CN104283617A - 基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法，以具有电控柔性控制作用的液晶可变相位延迟器作为核心部件，利用液晶可变相位延迟器在务运动部件条件下对激光信号进行输出偏振态控制和调整，通过自适应控制算法改变液晶可变相位延迟器的供电电压值，从而改变其相位延迟量，进而对入射的激光信号的偏振态进行自适应控制，最终保证了激光光源高精度、高稳定度的偏振态输出；可以用于任意偏振态的激光光束产生；采用闭环控制技术来实现偏振激光光束产生，该方法产生的激光光束具有高精度、高稳定度偏振态。解决了基于偏振调制的激光通信系统对激光光源的偏振态精确度和稳定度要求苛刻这一问题。

Description

基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法

技术领域

本发明提供一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法，尤其涉及一种高精度偏振激光光束产生方法，属于激光产生技术领域。 

背景技术

由于在空间激光通信系统中，激光信号在大气信道中经过较长距离的传输后光束会受到大气湍流及背景光噪声等因素影响，使得传统的采用OOK调制方式的光通信系统通信效率大大降低，极大地限制了自由空间光通信技术的推广及应用。为了有效提高空间激光通信系统的可靠性，世界各国的研究者纷纷将目光转向偏振光通信。偏振位移键控（PolSK）是利用光的矢量特性，对光的偏振态进行编码调制，同时适用于二进制和多电平的传输。在大气传输中，光信号的偏振态几乎不受大气扰动的影响。对于在大气中传播的激光束来说，偏振态是其最稳定的一个属性。 

在基于偏振调制的激光通信系统中，高精度、高稳定度偏振态的激光光源成为整个系统的重中之重。所以研究高精度、高稳定度的偏振激光光束产生方法成为亟需解决的关键技术问题。目前国内外报道的偏振激光光束产生方法大多是采用起偏片或者偏振控制器来实现的，这类系统均属于开环控制系统，控制精度不高。 

迄今为止，基于液晶可变相位延迟器的高精度偏振激光光束产生方法尚未见报道。 

发明内容

本发明公开一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法，采用闭环控制技术来实现偏振激光光束产生，解决了基于偏振调制的激光通信系统对激光光源的偏振态精确度和稳定度要求苛刻这一问题。 

本发明进一步公开了一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生装置，产生的激光光束具有高精度、高稳定度偏振态，激光光束偏振态可以任意调整。 

本发明提供一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法及装置，其技术解决方案如下： 

包括偏振激光光束产生单元、偏振态检测单元和偏振态控制单元；其中：

所述的偏振激光光束产生单元由同轴排列的激光器、扩束准直系统、起偏片、液晶可变相位延迟器和分光棱镜组成；激光器的波长为1550nm；液晶可变相位延迟器为具有旋光效应的柔性光束相位延迟器件，在电场的作用下将入射的线偏振光分解成o光和e光两个正交偏振分量，两个正交偏振分量之间会产生相位延迟量，电场电压信号V控制液晶可变相位延迟器的相位延迟量；分光棱镜8采用透射光与反射光分光比为95：5的分光棱镜；

所述偏振态检测单元由同轴排列的1/4波片、检偏片、光电探测器以及与1/4波片电气连接的步进电机组成，偏振态检测单元由常规机械转动法测量激光偏振态参数的系统组成，用于完成对激光偏振态参数的测量，并把光电探测器测得的数据传输给偏振态控制单元中的自适应控制器进行处理；

所述偏振态控制单元由自适应控制器和液晶驱动电源组成，自适应控制器将光电探测器的输出电压信号进行数据采集和处理，对系统产生的激光光束的偏振态参数的检测，并与预设偏振态参数进行对比，通过自适应控制算法控制液晶驱动电源产生一个频率为2KHz、幅值可调的方波信号V，用来调整加载到液晶可变相位延迟器上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用。

本发明公开的一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生装置，其特征在于：由偏振激光光束产生单元、偏振态检测单元和偏振态控制单元组成； 

所述的偏振激光光束产生单元由同轴排列的激光器、扩束准直系统、起偏片、液晶可变相位延迟器和分光棱镜组成；液晶可变相位延迟器具有旋光效应，液晶可变相位延迟器将垂直入射的线偏振光分解成o光和e光两个正交偏振分量；

所述偏振态检测单元由同轴排列的1/4波片、检偏片、光电探测器以及与1/4波片电气连接的步进电机组成；偏振态检测单元由常规机械转动法测量激光偏振态参数的系统组成，用于完成对激光偏振态参数的测量，并把光电探测器测得的数据传输给偏振态控制单元中的自适应控制器进行处理；

所述偏振态控制单元由自适应控制器和液晶驱动电源组成，自适应控制器将光电探测器的输出电压信号进行数据采集和处理，对系统激光光束的偏振态参数进行检测，并与预设偏振态参数进行对比，驱动电源产生一个频率为2KHz、幅值可调的方波信号V，用来调整加载到液晶可变相位延迟7上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用。

所述的激光器为半导体激光器，激光波长为1550nm； 

所述的液晶可变相位延迟器为柔性光束相位延迟器件，能够在电场的作用下对入射的线偏振光分解得到的o光和e光两个正交偏振分量的相位延迟量发生改变，由加载到液晶可变相位延迟器的电压信号V控制相位延迟量；

所述的分光棱镜的透射光与反射光分光比为95：5。

图2是液晶可变相位延迟器改变光束偏振态的一种状态示意图。经过扩束准直系统扩束、准直之后的平行光束，该光束经过起偏片起偏得到的线偏振光垂直入射并通过液晶可变相位延迟器的过程中，线偏振光分解得到的o光和e光两个正交偏振分量的相位延迟量发生改变，具体相位延迟量情况由加载到液晶可变相位延迟器的电压信号V的大小决定。 

基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法的工作原理在于： 

首先，偏振激光光束产生单元中激光器发射的激光经过扩束准直系统进行扩束、准直之后得到平行光束，再经过起偏片起偏得到线偏振光，该线偏振光垂直入射并通过液晶可变相位延迟器，此时液晶驱动电源未启动，线偏振光直接透射，其偏振态不发生改变，光束经过分光棱镜进行分光，5%的光被反射，由偏振态检测单元进行偏振态检测，光束依次经过由步进电机控制匀速旋转的1/4波片和检偏片，最后由光电探测器接收，探测结果直接传给自适应控制器触发其工作并对接收数据进行处理，检测当前光束的偏振态参数；预先设定系统产生光束的偏振态参数，自适应控制器通过自适应算法给出液晶驱动电源的准确输出电压信号V的幅值，进而控制液晶可变相位延迟器产生相位延迟量 ，保证偏振激光光束产生单元产生高精度、高稳定度偏振态的激光光束。

本发明的积极效果在于：以具有电控柔性控制作用的液晶可变相位延迟器作为核心部件，利用液晶可变相位延迟器在务运动部件条件下对激光信号进行输出偏振态控制和调整，通过自适应控制算法改变液晶可变相位延迟器的供电电压值，从而改变其相位延迟量，进而对入射的激光信号的偏振态进行自适应控制，最终保证了激光光源高精度、高稳定度的偏振态输出；可以用于任意偏振态的激光光束产生；采用闭环控制技术来实现偏振激光光束产生，该方法产生的激光光束具有高精度、高稳定度偏振态。 

附图说明

图1为本发明系统结构示意图； 

图2是液晶可变相位延迟器改变光束偏振态的一种状态示意图；

图中，1、偏振激光光束产生单元；2、偏振态检测单元；3、偏振态控制单元；4、激光器；5、扩束准直系统；6、起偏片；7、液晶可变相位延迟器；8、分光棱镜；9、步进电机；10、1/4波片；11、检偏片；12；光电探测器；13、自适应控制器；14、液晶驱动电源。

具体实施方式

实施例1

根据图1、图2所示，本发明由偏振激光光束产生单元1、偏振态检测单元2和偏振态控制单元3组成；所述的偏振激光光束产生单元1由同轴排列的激光器4、扩束准直系统5、起偏片6、液晶可变相位延迟器7和分光棱镜8组成；激光器4采用Thorlabs公司的SFL1550P，输出激光波长为1550nm，最大输出光功率可达80mW，采用保偏光纤输出。液晶可变相位延迟器7是一种柔性光束相位延迟器件，能够在电场的作用下对入射的线偏振光分解得到的o光和e光两个正交偏振分量的相位延迟量发生改变，具体相位延迟量情况由加载到液晶可变相位延迟器7的电压信号V的大小决定，液晶可变相位延迟器7采用Meadowlark公司的LRC-300，相位延迟量范围从0~，精度可达波长覆盖范围1200-1700nm。分光棱镜8采用Thorlabs公司的BS030型号分束器立方，立方体直径为25.4mm，透射光与反射光分光比为95：5，可适用波长范围1100-1600nm。

所述偏振态检测单元2由同轴排列的1/4波片10、检偏片11、光电探测器12以及与1/4波片10电气连接的步进电机9组成，其中，1/4波片10、检偏片11、光电探测器12为同轴排列，步进电机9的转动轴通过传送带与1/4波片10连接，通过步进电机9带动1/4波片10做匀速圆周运动，完成对待检测光信号偏振特性的调制，光电探测器对已调制光信号进行探测，并把光电探测器测得的数据传输给偏振态控制单元中的自适应控制器进行处理，完成对激光偏振态参数的测量；偏振态检测单元2由常规机械转动法测量激光偏振态参数的系统组成，用于完成对激光偏振态参数的测量，并把光电探测器测得的数据传输给自适应控制器13进行处理，其中1/4波片10采用Meadow Lark公司的NQM-200-1550，相位延迟精度可达，检偏片11采用Meadow Lark公司的DPM-200-NIR2-3，可适用波长范围1200-1700nm，光电探测器12采用Thorlabs公司的AM1PD5A阴极接地型锗光电二极管，完成对已调制光束的探测，其工作波长范围为800-1800nm，探测灵敏度为0.75A/W，暗电流50uA，步进电机9采用一款国产步进电机，汉德保电机公司的0801HS06AX，步距角1.8°，步距角精度1.8°±5%。 

所述偏振态控制单元3由自适应控制器13和液晶驱动电源14组成。其中，偏振态检测单元3中的光电探测器数据输出端与自适应控制器13的数据端口连接，自适应控制器13的数据端口与液晶驱动电源14的控制端口连接；自适应控制器13采集光电探测器12的输出信号，并进行数据处理，完成系统激光光束的偏振态参数检测，并与系统中预设偏振态参数进行对比，根据对比结果给出对应的控制信号；液晶驱动电源14产生一个频率为2KHz，幅值V可调的方波信号，用来调整加载到液晶14可变相位延迟器7上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用，液晶驱动电源输出的信号幅值V受控于自适应控制器的控制信号。自适应控制器13是一种常规电子学部件，选用TI公司的TMS320C6711数字信号处理器，该处理器可同时执行8条指令，单精度运算速度为1G FLOPS，双精度运算速度为 250M FLOPS。自适应控制器13用于完成对光电探测器12的输出电压信号进行数据采集和处理，内部有信号处理器，实现系统产生的激光光束的偏振态参数的检测，并与预设偏振态参数进行对比，通过自适应控制算法控制液晶驱动电源14产生一个频率为2KHz、幅值可调的方波信号V，用来调整加载到液晶可变相位延迟7上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用，液晶驱动电源14是与液晶可变相位延迟器7（LRC-300）配套使用的Meadow Lark公司的D3050，可产生0-10V的输出电压值，调制精度为1mV。 

上述的液晶可变相位延迟器7具有旋光效应，其改变光束偏振态的一种状态示意图如图2所示。线偏振光垂直入射并通过液晶可变相位延迟器7，线偏振光分解得到的o光和e光两个正交偏振分量，根据加载到液晶可变相位延迟器7上的电压信号V的幅值不同，液晶可变相位延迟器7会相应产生不同的相位延迟量，具体相位延迟量情况由加载到液晶可变相位延迟器7的电压信号V的大小决定。 

系统中光电探测器12、自适应控制器13、液晶驱动电源14和液晶可变相位延迟器7也是电气连接，其余部分均为光连接。 

Claims (3)

1. 一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生方法，包括偏振激光光束产生单元、偏振态检测单元和偏振态控制单元；其特征在于：

所述的偏振激光光束产生单元由同轴排列的激光器、扩束准直系统、起偏片、液晶可变相位延迟器和分光棱镜组成；激光器的波长为1550nm；液晶可变相位延迟器为具有旋光效应的柔性光束相位延迟器件，在电场的作用下将入射的线偏振光分解成o光和e光两个正交偏振分量，形成相位延迟量，电场电压信号V控制液晶可变相位延迟器的相位延迟量；分光棱镜采用透射光与反射光分光比为95：5的分光棱镜；

所述偏振态检测单元由同轴排列的1/4波片、检偏片、光电探测器以及与1/4波片电气连接的步进电机组成，偏振态检测单元由常规机械转动法测量激光偏振态参数的系统组成，用于完成对激光偏振态参数的测量，并把光电探测器测得的数据传输给偏振态控制单元中的自适应控制器进行处理；

所述偏振态控制单元由自适应控制器和液晶驱动电源组成，自适应控制器将光电探测器的输出电压信号进行数据采集和处理，对系统产生的激光光束的偏振态参数的检测，并与预设偏振态参数进行对比，通过自适应控制算法控制液晶驱动电源产生一个频率为2KHz、幅值可调的方波信号V，用来调整加载到液晶可变相位延迟器上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用。

2. 一种基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生装置，其特征在于：由偏振激光光束产生单元、偏振态检测单元和偏振态控制单元组成；

所述的偏振激光光束产生单元由同轴排列的激光器、扩束准直系统、起偏片、液晶可变相位延迟器和分光棱镜组成；液晶可变相位延迟器具有旋光效应，液晶可变相位延迟器将垂直入射的线偏振光分解成o光和e光两个正交偏振分量；

所述偏振态检测单元由同轴排列的1/4波片、检偏片、光电探测器以及与1/4波片电气连接的步进电机组成；偏振态检测单元由常规机械转动法测量激光偏振态参数的系统组成，用于完成对激光偏振态参数的测量，并把光电探测器测得的数据传输给偏振态控制单元中的自适应控制器进行处理；

所述偏振态控制单元由自适应控制器和液晶驱动电源组成，自适应控制器将光电探测器的输出电压信号进行数据采集和处理，对系统激光光束的偏振态参数进行检测，并与预设偏振态参数进行对比，驱动电源产生一个频率为2KHz、幅值可调的方波信号V，用来调整加载到液晶可变相位延迟器上，从而对入射的激光光束进行相位延迟量控制，达到稳定光束偏振态的作用。

3. 根据权利要求2所述的基于液晶可变相位延迟器的偏振激光光束产生装置，包括偏振激光光束产生单元、偏振态检测单元和偏振态控制单元；其特征在于：

所述的激光器为半导体激光器，激光波长为1550nm；

所述的液晶可变相位延迟器为柔性光束相位延迟器件，能够在电场的作用下对入射的线偏振光分解得到的o光和e光两个正交偏振分量的相位延迟量发生改变，由加载到液晶可变相位延迟器的电压信号V控制相位延迟量；

所述的分光棱镜的透射光与反射光分光比为95：5。