一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法

摘要

本发明提供一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，包括搭建光路准直模型步骤；光路准直步骤；光路粗调步骤；光路细调步骤。本发明建立的多光学元件和调节观察方式，具有调节结构和调节过程清晰、步骤明确、判断有效、可以使光学谐振腔达到最佳调节效果的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光光路的调节技术领域，具体是一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法。

背景技术

随着激光技术的发展，光学谐振腔的设计也出现了众多应用，比如：积分腔腔体、腔增强腔体、腔衰荡腔体等众多类型。但是，总的来说这些腔体均属于一种无源光学谐振腔，其光学性能的研究可追溯到上世纪六十年代，当时Herriott等人利用这种方式实现光的延时或长光程吸收光谱测量，在前期的可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）研究中普遍采用了这种类型的多次反射腔体。

从原理上来说，可以将谐振腔看成是一个长间距的Fabry-Perot腔。然而，谐振腔的调节是上述吸收光谱技术中的最关键的工作，谐振腔调节的精细度对测量的灵敏度具有重要影响，不但需要花费大量的精力，而且要有足够的耐心和丰富的经验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，使无源光学谐振腔达到最佳的调节效果。

本发明的技术方案为：

一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，包括以下步骤：

（1）搭建光路准直模型步骤，包括：

（11）采用He-Ne可见光激光器作为准直光源；

（12）在He-Ne可见光激光器与谐振腔之间依次设置半透半反镜、第一全反镜和第二全反镜，使He-Ne可见光激光器输出的He-Ne可见光依次经过半透半反镜反射、第一全反镜反射和第二全反镜反射后能够照射到谐振腔的入射端腔镜上；

（2）光路准直步骤，包括：

（21）在半透半反镜与第一全反镜之间设置第一可调光阑和第二可调光阑，并用第三可调光阑和第四可调光阑分别替换谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜；

（22）调节He-Ne可见光激光器、半透半反镜、第一全反镜和第二全反镜的位置，使He-Ne可见光激光器输出的He-Ne可见光同时通过第一可调光阑、第二可调光阑、第三可调光阑和第四可调光阑的小孔；

（3）光路粗调步骤，包括：

（31）将第三可调光阑和第四可调光阑取下，将谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜重新装上，其它各元件的位置保持不变；

（32）调节谐振腔的入射端腔镜与透射端腔镜之间的相对平行度，观察接收屏上He-Ne可见光透过谐振腔后产生的干涉环，直到干涉环的波动频率与扫描压电陶瓷的控制电压的频率一致；所述压电陶瓷紧贴谐振腔的入射端腔镜外侧设置且与入射端腔镜尺寸相同；

（4）光路细调步骤，包括：

（41）采用可调谐中红外半导体激光器作为激发光源，使可调谐中红外半导体激光器输出的中红外激光依次经过半透半反镜透射、第一全反镜反射和第二全反镜反射后能够照射到谐振腔的入射端腔镜上；

（42）关闭He-Ne可见光激光器，打开可调谐中红外半导体激光器，调节可调谐中红外半导体激光器的位置，用中红外感光板观察可调谐中红外半导体激光器输出的中红外激光的方向，使中红外激光同时通过第一可调光阑和第二可调光阑的小孔；

（43）观察示波器上显示的谐振腔的透射峰，继续调节可调谐中红外半导体激光器的位置，使透射峰的强度逐渐增加；

（44）当继续调节可调谐中红外半导体激光器的位置不能使透射峰的强度继续增加时，将匹配透镜设置在第一可调光阑与第二可调光阑之间，调节匹配透镜的位置，使透射峰的强度逐渐增加。

所述的用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，所述光路细调步骤还包括：

对可调谐中红外半导体激光器的位置、匹配透镜的位置以及谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜的位置进行联合调节，观察示波器上透射峰的强度变化和中红外激光对腔模激发数量的多少，同时计算谐振腔的精细度，并将计算得到的谐振腔的精细度与谐振腔的理论精细度比较，直到二者的差值在一定阈值范围内为止。

所述的用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，所述第一全反镜和第二全反镜均为45度全反镜。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明建立的多光学元件和调节观察方式，具有调节结构和调节过程清晰、步骤明确、判断有效、可以使光学谐振腔达到最佳调节效果的优点。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的准直光路示意图；

图3是本发明的粗调光路示意图；

图4是本发明的细调光路示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法，包括以下步骤：

S1、搭建光路准直模型步骤，包括：

S11、采用He-Ne可见光激光器作为准直光源；

S12、在He-Ne可见光激光器与谐振腔之间依次设置半透半反镜、第一全反镜和第二全反镜，使He-Ne可见光激光器输出的He-Ne可见光依次经过半透半反镜反射、第一全反镜反射和第二全反镜反射后能够照射到谐振腔的入射端腔镜上；

其中，半透半反镜的反射波长为632nm，第一全反镜和第二全反镜均为45度全反镜。

S2、光路准直步骤，包括：

S21、在半透半反镜与第一全反镜之间设置第一可调光阑和第二可调光阑，并用第三可调光阑和第四可调光阑分别替换谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜；

S22、调节He-Ne可见光激光器、半透半反镜、第一全反镜和第二全反镜的位置，使He-Ne可见光激光器输出的He-Ne可见光同时通过第一可调光阑、第二可调光阑、第三可调光阑和第四可调光阑的小孔。

S3、光路粗调步骤，包括：

S31、将第三可调光阑和第四可调光阑取下，将谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜重新装上，其它各元件的位置保持不变；

S32、调节谐振腔的入射端腔镜与透射端腔镜之间的相对平行度，观察接收屏上He-Ne可见光透过谐振腔后产生的干涉环，直到干涉环的波动频率与扫描压电陶瓷的控制电压的频率一致；所述压电陶瓷紧贴谐振腔的入射端腔镜外侧设置且与入射端腔镜尺寸相同。

S4、光路细调步骤，包括：

S41、采用可调谐中红外半导体激光器作为激发光源，使可调谐中红外半导体激光器输出的中红外激光依次经过半透半反镜透射、第一全反镜反射和第二全反镜反射后能够照射到谐振腔的入射端腔镜上；

S42、关闭He-Ne可见光激光器，打开可调谐中红外半导体激光器，调节可调谐中红外半导体激光器的位置，用中红外感光板观察可调谐中红外半导体激光器输出的中红外激光的方向，使中红外激光同时通过第一可调光阑和第二可调光阑的小孔；

S43、观察示波器上显示的谐振腔的透射峰，继续调节可调谐中红外半导体激光器的位置，使透射峰的强度逐渐增加；

S44、当继续调节可调谐中红外半导体激光器的位置不能使透射峰的强度继续增加时，将匹配透镜设置在第一可调光阑与第二可调光阑之间，调节匹配透镜的位置，使透射峰的强度逐渐增加；

S45、对可调谐中红外半导体激光器的位置、匹配透镜的位置以及谐振腔的入射端腔镜和透射端腔镜的位置进行联合调节，观察示波器上透射峰的强度变化和中红外激光对腔模激发数量的多少，同时计算谐振腔的精细度，并将计算得到的谐振腔的精细度与谐振腔的理论精细度比较，直到二者的差值在一定阈值范围内为止。

本发明的工作原理：

谐振腔的正确调节包括以下含义：入射激光只激发谐振腔的基模，而不激发任何一个高阶模，或者说，入射激光的束腰位置和大小与谐振腔的束腰位置和大小要完全一致（即两者的束腰位置重合、半径相等）。因此，谐振腔的调节过程实际上是选择一定焦距的匹配透镜，并确定匹配透镜在光路中的位置，协调光源、匹配透镜和谐振腔腔镜三者之间的位置关系的过程。在谐振腔的调节中，要满足上述要求，需要做到以下几点：首先，入射激光的光轴与谐振腔轴要共轴；其次，入射激光的束腰和谐振腔的束腰的位置和大小要完全一致。否则，实验操作上难免会出现对谐振腔高阶模的激发，降低监测的信噪比。

由于中红外激光光源输出的入射激光大多数无法直接用眼睛观察，因此，光路的调节首先需要借助可见光进行，其调节步骤大致可以分为粗调和细调过程，由于实际过程中所遇到的情况不能先知，因此，还需要根据实际情况适时调整。

粗调过程：调节过程中，采用He-Ne可见光激光器2作为准直光路的光源，准直光路如图2所示。在进行光路准直时，用两个可调光阑63、64替换了谐振腔5的两块腔镜，通过调节He-Ne可见光激光器2、半透半反镜3和两块全反镜41、42的位置，使He-Ne可见光同时通过四个可调光阑61、62、63、64的小孔。光路准直后，先用He-Ne可见光对谐振腔5进行粗调：将谐振腔5的两块腔镜51、52重新固定到谐振腔5的两端，其它各部分位置保持不变，如图3所示。调节两块腔镜51、52间的相对平行度，观察接收屏8上He-Ne可见光透过谐振腔5并经聚焦透镜7会聚后所产生的干涉环，直到透过谐振腔5的He-Ne可见光产生明显的干涉环为止，这时如果给压电陶瓷（压电陶瓷紧贴谐振腔的入射端腔镜51外侧设置且与入射端腔镜51尺寸相同）施加一个周期性变化的控制电压，就可以观察到干涉环的波动频率与扫描压电陶瓷的控制电压的频率一致，到此，可认为对谐振腔5的粗调工作完成。

细调过程：由于He-Ne可见光能够用眼睛直接观察，因此，对谐振腔5的粗调工作相对比较直观。细调的结果只能通过显示在示波器10上的透射峰来判断，由于谐振腔5的透射峰强度较弱，需要示波器10的数据经过较多次数的平均，因此响应有所滞后，给接下来的细调工作增加了非常大的难度。细调过程如下：

（1）关闭He-Ne可见光激光器2，打开可调谐中红外半导体激光器1，细微调节中红外激光的入射方向和位置，用中红外感光板观察中红外激光的方向，使光束同时通过光路中的两个可调光阑61、62的小孔，观察中红外激光透过谐振腔5并经聚焦透镜7会聚、探测器9探测后在示波器10上显示的谐振腔5的透射峰信号，如图4所示。

（2）在示波器10上观察到谐振腔5的透射峰信号后，继续精细调节中红外激光的入射方向和位置，可以看到谐振腔5的透射峰变得具有规律性，模式结构逐渐显现，因为入射激光从原来分散激发多模开始有规律地激发少数几个腔模，激发光的能量逐渐集中到少数几个被激发的腔模上，因此，谐振腔5的透射峰的强度逐渐加强。

（3）如果继续调节入射激光的位置不能使透射峰的强度继续增加，就应该将匹配透镜11加入光路中，仔细调节匹配透镜11的位置，使入射激光与谐振腔5之间更好地满足模式匹配关系，从而使入射激光对谐振腔高阶模的激发进一步被抑制，使绝大部分的能量集中到个别几个腔模上。这时，谐振腔5的透射峰不但更具有规律性，而且强度更强。

（4）如果需要进一步的调节，则必须将可调谐中红外半导体激光器1的位置、匹配透镜11的位置和两块腔镜51、52联合调节，最终实现入射激光对谐振腔5的单模激发，使谐振腔5的透射峰强度达到最大。这个调节过程不但要观察透射峰强度的变化和入射激光对腔模激发数量的多少，更重要的是要不断用关系式F=FSR/FWHM计算谐振腔5的精细度，其中，FSR表示自由光谱区，FWHM表示峰值半宽，并与谐振腔5的理论精细度比较，直到二者的值比较接近为止。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。