激光打标机谐振腔模式如何匹配及激光光路调节方法技巧

本文将从个人实验操作经验的角度去往，向大家介绍光-腔模式匹配的原理方法及光路调节方法。
谐振腔模式匹配过程需要采用仪器设备如下：
1. 光束质量分析仪；
2. 红外观察仪；
3. 光电探测器；
4. CCD照相机；
5. 示波器。

一、模式匹配原理与步骤

对于几何参数给出的谐振腔，根据自重现条件[1]可以确定一个腰斑的位置和大小，我们一般称之为本征腰斑。让输入光束经过透镜、反射镜作用之后聚焦的位置和大小与腔本征腰斑相同的过程就是光-腔模式匹配。其步骤如下：
1) 根据谐振腔的参数确定谐振腔的本征腰斑的位置及大小。
2) 确定输入光束的腰斑位置及大小。由于高斯光束的光斑大小随着传播距离成双曲线变化，因此可通过光束质量分析仪测量输入光束在传播相对路径上几个不同位置的光斑大小，随后采用曲线拟合即可确定腰斑。
3) 选择一个或多个焦距合适的透镜将光束聚焦到腔本征腰斑处：一般而言两个透镜构成的透镜组可以满足大部分应用场合。透镜放置好之后，可通过光束质量分析仪检查输入光的腰斑分布情况是否与腔的本征腰斑接近。
4) 调整腔前的一对反射镜的高低左右，让入射光耦合进腔内并发生共振，从而根据共振信号的状态调整反射镜及透镜位置，优化模式匹配效果。
需要说明的是，上面步骤1~3为透镜选择，涉及一定的理论计算，具体关系式请参加论文参考文献[1]。后一歩为光路调节，即调节腔内光线闭合，以达到共振，相关实验方法将在下文中得出。

二、光路调节方法

谐振腔的原理是基于腔内多光束干预，而发生干预的一个基本条件就是光束空间上的重叠，这就要求我们非常地控制光束的偏向进而耦合进谐振腔。光-腔耦合的步骤如下：
1) 将输入光束准直至谐振腔的高度，采用的是大家熟识的“双光阑法”，平面图如下。即在光束传播相对路径的一前一后放置两个光阑，在空间允许的情况下，两个光阑的距离尽量大。调节的顺口溜是“远的调近的，近的调远的”：调节反射镜M1让光线越过光阑1，调节反射镜M2让光线越过光光阑2，如此导杆，直至光束同时越过两个光阑中心。

2) 将谐振腔放置在准直好的光路中，调节谐振腔的闭合。以下将对线型腔和环形腔分别进行说明。
对于两个腔镜的平面度不错的线性腔来讲，只需调节入射光的偏向使其竖直入射一般即可观察到共振信号。而调节竖直入射的方法与上个步骤中光路准直的方法相近，其关键所在选准观测点，如下图2如图：用小纸条(不可见光用荧光板，注意不要遮挡入射光)分别放到图中标识为“1”，“2”位置处，先后调节反射镜M1、M2促使“1”，“2”位置处入射光与折射光（虚线）重叠。

与线性腔不同的是，环形腔中入射光并不是竖直入射到腔镜上，所以在腔外无法判断腔内光线是否闭合。因此需要在腔内选中两个观测点，如图所示3中“1”，“2”如图。另外，在输入光照强度不是足够大的条件下，人的眼睛无法直接观察到腔内的弱光。这时需要依靠红外观察仪来辅助调节。与上面的步骤相近，调节反射镜M1、M2促使“1”，“2”位置处输入光斑与在腔内传输一周的后光斑（虚线）重叠，即可保证谐振腔基本闭合。
3) 谐振腔基本闭合之后，使用周期时间信号扫描腔长或者入射激光器频率，使用波长、增益合适的光电探测器接受腔的透射（或反射面）信号，连接示波器后应该能观察到腔的透射峰（反射面峰）信号。当模式匹配没有提高状态时，会激起出许多进阶空间模式，如下图4如图。
图4 模式匹配不佳时的透射峰信号
一般而言，我们需要的是基模（TEM00）共振。那么首先要确定哪个透射峰是基模，具体操作是减少扫描电压范围至示波器上只见到一个根透射峰，用CCD照相机拍攝该透射峰的空间光照强度分布，如图所示4中小型图如图。随后调整反射镜M1、M2使基模的强度变大，同时进阶模的强度减弱，特别是TEM01（TEM10）的强度减弱为明显。略微移动一下模式匹配透镜的位置也可以优化模式，一般对TEM02（TEM20）及更进阶模式的抑制具有一定的帮助。
高的光-腔模式匹配效率是充分利用谐振腔特点的前提，除了在选择透镜时会一定的理论指导外，更多的工作集中在实验操作上。需要我们在把握基本的方法的前提下，不断尝试优化改善，以达到实验需求。