光學腔及其相關技術

1、光學諧振腔及其相關技術馬維光主要內容1、光學諧振腔2、激光場到光學諧振腔的高效耦合3、頻率鎖定技術4、PID電路設計光學諧振腔夾在兩面鏡子的小孩！信息被放大！hv光學諧振腔01 ReTiTEE01 e1 ReiRiREE22LRETE高斯光束穩(wěn)定性條件120111llRR12,Rl R 12,RR 1 201g g122,RlRl122,2RlRl12,Rl Rl12,3 2Rl Rl 腔的分類光學諧振腔的用途應用優(yōu)勢：1、經過相干疊加腔內具有非常強的激光功率2、激光在腔內會往返無數(shù)次，會和腔內介質作用路徑增長。應用領域：原子物理：腔QED（激光和單原子的強耦合）微量氣體檢測；利用增強的激光與

2、分子相互作用路徑提高測量靈敏度。非線性頻率轉換：腔內高的激光功率可以提高轉換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：腔外的高斯光束與腔內高斯光束一致。高斯光束參數(shù)的測量刀口法測量高斯光束參數(shù)理論分析刀口法測量高斯光束參數(shù)理論分析222222()( , )exp( )( )PxyI x y zzz功率為：( ,)PI x y dxdy 利用一刀片垂直于光束沿x方向移動，將遮蓋部分光束，此時，透過的激光功率為：2( )( , , )1()2xPxP xPdydx I x y zerf考慮中心坐標偏移量x0，下式可以寫為：擬合函數(shù) 高斯

3、光束橫截面內的強度分布為：02( )1()2bckgrxxPP xPerf高斯光束參數(shù)的測量實驗過程：1、將刃口平直的刀片裝在微米級測微螺旋器上。2、在z方向上每隔50mm選取一個橫截面進行測量，而在每個橫截面上，刀片每移動50m，記錄一透射光的功率值。3、對所記錄的數(shù)值進行擬合，得出每一橫截面的光斑半徑。zyxz某一橫截面內某一橫截面內 透射光功率隨刀口切割位置的變化透射光功率隨刀口切割位置的變化高斯光束參數(shù)的測量4、將擬合的光斑半徑隨z的變化作圖，利用下面函數(shù)進行擬合，獲得束腰位置以及束腰半徑。20020()1zz 3 61;642;413;326;1 54;525;3456MlMlMMl

4、MMlMlMlllllL 56l1l4l5l2l3l6腔腔ABCD矩陣的計算方法矩陣的計算方法以以 6為例為例以位置以位置6為起點，寫出環(huán)形腔的為起點，寫出環(huán)形腔的ABCD矩陣如下：矩陣如下：11101615141310120121010101012101ABllllllCDRR腔內模式的計算腔內模式的計算環(huán)形諧振腔內高斯光束的計算環(huán)形諧振腔內高斯光束的計算-自洽法自洽法sssAqBqCqD2412sDADABCqB1ADBC22121122sDADAiiqBBRn21AD2BRDA1 4212BnAD曲率半徑和光斑大小高斯光束匹配1、激光器輸出的高斯光束腰斑半徑為0200z200z0qiz

5、0qiz 3、從到的ABCD矩陣為：1 22121111d dfdddABfCDdff200222001CqDBDACziziqAqBBA zz200BDACz222000BA zzz0001d2d02、腔內腰斑半徑為高斯光束匹配211221201110dd ddddzffff21221220001d ddddffz0371 m實驗測得：020 m代入上面方程求解得到：90fmm當時，11374dmm292dmm激光到腔模的頻率鎖定目的：激光與腔模共振，極大的發(fā)揮腔的優(yōu)越性Pound-Drever-Hall 技術頻率調制技術Hansch-Coillaud技術Hansch-Coillaud鎖頻原

6、理： 腔內存在雙折射元件時，線偏光進入后豎直和水平方向偏振的光會在不同的相位處共振。當豎直方向的光共振時，水平方向光不共振，使得反射的光會形成依賴于激光頻率的不同偏振態(tài)，通過對其檢測就可獲得誤差信號。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技術控制理論基礎 Controlled system:激光器；Controller：PID鎖頻模塊X：激光器輸出頻率；Xref:腔模參考頻率；X-Xe：誤差信號；2：激光電壓、電流控制口；1：激光和腔的相互作用過程；Z：外界擾動；Y：規(guī)整過的反饋信號；H（f）為PID的增益；G（f）為激光器系統(tǒng)的增益，輸入電壓與激光頻率變換的關系控制理論基礎閉環(huán)增益擾動增益 G f Hf的相位180，則開環(huán)增益不能為1.控制理論基礎開環(huán)增益 1G f HfrefXX設計要求：開環(huán)增益GH以及PID增益盡可能大；如果GH大，則可以穩(wěn)定到參考值，但是如果H太小，非常容易失鎖。PID電路設計比例電路：直流有增益，減小穩(wěn)態(tài)誤差，通常為加減法器；積分電路：正比于誤差信號存在的時間，頻率越低增益越大，可以消除低 頻誤差，但是相位滯后，可能引起震蕩；微分電路：正比于誤差信號隨時