折叠型腔衰荡光谱系统中的纹波效应机理研究

We focus on the mechanism of ripple effect existing in fold-type cavity ring-down spectrometer in our project,which is related to some basic academic problems to achieve the application of high-reflectivity coating with untra-low loss, and can be used to develop a new technique to measure some special losses of high-reflectivity coating. So our study is significant both for basic research and application. Ripple effect is a special phenomenon that the loss value of fold-type cavity measured by cavity ring-down technique changes periodically with the wavelength scanning of laser. In order to clarify the mechanism of ripple effect, this project mainly includes the following contents: (1) based on Maxtric calculating method and the concept of equivalent layer, the influence of all kinds of error components on the spectral loss property of high-reflectivity coatings will be studied thoroughly;(2) based on the principle of interference,the scalar and vector theory of light scattering, the distribution and variation of light field will be investigated systematically. The objectives of project are as follows: (1) a universal model of analysing the loss of high-reflectivity coating will is set up to direct the depositing process and application of high-reflectivity coating;(2) to find out the characteristic and variation of light field inside or outside high-reflectivity coating, and grasp the changing behavior of the special loss caused by above factors;(3) to explore a new method to measure some special losses of high-reflectivity coating, and provide a new passport to calibrate the performance of untra-low loss coatings.

项目有关折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应机理的研究，涉及到超低损耗高反膜应用中一些重要基础性理论问题的分析，且有望探索出一种新型的高反膜特殊损耗项测量方法，因此具有重要的理论和现实意义。所谓纹波效应是指,随着激光波长的扫描，利用腔衰荡技术测得的折叠腔损耗值出现周期性波动的一种特殊现象。项目从探究该效应产生机理的角度出发，主要研究内容包括：（1）基于矩阵算法和等效膜层概念，深入分析各种误差因素对高反膜各损耗项光谱特性的影响；（2）基于光的干涉原理及光散射的标量、矢量场理论，系统研究不同状态下高反膜内外光波场的分布特点及变化规律。研究目标是：（1）建立起普适性的高反膜损耗光谱特征分析模型，为高反膜的镀制和应用提供指导；（2）了解不同状态下高反膜内外的光波场特点及变化规律，掌握由此导致的高反膜损耗光谱变化情况；（3）基于纹波效应探索一种新型的高反膜特殊损耗项测量方法，为其性能的标定提供一种新方法。

纹波效应是折叠型腔衰荡光谱系统实验研究中观察到的一种特殊物理现象，其表现形式为：随着光波长的扫描，利用腔衰荡技术测得的折叠腔损耗值出现周期性波动。纹波效应的机理研究不仅涉及折叠型腔衰荡光谱技术应用中系列问题的解决，而且有利于高反膜实际应用中一些重要基础性问题的了解和掌握。 .本项目研究从折叠腔各损耗项的光谱特性分析入手，通过结合光谱分析及前期的实验结果，将研究重点集中到折叠高反镜在谐振双光束入射时的散射及吸收损耗上。基于标量及矢量散射场理论，分析了折叠高反镜表面及表面颗粒物的散射损耗光谱特点；基于等效膜层概念，建立起斜入射情况时多层介质光学薄膜存在表面粗糙度时的反射和透射模型，并利用多层膜层细分近似进行了理论验证；通过分析折叠高反膜内光场分布变化规律，研究了折叠高反镜处的吸收损耗光谱特点；利用等效吸收膜层的概念，建立了单光束入射时的高反膜损耗光谱特性分析模型；通过在等效吸收膜层中引入虚拟吸收区，建立了双光束入射时的高反膜损耗光谱特性分析模型，并基于矩阵法编译了相关仿真程序；最终确定纹波效应的产生机理：纹波效应源于折叠腔内谐振双光束在折叠高反镜处形成的干涉效应，具体为折叠高反镜表面非均匀分布的颗粒物在该干涉效应作用下发生的散射及吸收损耗周期性变化。.基于纹波效应的机理研究，提出通过增大折叠角度以及保持折叠高反镜洁净度来减弱纹波效应的方法；提出通过恒定折叠高反镜上谐振双光束之间的相位差来消除纹波效应的方法；提出利用多横模光强分布及对应损耗的测量分析，以及利用纹波效应实现高反膜非均匀损耗测量的方法。改进并搭建了多套腔衰荡光谱实验系统；搭建了双光束入射情况是的积分和微分散射测量系统；通过实验验证了理论分析以及所提方案的有效性；基于高品质法珀腔开展了激光线宽压窄及稳频研究，利用精细度F=28200（光波长640nm）的折叠型法珀腔将激光二极管线宽压窄6个数量级（由数GHz压窄至约390 KHz），在低频范围内将激光幅度噪声抑制达30 dB；提出一种基于气体膜盒的新型法珀腔稳频方法并进行了实验，将氦氖激光器频率成功锁定在精细度为F=9161的微晶玻璃法珀腔谐振峰上，稳频后的He-Ne激光器频率稳定度约为1E-10（τ=10 s）。