[发明专利]一种测量高精细度腔精细度的方法及装置

说明书

本发明属于激光光谱技术领域，具体为一种测量高精细度腔精细度的方法及装置。解决了目前测量高精细度腔参数时存在的测量精度较低、对探测器精度要求高的技术问题。本发明利用频率锁定技术，扫描第二调制频率用光强信号描绘出了高精细度腔的腔模形状，从原理上更具有准确性。本发明在测量过程中由于使用了频率锁定技术，光‑腔一直处于锁定状态，避免了光‑腔频率的相对漂移，单次测量结果可信度高。本发明在测量中对探测器响应时间要求不高；由于腔模宽度一般在KHz量级，测量探测器带宽也不需要太大，这样就能保证使用的探测器精度可以很高。

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，是针对实验室普遍采用的高精细度腔精细度测量的一种新方法，具体为一种测量高精细度腔精细度的方法及装置。

背景技术

作为光学谐振腔，法布里-珀罗干涉仪(F-P腔)自其研发之始就在光谱学与光谱分析上占有了重要的地位，在光学频率定标、光学探测、光学检测方面应用广泛。描述F-P腔有多个参数，包括自由光谱范围、精细度、分辨本领、角色散等。这些参数对于F-P腔的选择上具有非常重要的指导意义，我们也可以通过传统的公式法计算出以上参数，但是计算的粗略性并不能满足人们现在对微小测量的要求，尤其是在超精密的光学测量上。因此，找到一种针对F-P腔参数的测量方法，并且这种方法简单、便捷，能够快速的投入使用，对于任何应用F-P腔的实验计量测量来说意义非凡。

掺铒光纤激光器(EDFL)作为近几年发展起来的超窄线宽激光器，具有输出光波长稳定，线宽窄(百Hz)，功率稳定等优点，广泛的应用在光谱分析，光谱测量，非线性光谱泵浦源方面。对比一般的腔模半高全宽(FWHM)在几十KHz量级，光纤激光器完全可以胜任作为测量腔模半高全宽的光源。

F-P腔腔镜反射率较高、也即精细度较大的类型被叫做高精细度腔，目前人们常用来测量高精细度腔精细度的方法是腔衰荡光谱(CRDS)，它通过测量腔内光场的衰减时间进行换算来得到腔的镜面反射率，进而得到一系列关于高精度腔的参数。在腔衰荡方法中，一束短脉冲激光(光束脉宽小于光在腔内往返一周的时间)注入高精细度腔内，激光会在腔内来回反射，由于腔镜具有一定的透射损耗，每一次反射都会有一定比例的光透射出腔外，这部分透射的光就构成了腔的衰荡信号。这个衰荡信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：

拟合会得到高精度腔内光的衰荡时间t₀，y₀与A是与探测器有关的常数。在腔内没有相应激光波长吸收物的情况下，测量的衰荡时间与高精细度腔腔镜的反射率关系为：

而腔镜的反射率与腔的精细度之间的关系式：

式中c是光速，L₀是高精细度腔的几何长度，R是所求的镜面反射率，F是腔的精细度。

这里假设光照射在高精度腔腔镜上时只有透射与反射现象的发生，也即

T+R＝1 (4)

T表示腔镜的透射率。

目前CRDS方法是人们采用测量高精细度腔参数最常用的方法，但是CRDS仍有四个缺点。第一，在测量时，腔长L₀无法通过这种方法直接获得，测量者还需要采用别的精密仪器对腔长进行测量，腔长测量的精确度限制了高精细度腔精细度的测量值。第二，CRDS测量的是腔内的光强衰减时间，因此它只能针对超高精细度腔的测量，当精细度腔的腔镜反射率下降时，腔内光强的衰减时间很容易下滑到可以与测量仪器的反应时间比拟，如百ns量级，这样测量得到的衰荡时间精度要远远低于对高精细度腔的测量。第三，即使对于超高精细度腔，由于不同探测器的响应不同，测量的衰荡时间信号也大不一样。第四，腔衰荡方法通常采用数据采集卡采集大量数据平均来提高测量时间的精确度，现实生活中太消耗时间。