[发明专利]一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法

说明书

技术领域

本发明涉及高精细度微光学腔的锁定，具体为一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法。

背景技术

随着激光技术和微纳米控制技术的发展，微光学谐振腔由于其腔内损耗小、精细度高、模体积小、耦合因子高以及探测灵敏等特点，使得其在灵敏测量、激光稳频、激光光谱学、原子物理以及腔量子电动力学实验等方面起到重要的作用。对于高精细度腔与一般低精细度腔相比而言由于其腔镜为“超镜”(super mirror)，透射率极低，所以腔内损耗也极低；同时腔的精细度会很高，可以达到10万以上。利用精细度在10万以上的高品质微光学腔的增强效应，能够大大提高光学测试和分析的灵敏度，对微弱吸收、损耗的测量可以低于0.1ppm，从而可应用于气体痕量测量、环境监测、材料分析、生物医药、食品卫生、安全生产以及信息技术领域，具有重要的实用意义。在原子（分子、离子等）的测量研究领域中希望获得微腔与原子的强耦合相互作用，就必需严格控制高品质微光学腔的腔长，使其谐振频率稳定在特定波长附近。一般的光学谐振腔可以利用调频光谱技术获得光学谐振腔的色散曲线作为鉴频曲线，将光学谐振腔的长度锁定在激光的频率上,实现对微光学谐振腔腔长的控制（参见文献 李健，吴令安 光学学报 15（12），1995）；但是高精细度微光学腔的腔长极短且精细度极高，对外部干扰非常敏感，难以锁定。目前稳腔时主要采用被动稳定或主动锁定技术；被动稳腔主要采用各种良好的机械稳定系统或者采取振动隔离设计，如多级隔振底座等来降低环境温度漂移、大气变化、机械振动以及磁场等对微光学谐振腔腔长的影响，但是由于被动稳定在精度方面的局限性使其只适用于低精细度的光学腔的稳定，而对于精细度高达10万的光学腔的稳定尚不够有效；主动锁腔是采用单路反馈（参见文献 李健，吴令安 光学学报 15（12），1995），但反馈回路共振产生的噪声很难消除；所以二者对于高精细度微光学腔都无法实现锁腔。

发明内容

本发明为了解决高精细度微光学腔的腔长由于外界环境的影响极不稳定从而影响测量结果的问题，提供了一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种高精细度微光学腔的锁定装置，包括腔长为10um-500um、精细度大于10万且小于50万的微光学腔；微光学腔由工作于剪切模式的第一片状压电陶瓷、粘结在第一片状压电陶瓷上的第一镜片、工作于剪切模式的第二片状压电陶瓷、以及粘结在第二片状压电陶瓷上的第二镜片构成，第一片状压电陶瓷与第二片状压电陶瓷之间的距离为5.8-7.2mm；微光学腔固定在三级微腔被动隔振底座上；微光学腔的一侧设有增益值为1×106-1×107V/W的快速探测器；微光学腔的另一侧依次设有透镜组合（所述透镜组合选用单个凸透镜、或两个凸透镜、或两个凸透镜和一个凹透镜的组合）、相位调制器、以及稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器；相位调制器的射频端与功率放大器的输出端相连，功率放大器的输入端与射频发生器的射频输出端相连，射频发生器的信号输出端与混频器的第一信号输入端相连；快速探测器的信号输出端与混频器的第二信号输入端相连；混频器的第一信号输出端经中心频率为44.1KHz的低频陷波滤波器、带宽为1KHZ的低通滤波器、第一PI控制器、电压起伏峰峰值小于10mv且输出端与信号接地端之间并联有200uF电容的高压放大器与第二片状压电陶瓷相连，混频器的第二信号输出端经中心频率为51.5KHZ的高频陷波滤波器、低频截止频率为0.03KHz的高通滤波器、第二PI控制器与第一片状压电陶瓷相连；高压放大器的信号输入端与信号发生器相连。

采用上述的一种高精细度微光学腔的锁定装置的锁定方法，包括如下步骤：

（1）打开稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器，光栅外腔反馈半导体激光器发出的激光射入相位调制器中进行相位调制后经透镜组合使出射光的空间模式与微光学腔的空间模式匹配后进入微光学腔；

（2）快速探测器探测从微光学腔透射出来的光产生电信号与射频发生器的本地振荡信号一起进入混频器进行混频；

（3）从混频器输出的信号分为两路：一路经低频陷波滤波器、低通滤波器、第一PI控制器、高压放大器作用于微光学腔的第二片状压电陶瓷；另一路经高频陷波滤波器、高通滤波器、第二PI控制器作用于微光学腔的第一片状压电陶瓷；