CN104777376A - 一种激光放大器相位噪声测量系统 - Google Patents

Abstract

一种激光放大器相位噪声测量系统，包括主振荡器、光学分束器、相位调制器件、相位调制信号发生器、光程调节装置、光程调节装置控制器、待测激光放大器、激光准直系统、高反镜、功率接收器、全反镜、偏振旋转器、偏振合束器、起偏器、光电探测器、相位解调系统、3dB电学分束器、π/2相移器、数据采集模块；相位调制器件上连接有相位调制信号发生器，相位调制信号发生器用来给相位调制器件施加所需频率的调制信号，光程调节装置上连接有光程调节装置控制器，光程调节装置控制器对光程调节装置进行精确控制。本系统能够避免光束的偏振态、振幅比等因素对相位噪声测量系统的影响，实现激光相位噪声的精确测量。

Description

一种激光放大器相位噪声测量系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种基于偏振合束与数字相移技术的激光放大器相位噪声测量系统。

背景技术

由于环境扰动、机械振动、热效应、泵浦功率起伏等因素的影响，激光放大器必然会产生一定的相位噪声分布特性。在高精度传感、引力波探测、激光相干合成等领域，放大器相位噪声的分布特性直接决定了系统的整体性能。具体而言，在高精度传感和引力波探测系统中，相位噪声的幅度和噪声谱密度决定了整个解调信号的真实性和精度；在相干合成系统中，相位噪声的幅度和噪声谱密度决定了锁相系统的设计参数和精度。因此，精确的相位噪声测量方法在高精度传感、引力波探测、激光相干合成等领域有广泛的应用前景。

目前，针对相位噪声的测量方法主要基于Mach–Zehnder干涉仪结构或者阵列排布的双光束干涉结构，整个测量系统容易受激光偏振态、振幅比等因素的影响。设计一种新的测量结构克服激光偏振态、振幅比等因素对激光放大器相位噪声测量的影响是激光传感和强激光领域一直探索和亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种激光放大器相位噪声测量系统，以避免光束的偏振态、振幅比等因素对相位噪声测量系统的影响，实现激光相位噪声的精确测量。

本发明的技术方案是，

一种激光放大器相位噪声测量系统，包括主振荡器、光学分束器、相位调制器件、相位调制信号发生器、光程调节装置、光程调节装置控制器、待测激光放大器、激光准直系统、高反镜、功率接收器、全反镜、偏振旋转器、偏振合束器、起偏器、光电探测器、相位解调系统、3dB电学分束器、π/2相移器、数据采集模块；相位调制器件上连接有相位调制信号发生器，相位调制信号发生器用来给相位调制器件施加所需频率的调制信号，光程调节装置上连接有光程调节装置控制器，光程调节装置控制器对光程调节装置进行精确控制；

激光振荡器输出的光束通过光学分束器后分为两束，其中一路光束作为参考光束，另一路光束经过相位调制器件和光程调节装置后注入到待测激光放大器中；待测激光放大器放大后的光束经过第一激光准直系统准直后输出；放大准直后的光束经过高反镜后，大部分光束进入功率接受器，小部分光束经过全反镜反射后入射到第一偏振旋转器；参考光束通过第二激光准直系统后入射到第二偏振旋转器；经过第一偏振旋转器和第二偏振旋转器后的光束在偏振合束器上进行合成；放大链路的寻常光o光和参考链路的非寻常光e光在偏振合束器上进行合束后经过端口1入射到第一起偏器上；放大链路的非寻常光e光和参考链路的寻常光o光在偏振合束器上进行合束后经过端口2入射到第二起偏器上；

经过第一起偏器的合成光束注入到第一光电探测器，第一光电探测器将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第一相位解调系统进行信号解调，第一相位解调系统对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第一3dB电学分束器分为两路，其中一路电信号经过第一π/2相移器后输入到数据采集模块，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块。

同理，经过第二起偏器的合成光束注入到第二光电探测器，第二光电探测器将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第二相位解调系统进行信号解调，第二相位解调系统对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第二3dB电学分束器分为两路，其中一路电信号经过第二π/2相移器后输入到数据采集模块，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块。

所述的主振荡器为激光种子源，激光种子源种类不限，可以是固体激光器、气体激光器、光纤激光器等不同类型激光种子源；种子源输出的激光偏振特性、时域特性和光谱特性没有具体要求；

所述的光学分束器种类不限，可以是全光纤分束器、空间分束器等，其具体类型选择根据实际需要进行确定；

所述的相位调制器件种类不限，可以是电光调制器、声光调制器，也可以是其它具有相位调制功能的器件；

所述的相位调制信号发生器种类不限，可以是具备特征频率信号产生的任意信号源，其产生信号的特征频率在相位调制器件的响应带宽范围内；

所述的光程调节装置种类不限，可以是基于电机控制的光程调节装置、基于压电陶瓷结构的光程调节装置等，也可以是其他能够对光程进行调节的器件，其具体类型选择根据实际需要进行确定；

所述的光程调节装置控制器对光程调节装置进行精确控制，其类型根据光程调节装置确定；

所述的待测激光放大器是需要进行相位噪声测量的放大链路，其类型不限，可以是气体激光放大器、固体激光放大器、光纤激光放大器等；

所述的激光准直系统对各路激光束进行准直输出，其类型根据所需测量条件和待测放大器的类型决定；

所述的高反镜是对放大器输出波长具有高反射能力的反射器件，其构成材料不限，根据放大器的输出功率密度可有多种选择；

所述的功率接收器用于接收高反镜反射的光束，其类型不限，可以是功率计、锥形功率收集器等；

所述的全反镜是对放大器输出波长具有全反射能力的反射器件，其构成材料不限，可以是石英材料、K9材料、或者其他可通过镀膜实现全反射功能的晶体材料；

所述的偏振旋转器类型不限，可以是半波片或者其他具有偏振态旋转功能的器件；所述的偏振旋转器材料不限，可以是石英材料、K9材料等；

所述的偏振合束器类型不限，可以是偏振合束片、格兰棱镜等；所述的偏振合束器材料不限，可以是石英、K9、钒酸钇、方解石、偏硼酸钡等不同的晶体材料；

所述的起偏器实现方式多样，可以是单个偏振片、半波片和偏振分光器件的组合、带旋转平台的布鲁斯特窗等；其材料不限，可以是石英材料、K9材料等；

所述的光电探测器将接受到的光信号转换为电信号，其种类和响应材料有多种选择，只需激光波长在其相应波段内；

所述的相位解调系统对采集到的四路电信号进行电学解调，得到包含待测激光放大器7的相位噪声信息的解调信号；

所述的3dB电学分束器将相位解调系统解调的电信号等比例的分为两束；

所述的π/2相移器实现方式多样，可以是任意能够对电学分束器分束的电信号施加π/2相移的电路器件；

所述的数据采集模块对四路包含待测放大器相位噪声信息的电学信号进行采集。

本发明的有益技术效果：

1、本发明提供了一种激光放大器相位噪声测量系统，避免了传统基于Mach–Zehnder干涉仪结构和阵列排布的双光束干涉结构测量方法中偏振态、振幅比等因素对放大器相位噪声测量的影响，系统实现方式简单，结构紧凑。

2、本发明提供的相位噪声测量系统具备通用性；从放大器种类而言，该系统适用于固体放大器、气体放大器、光纤放大器等不同类型放大器的相位噪声测量；从输出激光频域特性而言，该系统适用于单频或宽谱激光的相位噪声测量；从输出激光时域而言，该系统适用于连续激光或者脉冲激光的相位噪声测量；从输出激光的偏振特性而言，该系统适用于保偏激光放大器或非保偏激光放大器的相位噪声测量。

3、与传统相位噪声测量系统相比，本发明提供的相位噪声测量系统在研究保偏放大器中快轴和慢轴的相位噪声差异、非保偏放大器不同正交方向相位噪声差异等方面具有特殊的优势。

综上，本发明在激光传感、引力波探测、激光相干合成系统等激光技术应用领域有重大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图。

图中包含：主振荡器1、光学分束器2、相位调制器件3、相位调制信号发生器4、光程调节装置5、光程调节装置控制器6、待测激光放大器7、第一激光准直系统8-1、第二激光准直系统8-2、高反镜9、功率接收器10、全反镜11、第一偏振旋转器12-1、第二偏振旋转器12-2、偏振合束器13、第一起偏器14-1、第二起偏器14-2、第一光电探测器15-1、第二光电探测器15-2、第一相位解调系统16-1、第二相位解调系统16-2、第一3dB电学分束器17-1、第二3dB电学分束器17-2、第一π/2相移器18-1、第二π/2相移器18-2、数据采集模块19。

具体实施方式

参照附图1，为本发明一种激光放大器相位噪声测量系统的结构原理图，如图所示，本系统包括主振荡器1、光学分束器2、相位调制器件3、相位调制信号发生器4、光程调节装置5、光程调节装置控制器6、待测激光放大器7、第一激光准直系统8-1、第二激光准直系统8-2、高反镜9、功率接收器10、全反镜11、第一偏振旋转器12-1、第二偏振旋转器12-2、偏振合束器13、第一起偏器14-1、第二起偏器14-2、第一光电探测器15-1、第二光电探测器15-2、第一相位解调系统16-1、第二相位解调系统16-2、第一3dB电学分束器17-1、第二3dB电学分束器17-2、第一π/2相移器18-1、第二π/2相移器18-2和数据采集模块19。

理论分析

本系统实施相位噪声测量的理论基础如下：

由于高反镜9和全反镜11只对光强起反射作用，对相位噪声的特性不产生影响，考虑光场的矢量性，设xoy坐标系与偏振合束器13的主轴坐标系重合(x轴沿晶体的光轴)，则待测激光放大器7的光场经过偏振旋转器12-1后的Jones矩阵可以表示为：

$E_1=\left[\begin{array}{c}{E}_{1o}{e}^{j[{\mathrm{\φ}}_x+d\sin \left(\mathrm{wt}\right)]}\\ E_{1e}{e}^{j[{\mathrm{\φ}}_y+d\sin \left(\mathrm{wt}\right)]}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：φ_x和φ_y分别为两个正交方向的相位分布，E_1o和E_2o分别为两个正交方向的光场幅度，d sin(wt)是相位调制信号发生器4施加到相位调制器件3上的调制信号(d为调制深度、w为调制频率)。

同理，设参考链路的光场经过第二偏振旋转器后的Jones矩阵表示为：

$E_2=\left[\begin{array}{c}{E}_{2o}{e}^{j{\mathrm{\δ}}_x}\\ E_{2e}{e}^{j{\mathrm{\δ}}_y}\end{array}\right]---\left(2\right)$

则偏振合束器13后端口1光场的Jones矩阵表示为：

${E^{\′}}_1=\left[\begin{array}{c}{E}_{1o}{e}^{j[{\mathrm{\φ}}_x+d\sin \left(\mathrm{wt}\right)]}\\ E_{2e}{e}^{j{\mathrm{\δ}}_y}\end{array}\right]---\left(3\right)$

附图中，第一起偏器14-1的Jones矩阵可以表示为：

$J=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1& {\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中：θ₁是第一起偏器14-1的主轴与x轴的夹角。

由公式(3)和(4)，端口1输出的光束经过第一起偏器14-1后的光强表示为：

I₁＝(E_1ocosθ₁)²+(E_2esinθ₁)²+2E₁₀E_2ecosθ₁sinθ₁cos[φ_x+dsin(wt)-δ_y]  (5)

因此，第一光电探测器15-1上产生的光电流可以表示为：

i_PD1＝R_PD1·A₁·I₁          (6)

其中：R_PD1是第一光电探测器15-1的响应度，A₁是第一光电探测器15-1的光敏面面积。

设参考光束的相位噪声幅度和噪声谱密度与待测放大器相比可以忽略，在第一相位解调系统16-1上，用与相位调制信号发生器4调制信号相同的电信号与公式(6)中的时间相关项做乘积并进行时间积分，积分后的结果再滤除所有相关的直流分量，则经第一相位解调系统16-1解调出的电压信号经过推导表示为：

其中：k₁为比例常数，R₁为第一相位解调系统16-1的匹配阻抗，J₁(d)为关于调制深度d的一阶贝塞尔关系式，为待测放大器x方向的相位噪声。

同理，经过第二相位解调系统16-2解调出的电压信号经过推导表示为：

其中：R_PD2是第二光电探测器15-2的响应度，A₂是第二光电探测器15-2的光敏面面积，k₂为比例常数，R₂为第二相位解调系统16-2的匹配阻抗，θ₂是第二起偏器14-2的主轴与x轴的夹角，J₁(d)为关于调制深度d的一阶贝塞尔关系式，为待测放大器y方向的相位噪声。

由公式(7)和(8)可得：由第一相位解调系统16-1和第二相位解调系统16-2解调出的电压信号直接与待测激光放大器7相位噪声的正弦值成正比。

考虑到在一个周期内，正弦信号和余弦信号不具有单调性，因此，由电压值所得到的相位噪声幅度值有可能不唯一；然而，正切信号在其一个周期内是单调变化的。基于此考虑，在专利设计中，将第一相位解调系统16-1解调出的电压信号(V₁)通过第一3dB电学分束器17-1分为两路信号；其中一路信号(用V₁₁表示)直接输入到数据采集模块19，另一路信号经过第一π/2相移器18-1后进入数据采集模块19(设经过第一π/2相移器18-1的电压信号为V₁₂)，则待测放大器x方向的相位噪声表示为：

同理，第二相位解调系统16-2解调出的电压信号(V₂)通过第二3dB电学分束器17-2分为两路信号；其中一路信号(用V₂₁表示)直接输入到数据采集模块19，另一路信号经过第二π/2相移器18-2后进入数据采集模块19(设经过第二π/2相移器18-2的电压信号为V₂₂)，则待测放大器y方向的相位噪声表示为：

由以上分析可得,整个放大器相位噪声测量方法避免了偏振态、振幅比等因素对放大器相位噪声测量的影响。由分析可得：通过获取数据采集模块19采集的四路信号(V₁₁、V₁₂、V₂₁、和V₂₂)，便可以获取待测放大器7的相位噪声。获得了相位噪声后，便可以对其幅度和噪声谱分布等特性进行详细的分析。

本系统的具体实施过程如下：

激光振荡器1输出的激光束首先通过分束器2分为两束，其中一路光束作为相位噪声测量的参考光束(设其相位噪声的幅度和噪声谱密度相对于所测放大器的相位噪声幅度和噪声谱密度可以忽略)，另一路光束首先经过相位调制器件3。通过相位调制信号发生器4给相位调制器件3施加特定频率的调制信号，便可以对入射到相位调制器件3上的光束进行特定频率的标定；经过特定频率标定后的光束入射到光程调节装置5，随后注入到待测激光放大器7中。当待测放大器输出光谱不是严格单频(宽谱或窄线宽)时，通过光程调节装置控制器6对光程调节装置5进行精确控制，便可以有效补偿参与合成的两路光束之间的光程差，实现最好的相干效果；而对于单频放大器的相位噪声测量，光程调节装置5和光程调节装置控制器6可以在实际方案设计中去掉。待测激光放大器7放大后的光束经过第一激光准直系统8-1准直后输出。放大准直后的光束经过高反镜9后，大部分光束进入功率接受器10，小部分光束经过全反镜11反射后入射到第一偏振旋转器12-1。参考光束通过第二激光准直系统8-2后入射到第二偏振旋转器12-2。入射到第一偏振旋转器12-1和第二偏振旋转器12-2的两路光束经过偏振态的适当调整后入射到偏振合束器13。对于偏振光或部分偏振光而言，通过调节第一偏振旋转器12-1和第二偏振旋转器12-2，可以达到调节测量链路光束和参考光束在偏振合束器13上透射和反射的光束功率比例；而对于完全非偏振光束，第一偏振旋转器12-1和第二偏振旋转器12-2可以在实际测量系统设计中去掉。放大链路的寻常光(o光)和参考链路的非寻常光(e光)在偏振合束器13上进行合束后经过端口1入射到第一起偏器14-1上。同理，放大链路的非寻常光(e光)和参考链路的寻常光(o光)在偏振合束器13上进行合束后经过端口2入射到第二起偏器14-2上。

经过第一起偏器14-1的合成光束注入到第一光电探测器15-1，第一光电探测器15-1将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第一相位解调系统16-1进行信号解调，第一相位解调系统16-1对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第一3dB电学分束器17-1分为两路，其中一路电信号经过第一π/2相移器18-1后输入到数据采集模块19，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块19。同理，经过第二起偏器14-2的合成光束注入到第二光电探测器15-2，第二光电探测器15-2将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第二相位解调系统16-2进行信号解调，第二相位解调系统16-2对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第二3dB电学分束器17-2分为两路，其中一路电信号经过第二π/2相移器18-2后输入到数据采集模块19，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块19。数据采集模块19采集后的电学信号经过处理便可以得到待测放大器7的相位噪声。获得了相位噪声后，便可以对其幅度和噪声谱分布等特性进行详细的分析和研究。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (10)

1.一种激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于；包括主振荡器、光学分束器、相位调制器件、相位调制信号发生器、光程调节装置、光程调节装置控制器、待测激光放大器、激光准直系统、高反镜、功率接收器、全反镜、偏振旋转器、偏振合束器、起偏器、光电探测器、相位解调系统、3dB电学分束器、π/2相移器和数据采集模块；相位调制器件上连接有相位调制信号发生器，相位调制信号发生器用来给相位调制器件施加所需频率的调制信号，光程调节装置上连接有光程调节装置控制器，光程调节装置控制器对光程调节装置进行精确控制；

激光振荡器输出的光束通过光学分束器后分为两束，其中一路光束作为参考光束，另一路光束经过相位调制器件和光程调节装置后注入到待测激光放大器中；待测激光放大器放大后的光束经过第一激光准直系统准直后输出；放大准直后的光束经过高反镜后，大部分光束进入功率接受器，小部分光束经过全反镜反射后入射到第一偏振旋转器；参考光束通过第二激光准直系统后入射到第二偏振旋转器；经过第一偏振旋转器和第二偏振旋转器后的光束在偏振合束器上进行合成；放大链路的寻常光o光和参考链路的非寻常光e光在偏振合束器上进行合束后经过端口1入射到第一起偏器上；放大链路的非寻常光e光和参考链路的寻常光o光在偏振合束器上进行合束后经过端口2入射到第二起偏器上；

经过第一起偏器的合成光束注入到第一光电探测器，第一光电探测器将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第一相位解调系统进行信号解调，第一相位解调系统对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第一3dB电学分束器分为两路，其中一路电信号经过第一π/2相移器后输入到数据采集模块，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块；同理，经过第二起偏器的合成光束注入到第二光电探测器，第二光电探测器将接受到的光信号转变为电信号，随后输入到第二相位解调系统进行信号解调，第二相位解调系统对采集到的电信号进行解调，得到包含待测放大器相位噪声信息的电学信号；解调后的电学信号经过第二3dB电学分束器分为两路，其中一路电信号经过第二π/2相移器后输入到数据采集模块，而另一路分束电信号直接输入到数据采集模块。

2.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：所述的主振荡器为激光种子源，激光种子源的类型是固体激光器、气体激光器或者光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：光学分束器是全光纤分束器或空间分束器。

4.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：相位调制器件是电光调制器或声光调制器。

5.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：光程调节装置是基于电机控制的光程调节装置或者基于压电陶瓷结构的光程调节装置。

6.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：待测激光放大器是需要进行相位噪声测量的放大链路，待测激光放大器的类型是气体激光放大器、固体激光放大器或光纤激光放大器。

7.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：全反镜是对放大器输出波长具有全反射能力的反射器件，全反镜的构成材料是石英材料或者K9材料。

8.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：偏振合束器是偏振合束片或格兰棱镜；所述的偏振合束器的材质是石英、K9、钒酸钇、方解石或偏硼酸钡。

9.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：起偏器是单个偏振片、半波片和偏振分光器件的组合或者带旋转平台的布鲁斯特窗；起偏器的材质是石英材料或者K9材料。

10.根据权利要求1所述的激光放大器相位噪声测量系统，其特征在于：所述的相位调制信号发生器是具备特征频率信号产生的信号源，其产生信号的特征频率在相位调制器件的响应带宽范围内。