基于光外差鎖相的激光偏振控制與高偏振消光比的光束合成
發(fā)布時間：2022-01-14 05:54
激光相干偏振合成（CPBC）是獲得高亮度線偏振激光輸出的有效方法。基于此,提出一種光相位調制技術,將兩路光相位差轉變?yōu)榉日{制,進行光外差偏振相位探測和線性鎖相控制,實現(xiàn)了兩路同頻率激光光束的相干偏振合成。理論上詳細分析了光外差偏振相位探測的理論模型和線性鎖相控制環(huán)路的數(shù)學模型,用于優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。鎖相控制后,合成光束的輸出功率為352.4 mW,偏振消光比高達17.67 dB,系統(tǒng)的控制帶寬約為66.1 kHz,剩余相位噪聲為1×10-4 rad·Hz-1/2（1 Hz）和3×10-6 rad·Hz-1/2（>100 Hz）。相比于其他CPBC的鎖相方法,該方法對偏振消光比以及控制帶寬都有明顯的提升,有效地抑制了相位噪聲。
【文章來源】：光學學報. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
光外差拍頻檢測偏振相位原理圖
基于光外差鎖相的兩路激光偏振光束合成系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)使用的種子源為一窄線寬的線偏振單頻激光器,其中心波長為1064 nm,光譜線寬小于20 kHz。種子激光通過前置保偏摻Yb光纖放大器(A0)放大后,通過1∶1的保偏耦合器(Coupler)分成兩路子光束,其中一路作為參考光。參考光依次經(jīng)過一個電光調制器(EOM)和AOM后注入到一級保偏光纖預放大器(A1-1)中進行光放大,放大后的功率約為187 mW。EOM用于電光相位調制,為參考光引入邊帶,調制信號為一正弦波。另一路直接經(jīng)過一個AOM后注入到保偏光纖預放大器(A1-2)中,輸出功率約200 mW。兩路AOM均用于聲光移頻,聲光頻移量約為150 MHz,其中:一路使用高穩(wěn)定度信號源驅動,作為參考光束;另一路使用壓控振蕩器驅動,能夠實現(xiàn)頻移量的精密調節(jié),可作為激光鎖相的相位執(zhí)行器。兩路經(jīng)過二級光放大后的激光分別經(jīng)過兩個準直器(Co1.和Co2.)后準直輸出。然后經(jīng)過半波片(HWP)調整光束的偏振方向后,在偏振分光棱鏡(PBS1)上進行相干偏振合成。通過細調HWP,PBS1合成的絕大部分激光通過一個四分之一波片,用于補償固定的鎖相偏差[23]。PBS1泄漏出的少量激光則經(jīng)過HWP和PBS2組成的檢偏器進行偏光干涉,用于光外差偏振相位檢測與反饋控制。
根據(jù)第二部分外差偏振相位檢測與控制的思路,利用高速示波器(帶寬200 MHz)和頻譜儀(SR785)對PD輸出的外差信號和Mixer輸出的混頻信號進行了實時測量和分析。當兩路AOM頻移量差為30.8 kHz,且EOM上沒有增加調制信號時,兩路激光處于零差拍頻的情況,PD探測到的信號如圖3(a)所示,該信號為零差鎖相控制的誤差信號。當在EOM上加載ΩRF=17.8 MHz 的相位調制信號后,PD上探測的信號出現(xiàn)被幅度調制的載波信號,如圖3(b)所示,載波頻率為17.8 MHz,幅度調制信號為兩路AOM頻移差引入的激光相位差信息,與零差鎖相的誤差信號一致。以此方式,激光的相位差信息從零差探測的直流信號檢測轉變?yōu)橥獠钐綔y中的幅度調制。由于外差探測為交流檢測,濾除了直流部分,故能極大程度地減小激光功率和偏振態(tài)抖動引入的干擾[見(3)式和(4)式],提升鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。對外差信號進行頻譜分析,如圖3(c)所示,能很明顯地看出參考光的各級邊帶與另一路激光的拍頻,±1級邊帶的拍頻頻率差為61.6 kHz,等于AOM頻移量的兩倍。外差射頻信號與EOM的驅動信號進行混頻,并使用低通濾波器濾除高階邊帶拍頻信號,獲得外差偏振相位探測的誤差信號,如圖3(d)所示。該誤差信號與未受到擾動的零差拍頻信號一致,但是沒有激光功率引入的直流偏置,激光相位差信息不會受到激光功率和偏振的擾動。經(jīng)過正弦擬合,可以得到外差探測的誤差信號的鑒相斜率為Kd=0.04 V/rad,實際反饋控制時候會根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性微調反饋電路增益。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于光學零差偏振探測和鎖相的合束激光偏振控制[J]. 沈輝,全昭,楊依楓,趙翔,柏剛,何兵,周軍. 紅外與激光工程. 2018(01)
[2]302 W triple-frequency, single-mode, linearly polarized Yb-doped all-fiber amplifier[J]. Xiang Zhao,Yifeng Yang,Hui Shen,Xiaolong Chen,Gang Bai,Jingpu Zhang,Yunfeng Qi,Bing He,Jun Zhou. High Power Laser Science and Engineering. 2017(04)
[3]偏振態(tài)對激光相干合成的影響[J]. 蔣茂華,蘇毅,盧飛. 強激光與粒子束. 2013(03)
本文編號：3587940
【文章來源】：光學學報. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
光外差拍頻檢測偏振相位原理圖
基于光外差鎖相的兩路激光偏振光束合成系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)使用的種子源為一窄線寬的線偏振單頻激光器,其中心波長為1064 nm,光譜線寬小于20 kHz。種子激光通過前置保偏摻Yb光纖放大器(A0)放大后,通過1∶1的保偏耦合器(Coupler)分成兩路子光束,其中一路作為參考光。參考光依次經(jīng)過一個電光調制器(EOM)和AOM后注入到一級保偏光纖預放大器(A1-1)中進行光放大,放大后的功率約為187 mW。EOM用于電光相位調制,為參考光引入邊帶,調制信號為一正弦波。另一路直接經(jīng)過一個AOM后注入到保偏光纖預放大器(A1-2)中,輸出功率約200 mW。兩路AOM均用于聲光移頻,聲光頻移量約為150 MHz,其中:一路使用高穩(wěn)定度信號源驅動,作為參考光束;另一路使用壓控振蕩器驅動,能夠實現(xiàn)頻移量的精密調節(jié),可作為激光鎖相的相位執(zhí)行器。兩路經(jīng)過二級光放大后的激光分別經(jīng)過兩個準直器(Co1.和Co2.)后準直輸出。然后經(jīng)過半波片(HWP)調整光束的偏振方向后,在偏振分光棱鏡(PBS1)上進行相干偏振合成。通過細調HWP,PBS1合成的絕大部分激光通過一個四分之一波片,用于補償固定的鎖相偏差[23]。PBS1泄漏出的少量激光則經(jīng)過HWP和PBS2組成的檢偏器進行偏光干涉,用于光外差偏振相位檢測與反饋控制。
根據(jù)第二部分外差偏振相位檢測與控制的思路,利用高速示波器(帶寬200 MHz)和頻譜儀(SR785)對PD輸出的外差信號和Mixer輸出的混頻信號進行了實時測量和分析。當兩路AOM頻移量差為30.8 kHz,且EOM上沒有增加調制信號時,兩路激光處于零差拍頻的情況,PD探測到的信號如圖3(a)所示,該信號為零差鎖相控制的誤差信號。當在EOM上加載ΩRF=17.8 MHz 的相位調制信號后,PD上探測的信號出現(xiàn)被幅度調制的載波信號,如圖3(b)所示,載波頻率為17.8 MHz,幅度調制信號為兩路AOM頻移差引入的激光相位差信息,與零差鎖相的誤差信號一致。以此方式,激光的相位差信息從零差探測的直流信號檢測轉變?yōu)橥獠钐綔y中的幅度調制。由于外差探測為交流檢測,濾除了直流部分,故能極大程度地減小激光功率和偏振態(tài)抖動引入的干擾[見(3)式和(4)式],提升鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。對外差信號進行頻譜分析,如圖3(c)所示,能很明顯地看出參考光的各級邊帶與另一路激光的拍頻,±1級邊帶的拍頻頻率差為61.6 kHz,等于AOM頻移量的兩倍。外差射頻信號與EOM的驅動信號進行混頻,并使用低通濾波器濾除高階邊帶拍頻信號,獲得外差偏振相位探測的誤差信號,如圖3(d)所示。該誤差信號與未受到擾動的零差拍頻信號一致,但是沒有激光功率引入的直流偏置,激光相位差信息不會受到激光功率和偏振的擾動。經(jīng)過正弦擬合,可以得到外差探測的誤差信號的鑒相斜率為Kd=0.04 V/rad,實際反饋控制時候會根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性微調反饋電路增益。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于光學零差偏振探測和鎖相的合束激光偏振控制[J]. 沈輝,全昭,楊依楓,趙翔,柏剛,何兵,周軍. 紅外與激光工程. 2018(01)
[2]302 W triple-frequency, single-mode, linearly polarized Yb-doped all-fiber amplifier[J]. Xiang Zhao,Yifeng Yang,Hui Shen,Xiaolong Chen,Gang Bai,Jingpu Zhang,Yunfeng Qi,Bing He,Jun Zhou. High Power Laser Science and Engineering. 2017(04)
[3]偏振態(tài)對激光相干合成的影響[J]. 蔣茂華,蘇毅,盧飛. 強激光與粒子束. 2013(03)
本文編號：3587940
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