【激光技術(shù)分享】典型光學(xué)諧振腔鎖定方法簡(jiǎn)介
為使光學(xué)諧振腔工作在穩(wěn)定的共振狀態(tài)，一般需要通過負(fù)反饋控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的干擾，該過程我們稱之為“鎖腔”。
鎖腔原理如下圖1所示，首先通過光電探測(cè)器獲取一個(gè)與激光在腔內(nèi)共振狀態(tài)相關(guān)的誤差信號(hào)，誤差信號(hào)的特點(diǎn)為：如果以腔長(zhǎng)正好滿足共振條件為基準(zhǔn)（零點(diǎn)位置），誤差信號(hào)處于基準(zhǔn)附近（過零點(diǎn)）。
一旦誤差不為零，即表明腔長(zhǎng)偏移了共振位置，誤差信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋壤e分微分(PID)處理后將反饋電壓傳遞給位于諧振腔上的腔長(zhǎng)控制元件（一般為壓電驅(qū)動(dòng)器），形成一個(gè)閉合環(huán)路，腔長(zhǎng)控制元件基于該信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，直到誤差趨零以維持諧振腔的共振。
圖1鎖腔原理圖
在這里需要說明的是，如果諧振腔的穩(wěn)定性高于激光器，我們就可以將諧振腔當(dāng)作頻率參考來穩(wěn)定激光的頻率（簡(jiǎn)稱“穩(wěn)頻”），具體做法與上述鎖腔過程類似，只是將PID輸出的反饋電壓加載到激光器上壓電驅(qū)動(dòng)器、聲光調(diào)制器來控制激光的頻率。
由此可見，誤差信號(hào)在反饋系統(tǒng)中起著非常重要的作用，如何產(chǎn)生高質(zhì)量的誤差信號(hào)是實(shí)現(xiàn)鎖腔的關(guān)鍵。本文將介紹三種不同的誤差信號(hào)產(chǎn)生方法，分別為：PDH locking、HC locking、Tilt locking，并分析比較它們的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。
1. PDH locking
PDH是R. V. Pound, R. Drever, J. L. Hall三位科學(xué)家名字的首字母組合，最早描述該方法的文章發(fā)表在1983年的Applied Physics B上，文章的中心思想是利用光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)激光頻率和相位的穩(wěn)定[1]。
該方法借鑒了利用微波腔進(jìn)行微波穩(wěn)頻的思路，其原理如下圖2所示。
首先對(duì)進(jìn)入諧振腔的激光進(jìn)行相位調(diào)制（PM），激光進(jìn)入諧振腔后，腔反射光經(jīng)光電探測(cè)器（PD）探測(cè)后與相位調(diào)制頻率混頻（Mixer）后解調(diào)，調(diào)節(jié)兩路的相對(duì)相位后經(jīng)低通濾波（LP）可獲得用于鎖腔的誤差信號(hào)。
圖2 PDH鎖腔原理圖
PDH技術(shù)是目前在光頻標(biāo)、引力波探測(cè)、原子物理等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的穩(wěn)頻方案。但是該方法要求能夠?qū)す馄鞅旧磉M(jìn)行相位調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)電光調(diào)制器、信號(hào)發(fā)生器等儀器設(shè)備的性能提出了一定的要求。
2. HC locking
HC locking是由T. W. Hansch和B. Couillaud 提出的一種技術(shù)[2]（簡(jiǎn)稱HC locking）。
與PDH不同的是，該方法不需要對(duì)激光器本身直接進(jìn)行調(diào)制操作，而是利用在諧振腔內(nèi)放置的一個(gè)線性偏振元件（偏振片或波片）來實(shí)現(xiàn)。
該偏振元件可以使腔內(nèi)光線的偏振態(tài)變?yōu)榕c共振頻率相關(guān)的橢圓偏振態(tài)，再通過一個(gè)四分之一波片（λ?4）與偏振分束器（PBS）的組合分出兩個(gè)正交偏振態(tài)，并用兩個(gè)探測(cè)器（PD1、PD2）接收后，二者做差后可獲得誤差信號(hào)。其工作原理如下圖3所示。
圖3 HC鎖腔原理圖
由于HC技術(shù)需要在腔內(nèi)放置偏振元件，因此并不適用對(duì)內(nèi)腔損耗控制極其苛刻的激光穩(wěn)頻類應(yīng)用；但是可以適用于腔內(nèi)有晶體的情形，比如倍頻腔、光參量振蕩器的腔長(zhǎng)鎖定。
3. Tilt Locking
另一種鎖腔方法是Tilt Locking[3]，顧名思義，這種方法要求在腔鏡上引入一定的傾斜，從而產(chǎn)生高階空間模式（如TEM01），再通過與基模（TEM00）的模間干涉來提取誤差信號(hào)。
具體來講，在TEM00接近共振時(shí)，TEM01則偏離共振狀態(tài)，會(huì)完全被腔反射出去，類似于PDH中相位調(diào)制出的邊帶信號(hào)。此時(shí)腔反射光中包含被完全反射的TEM01以及被部分反射的TEM00兩種模式。
如下圖4，通過一個(gè)象限探測(cè)器（QD）探測(cè)腔反射光，當(dāng)激光在腔內(nèi)共振時(shí)TEM01和TEM00之間的相位差為π?2，QD相鄰兩象限做減法后輸出為零；當(dāng)腔長(zhǎng)偏移共振位置，QD會(huì)輸出相應(yīng)的誤差信號(hào)。
圖4 Tilt Locking鎖腔原理圖
Tilt Locking技術(shù)的特點(diǎn)是使用極少的器件就能夠產(chǎn)生誤差信號(hào)，但是這種方法本身對(duì)機(jī)械的穩(wěn)定性比較敏感。
同時(shí)它要求產(chǎn)生一定的腔鏡傾斜，也就是不能實(shí)現(xiàn)理想的腔光模式匹配，這在某種程度上也會(huì)限制其在高精細(xì)度諧振腔中的應(yīng)用。
綜上所述，以上三種鎖腔方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文只是粗淺地介紹了工作原理及適用場(chǎng)合，具體選擇哪種鎖腔技術(shù)要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)條件來確定。
參考文獻(xiàn)：
[1] Appl. Phys. B 31, 97 (1983)
[2] Opt. Commun. 35 (3), 441 (1980)
[3] Opt. Lett. 24 (21):1499-501 (1999)
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