本文將從個人實驗操作經(jīng)驗的角度去往，向大家介紹光-腔模式匹配的原理方法及光路調(diào)節(jié)方法。
諧振腔模式匹配過程需要采用儀器設(shè)備如下：
1.?光束質(zhì)量分析儀；
2.?紅外觀察儀；
3.?光電探測器；
4.?CCD照相機；
5.?示波器。

一、模式匹配原理與步驟

對于幾何參數(shù)給出的諧振腔，根據(jù)自重現(xiàn)條件[1]可以確定一個腰斑的位置和大小，我們一般稱之為本征腰斑。讓輸入光束經(jīng)過透鏡、反射鏡作用之后聚焦的位置和大小與腔本征腰斑相同的過程就是光-腔模式匹配。其步驟如下：
1)?根據(jù)諧振腔的參數(shù)確定諧振腔的本征腰斑的位置及大小。
2)?確定輸入光束的腰斑位置及大小。由于高斯光束的光斑大小隨著傳播距離成雙曲線變化，因此可通過光束質(zhì)量分析儀測量輸入光束在傳播相對路徑上幾個不同位置的光斑大小，隨后采用曲線擬合即可確定腰斑。
3)?選擇一個或多個焦距合適的透鏡將光束聚焦到腔本征腰斑處：一般而言兩個透鏡構(gòu)成的透鏡組可以滿足大部分應(yīng)用場合。透鏡放置好之后，可通過光束質(zhì)量分析儀檢查輸入光的腰斑分布情況是否與腔的本征腰斑接近。
4)?調(diào)整腔前的一對反射鏡的高低左右，讓入射光耦合進(jìn)腔內(nèi)并發(fā)生共振，從而根據(jù)共振信號的狀態(tài)調(diào)整反射鏡及透鏡位置，優(yōu)化模式匹配效果。
需要說明的是，上面步驟1~3為透鏡選擇，涉及一定的理論計算，具體關(guān)系式請參加論文參考文獻(xiàn)[1]。后一歩為光路調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)腔內(nèi)光線閉合，以達(dá)到共振，相關(guān)實驗方法將在下文中得出。

二、光路調(diào)節(jié)方法

諧振腔的原理是基于腔內(nèi)多光束干預(yù)，而發(fā)生干預(yù)的一個基本條件就是光束空間上的重疊，這就要求我們非常地控制光束的偏向進(jìn)而耦合進(jìn)諧振腔。光-腔耦合的步驟如下：
1)?將輸入光束準(zhǔn)直至諧振腔的高度，采用的是大家熟識的“雙光闌法”，平面圖如下。即在光束傳播相對路徑的一前一后放置兩個光闌，在空間允許的情況下，兩個光闌的距離盡量大。調(diào)節(jié)的順口溜是“遠(yuǎn)的調(diào)近的，近的調(diào)遠(yuǎn)的”：調(diào)節(jié)反射鏡M1讓光線越過光闌1，調(diào)節(jié)反射鏡M2讓光線越過光光闌2，如此導(dǎo)桿，直至光束同時越過兩個光闌中心。

2)?將諧振腔放置在準(zhǔn)直好的光路中，調(diào)節(jié)諧振腔的閉合。以下將對線型腔和環(huán)形腔分別進(jìn)行說明。
對于兩個腔鏡的平面度不錯的線性腔來講，只需調(diào)節(jié)入射光的偏向使其豎直入射一般即可觀察到共振信號。而調(diào)節(jié)豎直入射的方法與上個步驟中光路準(zhǔn)直的方法相近，其關(guān)鍵所在選準(zhǔn)觀測點，如下圖2如圖：用小紙條(不可見光用熒光板，注意不要遮擋入射光)分別放到圖中標(biāo)識為“1”，“2”位置處，先后調(diào)節(jié)反射鏡M1、M2促使“1”，“2”位置處入射光與折射光（虛線）重疊。

與線性腔不同的是，環(huán)形腔中入射光并不是豎直入射到腔鏡上，所以在腔外無法判斷腔內(nèi)光線是否閉合。因此需要在腔內(nèi)選中兩個觀測點，如圖所示3中“1”，“2”如圖。另外，在輸入光照強度不是足夠大的條件下，人的眼睛無法直接觀察到腔內(nèi)的弱光。這時需要依靠紅外觀察儀來輔助調(diào)節(jié)。與上面的步驟相近，調(diào)節(jié)反射鏡M1、M2促使“1”，“2”位置處輸入光斑與在腔內(nèi)傳輸一周的后光斑（虛線）重疊，即可保證諧振腔基本閉合。
3)?諧振腔基本閉合之后，使用周期時間信號掃描腔長或者入射激光器頻率，使用波長、增益合適的光電探測器接受腔的透射（或反射面）信號，連接示波器后應(yīng)該能觀察到腔的透射峰（反射面峰）信號。當(dāng)模式匹配沒有提高狀態(tài)時，會激起出許多進(jìn)階空間模式，如下圖4如圖。
圖4?模式匹配不佳時的透射峰信號
一般而言，我們需要的是基模（TEM00）共振。那么首先要確定哪個透射峰是基模，具體操作是減少掃描電壓范圍至示波器上只見到一個根透射峰，用CCD照相機拍攝該透射峰的空間光照強度分布，如圖所示4中小型圖如圖。隨后調(diào)整反射鏡M1、M2使基模的強度變大，同時進(jìn)階模的強度減弱，特別是TEM01（TEM10）的強度減弱為明顯。略微移動一下模式匹配透鏡的位置也可以優(yōu)化模式，一般對TEM02（TEM20）及更進(jìn)階模式的抑制具有一定的幫助。
高的光-腔模式匹配效率是充分利用諧振腔特點的前提，除了在選擇透鏡時會一定的理論指導(dǎo)外，更多的工作集中在實驗操作上。需要我們在把握基本的方法的前提下，不斷嘗試優(yōu)化改善，以達(dá)到實驗需求。