[發明專利]一種測量光學腔線寬的裝置和方法

有效

• 申請號: 201410452593.5
• 申請日: 2014-09-05
• 公開（公告）號: CN104180972A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 鄭耀輝;李志秀;彭堃墀
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 張福增

技術領域

本發明涉及光學腔參數測量，具體屬于一種測量光學腔線寬的裝置和方法。

背景技術

光學腔的本質是一個光學低通濾波器。線寬是表征光學腔的一個重要參數，它表明了光學腔(低通濾波器)截止頻率的大小。光學腔線寬的定義為在頻域內測量光譜強度，峰值一半處對應的兩個頻率相減的值。

在激光技術領域，激光線寬由光學腔的品質因數決定,腔的品質因數越高,光學腔的線寬越窄，激光器的線寬就越窄。當前，窄線寬激光器由于具有相干長度長和頻率確定性高等優點，在光學測量、雷達、全息成像、冷原子、光鐘、DNA檢測等領域有重要的應用價值。根據激光器光學腔的線寬可以推斷激光器輸出激光線寬，對窄線寬激光器研究工作具有重要意義。

在量子光學領域，為了降低光源的高頻噪聲，一般采用在光路中插入模清潔器(一種光學腔)的方法，而模清潔器的線寬決定了過濾高頻噪聲的頻率下限。因而精確測量模清潔器的線寬對獲得高性能壓縮和糾纏光具有重要意義。另外，目前為止，利用光學參量過程是獲得壓縮光和糾纏光的最有效手段。在利用光學參量過程產生壓縮光和糾纏光的裝置中，光學參量腔的線寬決定了產生的壓縮光和糾纏光的最大帶寬，因此測量光學參量腔的線寬也是非常必要的。根據光學腔的線寬也可以得出光學腔的損耗，可以為減小損耗和改進光學腔性能提供重要參考。同時，可以根據損耗得到理論上壓縮度和糾纏度的大小，為實驗上壓縮光和糾纏光的產生提供理論參考。

現有技術中，線寬一般通過掃描光學腔的腔長，根據透射光學腔透射峰半高寬度占一個自由光譜范圍的比例決定，自由光譜范圍根據光學腔的腔長和折射率參數計算得到。

對于駐波腔，自由光譜范圍的表達式如下：

自由光譜范圍＝c/2nL????(Ⅰ)

對于環形腔，光在腔內單向傳播，自由光譜范圍的表達式如下：

自由光譜范圍＝c/nL????(Ⅱ)

公式(Ⅰ)和(Ⅱ)中，c為真空中的光速，n為光學腔內介質的折射率，L為光學腔的腔長。因此，自由光譜范圍的計算以光學腔腔長和腔內介質折射率兩個參數已知為前提。腔長L是一個容易測量的量，而介質的折射率n隨材料的不同和周圍溫度，氣流等均有變化，不易得到精確結果，從而影響自由光譜范圍的計算結果，最后會影響線寬的計算結果。

另外，根據上述方法計算線寬是以光學腔上壓電陶瓷的伸長隨驅動電壓為線性關系為前提的，而實際壓電陶瓷受材料的限制都不是線性的。因而，使線寬計算結果不準確。

發明內容：

本發明的目的是提供一種精確測量光學腔線寬的裝置和方法。通過該裝置和方法可以測量得到頻率和噪聲功率的對應關系，然后利用公式擬合得到光學腔的線寬。

本發明提供的一種測量光學腔線寬的裝置，包括光學腔、單頻激光器、單頻可調諧激光器、光電探測器、頻譜分析儀；所述的單頻可調諧激光器的輸出光與單頻激光器的輸出光在第一光學分束器上合束，合束光經第二光學分束器分為兩束光：旁路光束和透射光束；所述的旁路光束繞開光學腔直接輸入光電探測器；所述的透射光束導入光學腔，將光學腔的輸出信號導入光電探測器中；所述的頻譜分析儀與光電探測器連接，在測量單頻可調諧激光器和單頻激光器的拍頻信號時，它們放置在旁路光束的光路中，在測量單頻可調諧激光器和單頻激光器的輸出光透過光學腔后的拍頻信號時，它們放置在透射光束的光路中；所述的單頻激光器輸出光的頻率在單頻可調諧激光器的調諧范圍內。

光學腔作為本發明測量線寬的測量對象。單頻激光器用來產生波長確定的激光輸出。單頻可調諧激光器用來產生波長可調諧的激光輸出。光電探測器用來探測兩臺激光器的拍頻信號，光電探測器的輸出與頻譜分析儀連接，用來顯示、讀出拍頻信號的頻率和對應的噪聲功率。在我們的裝置中，光電探測器和頻譜分析儀首先放置在旁路光束的光路中，用來確定測量拍頻信號的頻率范圍。將頻譜分析儀設置為max-hold模式，改變單頻可調諧激光器的波長，每一個波長對應一個拍頻頻率和噪聲功率，當一段頻率范圍內的噪聲功率相等時，表明在這一頻率范圍內的信號能真實反映光學腔的線寬。然后，將光電探測器和頻譜分析儀放置在透射光束的光路中，在上述確定的頻率范圍內改變單頻可調諧激光器的波長，讀出這一頻率范圍內各個頻率點與噪聲功率的對應關系。在裝置中，光電探測器和頻譜分析儀分時使用兩次分別測量旁路光束和透射光束，也可以用性能相同的另一組光電探測器和頻譜分析儀對旁路光束和透射光束信號進行同時測量。

所述的光學腔為兩鏡腔或其它多鏡腔。

基于上述裝置，本發明提供的一種測量光學腔線寬的方法，依次包括如下步驟：