CN105576495B - 基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置 - Google Patents

基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置，涉及激光稳频技术领域。本装置是：激光器、起偏器、电光晶体、检偏器和偏振分光棱镜依次排列组成光路部分；信号源、铜箔、电光晶体、铜块、热电制冷片和热沉依次连接组成电光相位调制部分；信号源、移相器和混频器的本地端依次连接获得解调所需的本地振荡信号；偏振分光棱镜的垂直偏振光、光电探测器和混频器的射频端依次连通获得射频信号；混频器的中频端和数字万用表连接获得剩余幅度调制信号；所述的电光晶体为一种有楔角的铌酸锂晶体，通光面与光轴方向成75度夹角。本装置结构简单，稳定性高，易于实现，可应用于高稳定激光、激光干涉、引力波观测、激光光谱学和光频标等精密测量领域。

Description

基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，尤其涉及一种基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置。
背景技术
在采用高稳定激光精密测量的研究和技术应用中，比如光谱学、光频标和引力波观测这一类精密测量研究中，相位调制和光电探测是最常用的高灵敏度光电探测技术。而电光相位调制是相位调制中最常用的手段之一。而许多物理效应和环境因素的改变都不可避免地在电光相位调制过程中产生剩余幅度调制，进而影响测量的稳定性和准确度。例如在频率调制光谱中，剩余幅度调制效应会造成光谱线型畸变，降低光谱测量的灵敏度；在激光干涉仪中剩余幅度调制的波动会直接降低测量的稳定性。
降低剩余幅度调制的手段主要分为两类：被动地稳定剩余幅度调制和对其进行主动控制。被动的方式一般会通过稳定电光相位调制器乃至整个系统所处的环境参数如温度、气压等，降低气流、振动和声音对系统光路指向的影响。但是对较高灵敏度的探测来说，目前采用的被动方式一般很难满足要求。于是，为了降低剩余幅度调制对测量精度的影响，也会在被动稳定的同时结合主动反馈控制的方式。然而主动控制需要额外加入光学或者电学元件以实现反馈控制，这种方式必然会增加整个测量系统的复杂程度，降低系统的可靠性，不适合小型化应用。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置。要求有效抑制剩余幅度调制，且结构简单、易于实现，对环境因素的影响也不敏感。
本发明的目的是这样实现的：
采用通光面具有楔角的电光晶体，通过对电光晶体控温被动地稳定相位调制过程中产生的剩余幅度调制；这种有楔角的电光晶体能将晶体双折射产生的水平偏振光（o光）和垂直偏振光（e光）从空间上分开，从而大幅度消减双折射引入的剩余幅度调制，而且由于电光晶体前后两个通光面做出了较大的楔角，能够有效避免电光晶体自身引入的寄生标准具效应，这种寄生标准具效应也是剩余幅度调制的主要来源之一。
具体地说，本装置的结构是：
激光器、起偏器、电光晶体、检偏器和偏振分光棱镜依次排列组成光路部分；
信号源、铜箔、电光晶体、铜块、热电制冷片和热沉依次连接组成电光相位调制部分；
信号源、移相器和混频器的本地端依次连接获得解调所需的本地振荡信号；
偏振分光棱镜的垂直偏振光、光电探测器和混频器的射频端依次连通获得射频信号；
混频器的中频端和数字万用表连接获得剩余幅度调制信号；
所述的电光晶体为一种有楔角的铌酸锂晶体，通光面与光轴方向成75度夹角。
本发明具有以下优点和积极效果：
①结构简单，对电光晶体的加工要求容易实现；
②不需要额外增加反馈控制环路，电路系统简单；
③利用两块反射镜让出射光的方向相对于入射光的方向不发生改变，使得光路变得紧凑；
④电光晶体前后两个通光面做出了较大的楔角，使得从电光出射的o光和e光在空间上分开的角度较大；
⑤电光晶体的这种有楔角的设计，能够有效避免电光晶体自身引入的寄生标准具效应；
⑥该装置及其工作原理具有普遍适用性，可用于其它类型的电光相位调制器。
总之，本装置结构简单，稳定性高，易于实现，可应用于高稳定激光、激光干涉、引力波观测、激光光谱学和光频标等精密测量领域。
附图说明
图1是本装置的结构方框图，
图中：
00—光源及光路，
01—激光器，02—起偏器， 03—检偏器，04—偏振分光棱镜；
10—电光相位调制模块，
11—铜箔， 12—电光晶体，13—铜块， 14—热电制冷片，
15—热沉， 16—信号源；
20—探测模块，
21—光电探测器，22—混频器，23—移相器，24—数字万用表。
图2是电光晶体的俯视图和折叠光路示意图，
图中给出了光斜入射到电光晶体后的轨迹；
图3是90度相位解调情况下剩余幅度调制稳定度的对数坐标图（以阿伦偏差表示）；
横坐标：平均时间（秒），纵坐标：剩余幅度调制稳定度；
曲线1：没有楔角的电光晶体在光垂直入射情况下剩余幅度调制的稳定度，
曲线2：没有楔角的电光晶体在光垂直入射并且主动控制打开情况下剩余
幅度调制的稳定度，
曲线3：有楔角的电光晶体在光斜入射并且只探测e光情况下剩余幅度调制的稳定度，
曲线4：没有光情况下装置的噪声本底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本装置详细说明：
一、装置的结构
1、总体
如图1，本装置包括光源及光路00、电光相位调制模块10和探测模块20；
光源及光路00包括激光器01、起偏器02、检偏器03和偏振分光棱镜04；
电光相位调制模块10包括铜箔11、电光晶体12、铜块13、热电制冷片14、热沉15和信号源16；
探测模块20包括光电探测器21、混频器22、移相器23和数字万用表24；
其位置和连接关系是：
激光器01、起偏器02、电光晶体12、检偏器03和偏振分光棱镜04依次排列组成光路部分；
信号源16、铜箔11、电光晶体12、铜块13、热电制冷片14和热沉15依次连接组成电光相位调制部分（电光晶体12用环氧胶粘在铜块13上面，铜块13、热电制冷片14和热沉15依次层叠放置，铜块13和热电制冷片14、热电制冷片14和热沉之间的缝隙使用导热硅脂填充）；
信号源16、移相器23和混频器22的本地端依次连接获得解调所需的本地振荡信号；
偏振分光棱镜04的垂直偏振光、光电探测器21和混频器22的射频端依次连通获得射频信号；
混频器22的中频端和数字万用表24连接获得剩余幅度调制信号。
2、功能部件
0）光源及光路00
（1）激光器01
激光器01是一种通用器件，如Nd-YAG激光器。
（2）起偏器02
起偏器02为一种格兰泰勒棱镜，用于过滤透过光束的偏振态，使透过光束为线偏振光，本装置中透过光束的偏振方向与电光晶体12的主轴夹角为2～3°。
（3）检偏器03
检偏器03和起偏器02为相同结构，是检验偏振光的光学器件。
（4）偏振分光棱镜04
偏振分光棱镜04是一种通用器件，由两块直角棱镜组成；将入射的非偏振光分成两束相互垂直且高纯度的线偏振光。
1）电光相位调制模块10
（1）铜箔11、电光晶体12和铜块13
铜箔11、电光晶体12和铜块13依次连接组成电光相位调制器。
所述的电光晶体12为一种有楔角的铌酸锂晶体，通光面与光轴方向成75度夹角；
晶体尺寸为：长×宽×高=32mm×5mm×3mm，沿光轴方向切割，通光面与光轴方向成75度夹角，当它被信号源16驱动后可对通过的光场进行相位调制。
（2）热电制冷片14
热电制冷片14是一种通用的TEC。
（3）热沉15
热沉15是一种铝块，做为温控的恒温热源，降低温度波动。
（4）信号源16
信号源16选用射频信号发生器。
2）探测模块20
（1）光电探测器21
光电探测器21是通用的光电转换电路，其响应带宽大于相位调制的频率。
（2）混频器22
混频器22为一种通用的无源混频器，如选用SRA-1-1，本地端口输入功率为0dBm，电压转换系数为0.8。
（3）移相器23
移相器23是一种通用的有源移相电路，延迟相位可以在0度-180度之间连续调整。
（4）数字万用表24
数字万用表24是一种通用的测量电压的仪表。
3、工作原理
1）光路部分
如图1，光路部分由激光器01发出的一束激光（A）通过起偏器02后（B）进入电光晶体12，信号源16驱动电光晶体12并且对通过的光场进行相位调制，然后光束（e）经过检偏器03和偏振分光棱镜04将调制后的光分成两路，透过光（C）用于采用相位调制的光电检测应用，反射光（D）用于剩余幅度调制的探测。
如图2，在电光晶体12中传播的光有两个相互垂直的偏振态，分别称为o光和e光，而这两路光之间的干涉是产生剩余幅度调制的主要原因；而这里采用的通光面具有楔角的电光晶体12，使得o光和e光在空间上分开，避免了二者之间的相互作用，能把双折射效应导致的剩余幅度调制降到最低。
2、剩余幅度调制探测部分
剩余幅度调制探测部分是利用光电探测器21探测偏振分光棱镜04出来的反射光（D），将光信号转化为电信号并与混频器22的射频端相连，再利用混频器22对其进行解调，其中解调的本地振荡由信号源16经过移相器23移相后的信号提供；最后混频器22中频端输出用于检测剩余幅度调制的信号。
二、实际测量所得到的结果如下：
图3显示了使用本发明的方案后，有楔角的电光晶体剩余幅度调制的稳定度，也对比了没有楔角电光晶体主动控制前后和有楔角电光晶体的剩余幅度调制的稳定度。
由下述的各曲线可知：
曲线2的剩余幅度调制稳定度优于曲线1的剩余幅度调制稳定度；
曲线3的剩余幅度调制稳定度优于曲线2的剩余幅度调制稳定度；
曲线3的剩余幅度调制稳定度已经接近曲线4的剩余幅度调制稳定度。
在平均时间1s～1000s的范围内，有楔角的晶体剩余幅度调制稳定度比没有楔角晶体主动控制打开情况下的稳定度要高，尤其在平均时间1s～50s的范围内，有楔角的晶体剩余幅度调制稳定度已经接近没有光情况下装置的噪声本底。

Claims (1)

1.一种基于楔角电光晶体的剩余幅度调制稳定装置，其特征在于：
激光器（01）、起偏器（02）、电光晶体（12）、检偏器（03）和偏振分光棱镜（04）依次排列组成光路部分；
信号源（16）、铜箔（11）、电光晶体（12）、铜块（13）、热电制冷片（14）和热沉（15）依次连接组成电光相位调制部分；
信号源（16）、移相器（23）和混频器（22）的本地端依次连接获得解调所需的本地振荡信号；
偏振分光棱镜（04）的垂直偏振光、光电探测器（21）和混频器（22）的射频端依次连通获得射频信号；
混频器（22）的中频端和数字万用表（24）连接获得剩余幅度调制信号；
所述的电光晶体（12）为一种有楔角的铌酸锂晶体，通光面与光轴方向成75度夹角。
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