腔衰蕩系統的縱模匹配 - 筱曉光子AOL實驗室⑨ 2023-03-17

腔衰蕩技術最早的提出，其目的是測量高反鏡的反射率。比如現在市面上的高反鏡，反射率基本在99.99%左右，普通的反射率測量方法已經無法精確測量器件的參數。因此，我們就將一對高反鏡平行放置，組成一個F-P諧振腔。

諧振腔可以看作是一個光學濾波器，其性能如下圖所示，橫坐標表示輸入諧振腔的光波長，縱坐標表示光的通過功率與輸入光功率的比值。光從這一對高反鏡組成的諧振腔一端輸入，一部分通過諧振腔從另一端輸出，剩余的光都在輸入端反射了（還有一部分光會動態地儲存在諧振腔內，這也就是為什么存在腔衰蕩信號）。

根據諧振腔的性質，只有輸入光波長正好處于諧振腔的諧振點時，光的透過率理論上為100%，這個點諧振腔儲存的能量也最高。此時關閉激光輸入，諧振腔內儲存的光開始在腔內來回反射，因為發射鏡的反射率很高，每次反射都只會透過很小一部分的光，絕大部分光會反射到另一個反射鏡，如此反復，腔內的光能慢慢下降，直到全部消耗，在這一動態過程中，諧振腔的兩端（輸入端和輸出端）都能探測到一個緩慢下降的光功率信號，這就是腔衰蕩信號。

所以，我們需要保證，激光的波長要在諧振腔的諧振點上，才能采集到一個信噪比足夠高的腔衰蕩信號，也就是光在腔內走一個來回，其光程必須為自身波長的整數倍，這也就是腔衰蕩系統的模式匹配之一（縱模匹配）。通過PZT將兩者關系鎖定，可以保證產生一個良好的衰蕩信號，當然，這需要一個PID伺服系統去控制，電路較為復雜。還有一種方式，也是我們正在使用的，可以說是一種觸發采集的方式，不去鎖定腔長和波長的關系，而激光在自由運轉的時候，波長必然是一種抖動的狀態。只要它在某個時刻，掃過了腔的諧振點，在那個瞬間，腔的透過率突然增加，腔內的光能也跟著累積。然后，在腔的輸出口放置光電探測器實時捕捉透過光，一旦透過光功率大于設定的閾值，立刻關閉激光輸入，并采集一次衰蕩信號。這種方式，不能保證激光一直處于腔的諧振點，但是每次采集衰蕩信號的時刻，它都是模式匹配的，可以說是一種動態的縱模匹配。

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