在空间允许的情况下，两个光阑的距离尽可能大。调节的口诀是“远的调近的，近的调远的”：调节反射镜M1让光线穿过光阑1，调节反射镜M2让光线穿过光光阑2，如此往复，直到光束同时穿过两个光阑中心。

2) 将谐振腔放置在准直好的光路中，调节谐振腔的闭合。以下将对线形腔和环形腔分别进行说明。

对于两个腔镜的平行度较好的线性腔而言，只需调节入射光的指向使其垂直入射一般即可观察到共振信号。而调节垂直入射的方法与上一步骤中光路准直的方法类似，其关键在于找准观测点，如下图2所示：用小纸片(不可见光用荧光板，注意不要挡住入射光)分别放在图中标记为“1”，“2”位置处，依次调节反射镜M1、M2使得“1”，“2”位置处入射光与反射光（虚线）重合。

与线性腔不同的是，环形腔中入射光并非垂直入射到腔镜上，所以在腔外无法判断腔内光线是否闭合。因此需要在腔内选定两个观测点，如图3中“1”，“2”所示。另外，在输入光强不是足够大的条件下，人眼无法直接观察到腔内的弱光。此时需要借助红外观察仪来辅助调节。与上面的步骤类似，调节反射镜M1、M2使得“1”，“2”位置处输入光斑与在腔内传输一周的后光斑（虚线）重合，即可保证谐振腔基本闭合。

3) 谐振腔基本闭合以后，使用周期信号扫描腔长或者入射激光频率，使用波长、增益合适的光电探测器接收腔的透射（或反射）信号，连接示波器后应该能观察到腔的透射峰（反射峰）信号。当模式匹配没有达到最佳状态时，会激发出许多高阶空间模式，如下图4所示。

图4 模式匹配不佳时的透射峰信号

一般而言，我们需要的是基模（TEM00）共振。那么首先要确定哪个透射峰是基模，具体操作是减小扫描电压范围至示波器上只看到一个根透射峰，用CCD相机拍摄该透射峰的空间光强分布，如图4中小图所示。然后微调反射镜M1、M2使基模的强度变大，同时高阶模的强度减弱，特别是TEM01（TEM10）的强度减弱最为明显。稍微移动一下模式匹配透镜的位置也可以优化模式，一般对TEM02（TEM20）及更高阶模式的抑制具有一定的帮助。

高的光-腔模式匹配效率是充分利用谐振腔特性的前提，除了在选择透镜时有一定的理论指导外，更多的工作集中在实验操作上。需要我们在掌握基本的技巧的前提下，不断地尝试优化改进，以达到实验需求。

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