腔衰荡系统的纵模匹配 - 筱晓光子AOL实验室⑨

腔衰荡技术最早的提出，其目的是测量高反镜的反射率。比如现在市面上的高反镜，反射率基本在99.99%左右，普通的反射率测量方法已经无法精确测量器件的参数。因此，我们就将一对高反镜平行放置，组成一个F-P谐振腔。

谐振腔可以看作是一个光学滤波器，其性能如下图所示，横坐标表示输入谐振腔的光波长，纵坐标表示光的通过功率与输入光功率的比值。光从这一对高反镜组成的谐振腔一端输入，一部分通过谐振腔从另一端输出，剩余的光都在输入端反射了（还有一部分光会动态地储存在谐振腔内，这也就是为什么存在腔衰荡信号）。

根据谐振腔的性质，只有输入光波长正好处于谐振腔的谐振点时，光的透过率理论上为100%，这个点谐振腔储存的能量也最高。此时关闭激光输入，谐振腔内储存的光开始在腔内来回反射，因为发射镜的反射率很高，每次反射都只会透过很小一部分的光，绝大部分光会反射到另一个反射镜，如此反复，腔内的光能慢慢下降，直到全部消耗，在这一动态过程中，谐振腔的两端（输入端和输出端）都能探测到一个缓慢下降的光功率信号，这就是腔衰荡信号。

所以，我们需要保证，激光的波长要在谐振腔的谐振点上，才能采集到一个信噪比足够高的腔衰荡信号，也就是光在腔内走一个来回，其光程必须为自身波长的整数倍，这也就是腔衰荡系统的模式匹配之一（纵模匹配）。通过PZT将两者关系锁定，可以保证产生一个良好的衰荡信号，当然，这需要一个PID伺服系统去控制，电路较为复杂。还有一种方式，也是我们正在使用的，可以说是一种触发采集的方式，不去锁定腔长和波长的关系，而激光在自由运转的时候，波长必然是一种抖动的状态。只要它在某个时刻，扫过了腔的谐振点，在那个瞬间，腔的透过率突然增加，腔内的光能也跟着累积。然后，在腔的输出口放置光电探测器实时捕捉透过光，一旦透过光功率大于设定的阈值，立刻关闭激光输入，并采集一次衰荡信号。这种方式，不能保证激光一直处于腔的谐振点，但是每次采集衰荡信号的时刻，它都是模式匹配的，可以说是一种动态的纵模匹配。