【激光技术分享】典型光学谐振腔锁定方法简介
为使光学谐振腔工作在稳定的共振状态，一般需要通过负反馈控制系统动态地调节腔长以应对外界环境的干扰，该过程我们称之为“锁腔”。
锁腔原理如下图1所示，首先通过光电探测器获取一个与激光在腔内共振状态相关的误差信号，误差信号的特点为：如果以腔长正好满足共振条件为基准（零点位置），误差信号处于基准附近（过零点）。
一旦误差不为零，即表明腔长偏移了共振位置，误差信号经过适当的比例积分微分(PID)处理后将反馈电压传递给位于谐振腔上的腔长控制元件（一般为压电驱动器），形成一个闭合环路，腔长控制元件基于该信号进行调整，直到误差趋零以维持谐振腔的共振。
图1锁腔原理图
在这里需要说明的是，如果谐振腔的稳定性高于激光器，我们就可以将谐振腔当作频率参考来稳定激光的频率（简称“稳频”），具体做法与上述锁腔过程类似，只是将PID输出的反馈电压加载到激光器上压电驱动器、声光调制器来控制激光的频率。
由此可见，误差信号在反馈系统中起着非常重要的作用，如何产生高质量的误差信号是实现锁腔的关键。本文将介绍三种不同的误差信号产生方法，分别为：PDH locking、HC locking、Tilt locking，并分析比较它们的特点及应用范围。
1. PDH locking
PDH是R. V. Pound, R. Drever, J. L. Hall三位科学家名字的首字母组合，最早描述该方法的文章发表在1983年的Applied Physics B上，文章的中心思想是利用光学谐振腔实现激光频率和相位的稳定[1]。
该方法借鉴了利用微波腔进行微波稳频的思路，其原理如下图2所示。
首先对进入谐振腔的激光进行相位调制（PM），激光进入谐振腔后，腔反射光经光电探测器（PD）探测后与相位调制频率混频（Mixer）后解调，调节两路的相对相位后经低通滤波（LP）可获得用于锁腔的误差信号。
图2 PDH锁腔原理图
PDH技术是目前在光频标、引力波探测、原子物理等领域应用最为广泛的稳频方案。但是该方法要求能够对激光器本身进行相位调整，系统结构较为复杂，对电光调制器、信号发生器等仪器设备的性能提出了一定的要求。
2. HC locking
HC locking是由T. W. Hansch和B. Couillaud 提出的一种技术[2]（简称HC locking）。
与PDH不同的是，该方法不需要对激光器本身直接进行调制操作，而是利用在谐振腔内放置的一个线性偏振元件（偏振片或波片）来实现。
该偏振元件可以使腔内光线的偏振态变为与共振频率相关的椭圆偏振态，再通过一个四分之一波片（λ⁄4）与偏振分束器（PBS）的组合分出两个正交偏振态，并用两个探测器（PD1、PD2）接收后，二者做差后可获得误差信号。其工作原理如下图3所示。
图3 HC锁腔原理图
由于HC技术需要在腔内放置偏振元件，因此并不适用对内腔损耗控制极其苛刻的激光稳频类应用；但是可以适用于腔内有晶体的情形，比如倍频腔、光参量振荡器的腔长锁定。
3. Tilt Locking
另一种锁腔方法是Tilt Locking[3]，顾名思义，这种方法要求在腔镜上引入一定的倾斜，从而产生高阶空间模式（如TEM01），再通过与基模（TEM00）的模间干涉来提取误差信号。
具体来讲，在TEM00接近共振时，TEM01则偏离共振状态，会完全被腔反射出去，类似于PDH中相位调制出的边带信号。此时腔反射光中包含被完全反射的TEM01以及被部分反射的TEM00两种模式。
如下图4，通过一个象限探测器（QD）探测腔反射光，当激光在腔内共振时TEM01和TEM00之间的相位差为π⁄2，QD相邻两象限做减法后输出为零；当腔长偏移共振位置，QD会输出相应的误差信号。
图4 Tilt Locking锁腔原理图
Tilt Locking技术的特点是使用极少的器件就能够产生误差信号，但是这种方法本身对机械的稳定性比较敏感。
同时它要求产生一定的腔镜倾斜，也就是不能实现理想的腔光模式匹配，这在某种程度上也会限制其在高精细度谐振腔中的应用。
综上所述，以上三种锁腔方案各有优缺点，本文只是粗浅地介绍了工作原理及适用场合，具体选择哪种锁腔技术要根据具体的实验技术要求、实验条件来确定。
参考文献：
[1] Appl. Phys. B 31, 97 (1983)
[2] Opt. Commun. 35 (3), 441 (1980)
[3] Opt. Lett. 24 (21):1499-501 (1999)
