CN103337784B - 一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，其包括以下步骤：1）设置激光偏振态控制系统；2）设置三维坐标系；3）激光器发出的一部分激光发射到外腔回馈系统，另一部激光发射光信号探测系统，通过扫描干涉仪监测激光器的纵模模式；4）初始设置偏振片的光轴与X轴的夹角，通过示波器对两个光电探测器探测的信号进行检测；5）正向旋转偏振片，逐渐增大偏振片光轴与X轴的夹角θ，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；6）逆向旋转偏振片，逐渐减小偏振片光轴与X轴的夹角θ，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；7）将步骤5）和步骤6）所得到的各平行光角度区间与垂直光角度区间进行取交集运算，得到输出平行光和垂直光的相应的角度区间。本发明可以广泛应用在激光偏振控制中。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光偏振态控制方法，特别是关于一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法。
背景技术
光回馈是指利用谐振腔外部的物体将激光器输出光的一部分反射回激光器的谐振腔，这一部分回馈光包含外部物体的位移等特征信息，与激光器谐振腔内的光场叠加发生相互作用，调制激光器输出激光的光强、偏振态等特性。激光回馈与传统的双光束干涉相比，具有相同的相位灵敏度，即外部物体每发生半个激光波长的位移，回馈信号发生一个周期的波动。但是，激光回馈系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑，易准直等优点。目前，激光回馈已经广泛应用于位移、速度、形貌、振动、角度等方面的测量。激光偏振态控制在精密计量、偏振测定、光开关和光通信领域有重要应用。激光器的每一个纵模模式对应两个偏振方向正交的本征态，激光器输出光是两个本征态中的一个。当满足特定条件时，激光器的偏振态会在两个本征态之间发生跳变。
现有技术中提出利用双折射外腔回馈的方法来控制偏振态，即在回馈镜和激光器中间放入波片等双折射元件，当双折射元件的快轴或者慢轴和激光器偏振方向平行时，随着回馈镜的移动，激光器输出的激光偏振态会在两个本征态之间发生跳变。这种方法虽然能够实现激光器输出的激光偏振态在两个本征方向上来回跳变，但是，却不能使得激光器稳定地输出用户需要的某一偏振态的激光，并根据实际需要自由地在两个偏振态之间进行切换。现有技术中也有通过对激光器谐振腔进行特殊设计，来使得激光器输出某一特定方向的偏振光，实现偏振方向的控制，比如利用布儒斯特窗或者二元光学器件的方法，让两个偏振方向的损耗具有一定差别。这类方法可以实现固定激光器偏振方向的目的，并且使得激光器输出偏振光，但是需要比较复杂的工艺，难于加工制造。此外，这类方法也不能实现对激光器偏振态方向的选择和切换。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单的，能够根据需求输出某一偏振态的激光，并且能够使输出的激光自由地在两个偏振态之间进行切换的基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，其包括以下步骤：1）设置一激光偏振态控制系统，它包括一激光器，所述激光器一侧的出射光路上设置一外腔回馈系统，所述激光器另一侧的出射光路上设置一光信号探测系统；所述外腔回馈系统依次包括一偏振片、一回馈镜和一微动器件，所述微动器件与所述回馈镜粘贴，所述微动器件连接一微动器件驱动器；所述光信号探测系统包括一分光镜，所述分光镜的透射光路上设置一扫描干涉仪，所述分光镜的反射光路上设置一偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射光路上对应设置有第一光电探测器和第二光电探测器，两所述光电探测器的输出端连接一示波器；2）设置一三维坐标系，以激光纵模对应两个偏振方向正交的本征态中的其中一个偏振方向为X轴，将与其正交的另外一个偏振方向定为Y轴，激光光路传播方向定为Z轴，并且将所述偏振分光棱镜出射的偏振方向与X轴平行的激光定义为平行光，将经所述偏振分光棱镜出射的偏振方向与Y轴平行的激光定义为垂直光；3）所述激光器发出的一部分激光发射到所述外腔回馈系统，另一部激光发射所述光信号探测系统，通过所述扫描干涉仪监测所述激光器的纵模模式，如果所述激光器输出的激光是单纵模则进入步骤4），如果所述激光器输出的激光为多纵模，则对所述激光器的腔长进行调节，使所述激光器输出的激光是单纵模；4）初始设置所述偏振片的光轴与X轴的夹角θ=0°，通过所述示波器对两个光电探测器探测的信号进行检测，所述第一光电探测器探测得到的平行光和第二光电探测器探测得到的垂直光的光强随着所述微动器件的驱动电压的变化而相互转化；5）以激光传播方向为中心，正向旋转所述偏振片，逐渐增大所述偏振片光轴与X轴的夹角θ，当所述偏振片光轴与X轴的夹角θ=90°时停止旋转，在旋转所述偏振片的过程中，通过所述示波器观察两个光电探测器输出的信号大小，确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；6）当正向旋转所述偏振片光轴与X轴的夹角达到90°时，逆向旋转所述偏振片，当所述偏振片光轴与X轴的夹角θ=0°时停止旋转，逐渐减小所述偏振片光轴与X轴的夹角θ，根据所述步骤5），确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；7）将所述步骤5）和步骤6）所得到的各平行光角度区间与垂直光角度区间进行取交集运算，得到输出平行光和垂直光的相应的角度区间，根据得到的角度区间，设置合适的θ值，选择激光偏振态，或者在平行光和垂直光之间进行任意切换。
所述偏振片与所述回馈镜之间的激光传播光路上设置一衰减片。
所述微动器件采用压电陶瓷。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的激光偏振态控制系统包括激光器、外腔回馈系统和光信号探测系统，并以激光纵模对应两个偏振方向正交的本征态中的其中一个偏振方向为X轴，将与其正交的另外一个偏振方向定为Y轴，分别通过正向和逆向旋转偏振片，不断改变偏振片的光轴与X轴的夹角θ，得到输出平行光和垂直光的相应的角度区间，根据得到的角度区间，设置合适的θ值，选择激光偏振态，或者在平行光和垂直光之间进行任意切换，因此本发明能够根据需求输出某一偏振态的激光，并且能够使输出的激光自由地在两个偏振态之间进行切换。2、本发明仅仅利用回馈镜和偏振片即可产生偏振的光回馈，用于调制激光器的偏振态特性，结构简单、紧凑，成本低。3、本发明采用的激光回馈属于一种腔外的调制手段，相比于现有技术中提出的在腔内进行调制的方法更易于实现。本发明可以广泛应用在激光偏振控制中。
附图说明
图1是本发明的激光偏振态控制系统结构示意图，其中，“I⊥”表示垂直光，“I//”表示平行光；
图2是本发明所建立的坐标系示意图；
图3是本发明旋转偏振片使得θ值增大时得到的实验结果示意图，横坐标为时间，单位为50ms/格，纵坐标包括光强信号，单位为1V/格，PZT电压，单位为150V/格；其中，表示平行光，表示垂直光，表示PZT（压电陶瓷）电压；图3（a）表示θ=0°实验结果示意图，图3（b）表示θ=24°实验结果示意图，图3（c）表示θ=55°实验结果示意图，图3（d）表示θ=90°实验结果示意图；
图4是本发明旋转偏振片增大或减小θ值时，激光器输出的激光偏振态的变化情况示意图，单位为θ/度；其中，表示偏振跳变，表示垂直光角度区间，表示平行光角度区间，箭头表示θ的变化趋势。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明的基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，包括以下步骤：
1）如图1所示，本发明的激光偏振态控制系统包括一激光器1，激光器1一侧的出射光路上设置有一外腔回馈系统2，激光器1另一侧的出射光路上设置有一光信号探测系统3。外腔回馈系统2依次包括一偏振片21、一回馈镜22和一微动器件23，微动器件23与回馈镜22粘贴在一起，微动器件23连接一微动器件驱动器24，微动器件驱动器24产生周期性的电压驱动信号驱动微动器件23伸缩，继而带动回馈镜22沿着激光传播光路来回往复运动，本发明实施例中微动部件23可以采用压电陶瓷（PZT），但是不限于此，可以根据实际需要进行选择。光信号探测系统3包括一分光镜31，分光镜31的透射光路上设置一扫描干涉仪32，扫描干涉仪32用于对分光镜31透射的激光的纵模模式进行监测，分光镜31的反射光路上设置一偏振分光棱镜33，偏振分光棱镜33出射光路上对应设置有第一光电探测器34和第二光电探测器35（第一、第二不表示顺序，只是用于将两个光电探测器进行区别），第一光电探测器34和第二光电探测35的输出端连接一示波器（图中未示出），示波器用于对两个光电探测器探测的信号大小进行检测。
2）如图2所示，设置一三维坐标系，以激光纵模对应两个偏振方向正交的本征态中的其中一个偏振方向为X轴，将与其正交的另外一个偏振方向定为Y轴，将激光光路传播方向定为Z轴，并且将偏振分光棱镜33出射的偏振方向与X轴平行的激光定义为平行光，将经偏振分光棱镜33出射的偏振方向与Y轴平行的激光定义为垂直光。
3）激光器1发出的一部分激光发射到外腔回馈系统2，另一部激光发射光信号到探测系统3，通过扫描干涉仪32监测激光器的纵模模式，即观察激光器是否输出单纵模，如果激光器1输出的激光是单纵模则进入步骤4），如果激光器1输出的激光为多纵模，则对激光器1的腔长进行调节，使激光器1输出的激光是单纵模。
4）初始设置偏振片21的光轴平行于X轴方向，即偏振片21的光轴与X轴的夹角θ=0°，通过示波器对第一光电探测器34和第二光电探测器35探测的信号进行检测，第一光电探测器34探测得到的平行光和第二光电探测器35探测得到的垂直光的光强随着压电陶瓷23的驱动电压的变化而相互转化。
如图3（a）所示，由于压电陶瓷23和回馈镜22粘接在一起，压电陶瓷23的伸缩会引起回馈镜22的往复移动，进而导致回馈外腔长度的变化，同时通过扫描干涉仪32观察激光器的纵模模式，因此平行光和垂直光光强之间的相互转化是同一纵模模式的两个正交本征态之间的相互转化，本发明将平行光和垂直光的相互转化过程定义为偏振跳变现象。
5）以激光传播方向为中心，正向旋转偏振片21（本发明定义的正向是从X轴旋转到Y轴），逐渐增大偏振片21光轴与X轴的夹角θ，当偏振片21光轴与X轴的夹角θ=90°时停止旋转，在旋转偏振片21的过程中，通过示波器观察两个光电探测器输出的信号大小，确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片21光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间。
如图3（b）所示，当通过示波器观察到第一光电探测器34输出的平行光信号为0，偏振跳变现象停止，激光器仅仅输出垂直光，记录此时偏振片21光轴与X轴的夹角θ1，本发明实施例中θ1=24°。
如图3（c）所示，连续旋转偏振片21，继续增大偏振片21光轴与X轴的夹角，当通过示波器观察到第二光电探测器35输出的垂直光信号为0，激光器仅仅输出平行光信号，记录此时偏振片21光轴与X轴的夹角θ2，本发明实施例中θ2=55°；
继续旋转偏振片21，增大偏振片21光轴与X轴的夹角，当通过示波器再次观察到偏振跳变现象，记录此时偏振片21光轴与X轴的夹角θ3，本实施例中θ3=65°。
继续旋转偏振片21，直到偏振片21光轴与X轴的夹角达到90°停止，在θ3到90°的过程中一直持续发生偏振跳变现象。本发明实施例中θ1、θ2和θ3的大小是根据实验得到的，但是不限于此，这三个角度的实际大小由于不同实验环境得到的数值可能不尽相同。
6）当正向旋转偏振片21光轴与X轴的夹角达到90°时，逆向旋转偏振片21（本发明定义的逆向与正向相反，是从Y轴旋转到X轴），当偏振片21光轴与X轴的夹角θ=0°时停止旋转，逐渐减小偏振片21光轴与X轴的夹角θ，根据步骤5），确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片21光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间。
逆向旋转偏振片21，当θ值减小到θ4时，偏振跳变现象停止，激光器1只输出平行光，本发明实施例中θ4=65°；
继续逆向旋转偏振片21，当θ值减小θ5时，平行光突然熄灭，垂直光突然震荡，激光器1只输出垂直光，本发明实施例中θ5=35°；
继续逆向旋转偏振片，当θ值减小到θ6时，θ6=23°再次出现偏振跳变现象，本发明实施例中θ4、θ5和θ6的大小是根据实验得到的，但是不限于此，这三个角度的实际大小由于不同实验环境得到的数值可能不尽相同。
7）将步骤5）和步骤6）所得到的各平行光角度区间与垂直光角度区间进行取交集运算，得到输出平行光和垂直光的相应的角度区间，根据得到的角度区间，设置合适的θ值，选择激光偏振态，或者在平行光和垂直光之间进行任意切换。
本发明实施例中，将步骤5）和步骤6）所得到的各平行光角度区间与垂直光角度区间进行取交集运算的结果如图4所示，无论是正向旋转偏振片21增大θ值还是逆向旋转偏振片21减小θ值，总是存在这样的角度区间，当θ的取值在这一角度区间内时，激光器只输出同一个偏振态：当旋转偏振片21，当在θ取值在24°到35°的范围之内时，激光器只输出垂直光，而当θ取值在55°到65°的范围之内时，激光器只输出平行光，可以通过旋转偏振片21来控制激光器输出激光的偏振方向，即：如果需要激光器1输出垂直光，即旋转偏振片21使得θ取值在24°到35°之间；如果需要激光器1输出平行光，即旋转偏振片21使得θ取值在55°到65°之间。因此通过旋转偏振片21，还可以使得激光器1输出激光的偏振态在垂直光和平行光之间任意切换。
在一个优选的实施例中，为了更加方便偏振控制，使最终得到的平行光和垂直光夹角区间较大，可以在偏振片21与回馈镜22之间的激光传播光路上设置一衰减片25，通过衰减片25降低节回馈光的幅度大小。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施方法的各步骤都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (3)
1.一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，其包括以下步骤：
1)设置一激光偏振态控制系统，它包括一激光器，所述激光器一侧的出射光路上设置一外腔回馈系统，所述激光器另一侧的出射光路上设置一光信号探测系统；所述外腔回馈系统依次包括一偏振片、一回馈镜和一微动器件，所述微动器件与所述回馈镜粘贴，所述微动器件连接一微动器件驱动器；所述光信号探测系统包括一分光镜，所述分光镜的透射光路上设置一扫描干涉仪，所述分光镜的反射光路上设置一偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射光路上对应设置有第一光电探测器和第二光电探测器，两所述光电探测器的输出端连接一示波器；
2)设置一三维坐标系，以激光纵模对应两个偏振方向正交的本征态中的其中一个偏振方向为X轴，将与其正交的另外一个偏振方向定为Y轴，激光光路传播方向定为Z轴，并且将所述偏振分光棱镜出射的偏振方向与X轴平行的激光定义为平行光，将经所述偏振分光棱镜出射的偏振方向与Y轴平行的激光定义为垂直光；
3)所述激光器发出的一部分激光发射到所述外腔回馈系统，另一部分激光发射到所述光信号探测系统，通过所述扫描干涉仪监测所述激光器的纵模模式，如果所述激光器输出的激光是单纵模则进入步骤4)，如果所述激光器输出的激光为多纵模，则对所述激光器的腔长进行调节，使所述激光器输出的激光是单纵模；
4)初始设置所述偏振片的光轴与X轴的夹角θ＝0°，通过所述示波器对两个光电探测器探测的信号进行检测，所述第一光电探测器探测得到的平行光和第二光电探测器探测得到的垂直光的光强随着所述微动器件的驱动电压的变化而相互转化；
5)以激光传播方向为中心，正向旋转所述偏振片，逐渐增大所述偏振片光轴与X轴的夹角θ，当所述偏振片光轴与X轴的夹角θ＝90°时停止旋转，在旋转所述偏振片的过程中，通过所述示波器观察两个光电探测器输出的信号大小，确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；
6)当正向旋转所述偏振片光轴与X轴的夹角达到90°时，逆向旋转所述偏振片，当所述偏振片光轴与X轴的夹角θ＝0°时停止旋转，逐渐减小所述偏振片光轴与X轴的夹角θ，根据所述步骤5)，确定偏振跳变现象停止以及输出为单一偏振态激光时偏振片光轴与X轴的各夹角的大小，得到输出为平行光和垂直光的夹角区间；
7)将所述步骤5)和步骤6)所得到的各平行光角度区间与垂直光角度区间进行取交集运算，得到输出平行光和垂直光的相应的角度区间，根据得到的角度区间，设置合适的θ值，选择激光偏振态，或者在平行光和垂直光之间进行任意切换。
2.如权利要求1所述的一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，其特征在于：所述偏振片与所述回馈镜之间的激光传播光路上设置一衰减片。
3.如权利要求1或2所述的一种基于偏振光回馈的激光偏振态控制方法，其特征在于：所述微动器件采用压电陶瓷。
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