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。
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