一种测量光学腔线宽的装置和方法
【专利摘要】本发明提供了一种测量光学腔线宽的装置和方法，装置包括：光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、光电探测器、频谱分析仪。采用上述装置，测量光学腔线宽的方法包括步骤：将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上耦合；用第二光学分束器将合束光分为两束，一束导入光学腔，另一束导入光电探测器；调节合束光与光学腔模式匹配；将光学腔的输出光输入光电探测器中；改变单频可调谐激光器的波长，用频谱分析仪记录一组频率和对应的拍频信号的噪声功率；根据公式拟合得到光学腔的线宽。该方法装置简单、操作方便、结果精确，具有很好的实用价值。
【专利说明】一种测量光学腔线宽的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学腔参数测量，具体属于一种测量光学腔线宽的装置和方法。
【背景技术】
[0002]光学腔的本质是一个光学低通滤波器。线宽是表征光学腔的一个重要参数，它表明了光学腔(低通滤波器)截止频率的大小。光学腔线宽的定义为在频域内测量光谱强度，峰值一半处对应的两个频率相减的值。
[0003]在激光【技术领域】，激光线宽由光学腔的品质因数决定，腔的品质因数越高，光学腔的线宽越窄，激光器的线宽就越窄。当前，窄线宽激光器由于具有相干长度长和频率确定性高等优点，在光学测量、雷达、全息成像、冷原子、光钟、DNA检测等领域有重要的应用价值。根据激光器光学腔的线宽可以推断激光器输出激光线宽，对窄线宽激光器研究工作具有重要意义。
[0004]在量子光学领域，为了降低光源的高频噪声，一般采用在光路中插入模清洁器(一种光学腔)的方法，而模清洁器的线宽决定了过滤高频噪声的频率下限。因而精确测量模清洁器的线宽对获得高性能压缩和纠缠光具有重要意义。另外，目前为止，利用光学参量过程是获得压缩光和纠缠光的最有效手段。在利用光学参量过程产生压缩光和纠缠光的装置中，光学参量腔的线宽决定了产生的压缩光和纠缠光的最大带宽，因此测量光学参量腔的线宽也是非常必要的。根据光学腔的线宽也可以得出光学腔的损耗，可以为减小损耗和改进光学腔性能提供重要参考。同时，可以根据损耗得到理论上压缩度和纠缠度的大小，为实验上压缩光和纠缠光的产生提供理论参考。
[0005]现有技术中，线宽一般通过扫描光学腔的腔长，根据透射光学腔透射峰半高宽度占一个自由光谱范围的比例决定，自由光谱范围根据光学腔的腔长和折射率参数计算得到。
[0006]对于驻波腔，自由光谱范围的表达式如下:
[0007]自由光谱范围=c/2nL ( I )
[0008]对于环形腔，光在腔内单向传播，自由光谱范围的表达式如下:
[0009]自由光谱范围=c/nL ( II )
[0010]公式(I )和(II )中，c为真空中的光速，η为光学腔内介质的折射率，L为光学腔的腔长。因此，自由光谱范围的计算以光学腔腔长和腔内介质折射率两个参数已知为前提。腔长L是一个容易测量的量，而介质的折射率η随材料的不同和周围温度，气流等均有变化，不易得到精确结果，从而影响自由光谱范围的计算结果，最后会影响线宽的计算结果O
[0011]另外，根据上述方法计算线宽是以光学腔上压电陶瓷的伸长随驱动电压为线性关系为前提的，而实际压电陶瓷受材料的限制都不是线性的。因而，使线宽计算结果不准确。
【发明内容】
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[0012]本发明的目的是提供一种精确测量光学腔线宽的装置和方法。通过该装置和方法可以测量得到频率和噪声功率的对应关系，然后利用公式拟合得到光学腔的线宽。
[0013]本发明提供的一种测量光学腔线宽的装置，包括光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、光电探测器、频谱分析仪；所述的单频可调谐激光器的输出光与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，合束光经第二光学分束器分为两束光:旁路光束和透射光束；所述的旁路光束绕开光学腔直接输入光电探测器；所述的透射光束导入光学腔，将光学腔的输出信号导入光电探测器中；所述的频谱分析仪与光电探测器连接，在测量单频可调谐激光器和单频激光器的拍频信号时，它们放置在旁路光束的光路中，在测量单频可调谐激光器和单频激光器的输出光透过光学腔后的拍频信号时，它们放置在透射光束的光路中；所述的单频激光器输出光的频率在单频可调谐激光器的调谐范围内。
[0014]光学腔作为本发明测量线宽的测量对象。单频激光器用来产生波长确定的激光输出。单频可调谐激光器用来产生波长可调谐的激光输出。光电探测器用来探测两台激光器的拍频信号，光电探测器的输出与频谱分析仪连接，用来显示、读出拍频信号的频率和对应的噪声功率。在我们的装置中，光电探测器和频谱分析仪首先放置在旁路光束的光路中，用来确定测量拍频信号的频率范围。将频谱分析仪设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器的波长，每一个波长对应一个拍频频率和噪声功率，当一段频率范围内的噪声功率相等时，表明在这一频率范围内的信号能真实反映光学腔的线宽。然后，将光电探测器和频谱分析仪放置在透射光束的光路中，在上述确定的频率范围内改变单频可调谐激光器的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系。在装置中，光电探测器和频谱分析仪分时使用两次分别测量旁路光束和透射光束，也可以用性能相同的另一组光电探测器和频谱分析仪对旁路光束和透射光束信号进行同时测量。
[0015]所述的光学腔为两镜腔或其它多镜腔。
[0016]基于上述装置，本发明提供的一种测量光学腔线宽的方法，依次包括如下步骤:
[0017]I)、将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，并使两束光在第一光学分束器后的光束参数相同、位置重合；
[0018]只有两束光与光学腔的同一个本征横模模式匹配，才能保证两束光在光学腔内有同样的共振条件。即当单频激光器发出的光与光学腔共振时，如果我们将单频可调谐激光器的频率调谐到与单频激光器的频率相等，单频可调谐激光器发出的光也与光学腔共振。如果两束光不重合，它们对应光学腔内不同的横模，不同横模在光学腔内的传播路径不同，对应不同的共振条件，这样两台激光器发出的光波长相等，不能保证它们能在光学腔中满足同时共振条件。
[0019]2)、用第二光学分束器将合束光分为两束:旁路光束和透射光束；
[0020]旁路光束绕开光学腔直接输入光电探测器，用来确定测量拍频信号的频率范围。透射光束经光学腔后导入光电探测器中，用来读出经光学腔后每个拍频频率点对应的最大噪声功率。
[0021]3)、将旁路光束注入光电探测器中，光电探测器的输出与频谱分析仪相连，将频谱分析仪设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器的波长，选取频谱分析仪噪声功率相等的区间对应的频率范围作为测量拍频的频率范围；
[0022]4)、调节透射光束与光学腔模式匹配，并将光学腔的腔长稳定在单频激光器的波长上;
[0023]调节合束光与光学腔模式匹配能提高共振点和非共振点信号的对比度，减小测量结果受腔内其它模式的干扰，使各个频率点与噪声功率的对应关系和拟合公式更接近。
[0024]5)、将光电探测器放置在光学腔后的透射光束光路中，光电探测器的输出与频谱分析仪相连，将频谱分析仪设置为max-hold模式，在步骤3)确定的频率范围内改变单频可调谐激光器的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系；
[0025]6)、用如下公式拟合步骤5)获得的频率和噪声功率的对应关系
[0026]
【权利要求】
1.一种测量光学腔线宽的装置，其特征在于，包括光学腔(I)、单频激光器(2)、单频可调谐激光器(3)、光电探测器(4)、频谱分析仪(5);所述的单频可调谐激光器(3)的输出光与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(6)上合束后,合束光经第二光学分束器(7)分为两束光:旁路光束(8)和透射光束(9);所述的旁路光束(8)绕开光学腔(I)直接输入光电探测器⑷；所述的透射光束(9)导入光学腔(I)，经光学腔⑴后的输出信号导入光电探测器(4)中；所述的频谱分析仪(5)与光电探测器(4)连接，在测量单频可调谐激光器(3)和单频激光器(2)的拍频信号时，它们放置在旁路光束(8)的光路中，在测量单频可调谐激光器⑶和单频激光器⑵的输出光透过光学腔⑴后的拍频信号时，它们放置在透射光束(9)的光路中；所述的单频激光器(2)输出光的频率在单频可调谐激光器(3)的调谐范围内。
2.如权利要求1所述的一种测量光学腔线宽的装置，其特征在于，所述的光学腔(I)为两镜腔或其它多镜腔。
3.一种测量光学腔线宽的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，依次包括如下步骤: 1)、将单频可调谐激光器(3)与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(6)上合束，并使两束光在第一光学分束器(6)后的光束参数相同、位置重合； 2)、用第二光学分束器(7)将合束光分为两束:旁路光束(8)和透射光束(9)； 3)、将旁路光束(8)注入光电探测器(4)中，光电探测器(4)的输出与频谱分析仪(5)相连，将频谱分析仪(5)设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器(3)的波长，选取频谱分析仪(5)噪声功率相等的区间对应的频率范围作为测量拍频的频率范围； 4)、调节透射光束(9)与光学腔(I)模式匹配，并将光学腔(I)的腔长稳定在单频激光器⑵的波长上； 5)、将光电探测器(4)放置在光学腔(I)后的透射光束(9)光路中，光电探测器(4)的输出与频谱分析仪(5)相连，将频谱分析仪(5)设置为max-hold模式，在步骤3)确定的频率范围内改变单频可调谐激光器(3)的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系； 6)、用如下公式拟合步骤5)获得的频率和噪声功率的对应关系B桑声!率=-
1+(4*频率2/线宽2) 得到光学腔的线宽。
【文档编号】G01M11/02GK104180972SQ201410452593
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】郑耀辉, 李志秀, 彭堃墀 申请人:山西大学