CN107065234B - 一种降低剩余振幅调制的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了降低剩余振幅调制的装置。该装置包括一个三晶串联的电光调制装置，所述三个晶体分别为第一立方晶体、中间晶体和第二立方晶体；所述中间晶体为电光调制晶体，所述的中间晶体与所述高频信号源模块相连，所述中间晶体规格为Xmm×Ymm×dmm；所述第一立方晶体和第二立方晶体串联在中间晶体的X轴方向两端，所述第一立方晶体和第二立方晶体的相对介电常数与中间晶体的相对介电常数相等，所述第一立方晶体和第二立方晶体规格为d/2mm×Ymm×dmm。

Description

一种降低剩余振幅调制的装置
技术领域
本发明涉及调制技术，特别是一种电光调制装置。
背景技术
压缩态光场是引力波探测、光学精密测量、量子信息等方面研究的重要量子资源。在压缩态光场的实验制备系统中，伺服控制系统的性能是获得高性能压缩态光场的关键技术。然而在基于电光相位调制的反馈控制系统中，电光相位调制过程不可避免的会引入剩余振幅调制，使得边带频率锁定PDH的误差信号的零基线随时间漂移，影响反馈控制系统的性能。OPO(optical parametric oscillator)腔的频率失谐会使压缩角旋转，相位锁定点的漂移会使反压缩分量混合到压缩分量中，不利于量子噪声的减小。
在PDH锁定系统中，电光相位调制器是一种被广泛应用的光调制器，由于电光晶体的电光效应，即在外加电场的作用下，电光晶体的各向折射率分布会发生变化，所以可以利用电光相位调制器对光波的相位进行调制，利用两调制边带的幅度相等、位相相反的特性，以获得鉴频信号的谱线而将光学腔长以及相对位相锁定在该谱线的中心过零点处，实现光学腔长以及相对位相的稳定。从实验中发现，激光经电光相位调制后，在产生相位调制的同时还出现了剩余振幅调制(Residual Amplitude Modulation，RAM)，表现为调制光的正、负一级边带不是完全的等幅反相，而且这种边带的不对称性还会随着环境和实验条件的变化而发生变化。在锁定系统中，理论计算和实验结果表明：剩余振幅调制的存在会使作为鉴频信号的谱线的中心零点发生偏移，从而影响控制和锁定的精度，导致光学腔和相对位相的锁定点由于剩余振幅调制的存在而产生一定的误差。受剩余振幅调制的影响，锁定环路的漂移增大，不利于系统的稳定工作。除此之外，在光场的精密控制中，理论计算和实验结果表明：剩余幅度调制的存在会使作为鉴频信号的谱线中心零点的频率发生偏移，从而影响测量和控制的精度；在精密激光光谱中，分子光谱谱线的拟合也会由于剩余幅度调制的存在而产生一定的误差。受残余振幅调制的影响，使频率锁定环路的漂移增大，不利于系统的稳定工作。随着实验条件的改善和实验要求的进一步提高，这种因剩余幅度调制而引起的影响受到人们的重视。
引起剩余振幅调制的主要原因有双折射效应和标准具效应、电场分布不均匀、射频功率抖动和激光频率抖动等原因。本发明主要围绕减小相位调制中的剩余振幅调制的相关技术开展理论和实验研究，主要研究电光调制晶体的电场分布对剩余振幅调制的影响，计算电光调制晶体边缘效应的影响范围并尽量加大电光调制晶体的均匀电场的体积，提出了一种减小剩余振幅调制的电光调制装置，包括电光调制晶体、高频信号源模块，激光通过所述的组合调制晶体，调制晶体与高频信号源连接，高频信号源发出正弦波信号，使经过相位调制的激光产生调制光，从而可以使激光通过电光调制晶体的均匀电场，从而减小剩余振幅调制，改善反馈控制系统的性能，有利于获得高压缩度、稳定运转的压缩态光场。
在现有技术中的研究表明，引起剩余振幅调制的主要原因是晶体的双折射效应和标准具效应，并大多通过改变加在电光晶体上的电压以改变晶体内部电场的分布来抑制剩余幅度调制，但实际上晶体本身对其内部电场的分布就有影响，然而之前并没有考虑过电光调制晶体本身的电场分布是否对剩余振幅调制造成影响。
发明内容
本发明主要围绕减小相位调制中的剩余振幅调制的相关技术开展理论和实验研究，主要研究电光调制晶体的电场分布对剩余振幅调制的影响，计算电光调制晶体边缘效应的影响范围并尽量加大电光调制晶体的均匀电场的体积，提出了一种减小剩余振幅调制的电光调制装置，从而可以使激光尽可能的通过电光调制晶体的均匀电场，从而减小剩余振幅调制，改善反馈控制系统的性能，有利于获得高压缩度、稳定运转的压缩态光场。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种降低剩余振幅调制的装置，入射光平行于Y轴，外加电场的方向平行于d轴，调制光为出射光，出射光方向平行于Y轴，该装置包括高频信号源模块，其特征在于，还包括一个三晶串联的电光调制装置，所述三晶串联的电光调制装置由三个晶体串联，所述三个晶体分别为第一立方晶体、中间晶体和第二立方晶体；所述中间晶体为电光调制晶体，所述的中间晶体与所述高频信号源模块相连，所述中间晶体规格为Xmm×Ymm×dmm；所述第一立方晶体和第二立方晶体串联在中间晶体的X轴方向两端，所述第一立方晶体和第二立方晶体的相对介电常数与中间晶体的相对介电常数相等，所述第一立方晶体和第二立方晶体规格为d/2mm×Ymm×dmm。
进一步地，所述中间晶体为锂酸铌晶体，所述第一立方晶体和第二立方晶体的相对介电常数为50。
进一步地，所述中间晶体规格为4mm×40mm×3mm，所述第一立方晶体和第二立方晶体规格为1.5mm×40mm×3mm。
附图说明
图1为本发明一种降低剩余振幅调制的装置的简易结构图。
图2为本发明中间晶体Xd面上半个“无限大”方形平行板电容器截面图。
图3为本发明三晶串联的电光调制装置结构图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
图1为一种降低剩余振幅调制的装置的简易结构图，激光通过所述的三晶串联的电光调制装置，电光调制装置与高频信号源连接，高频信号源发出正弦波信号，使经过相位调制的激光产生两个等振幅、位相相反的边频，以获得鉴频信号的谱线而将光学腔长以及相对位相锁定在该谱线的中心过零点处，实现光学腔长以及相对位相的稳定。然而从实验中发现，激光经电光相位调制后，在产生相位调制的同时还出现了剩余振幅调制(ResidualAmplitude Modulation，RAM)，表现为调制光的正、负一级边带不是完全的等幅反相，剩余振幅调制的存在会使作为鉴频信号的谱线的中心零点发生偏移，从而影响控制和锁定的精度，导致光学腔和相对位相的锁定点由于剩余振幅调制的存在而产生一定的误差。
在给电光晶体加外加电场时，可将电光晶体看做有限大方形平行板电容器，实验室常用的电光相位调制晶体的极板规格为4mm×40mm×3mm，即上下极板的面积为4mm×40mm，两极板间的间距为3mm，此时边缘效应的范围会比较大。当入射激光通过电光晶体的非匀强电场区域时，必然导致线型扭曲，产生剩余振幅调制。
我们首先利用Schwarz-Christoffel变换来计算在电光相位调制晶体中边缘效应的影响范围。
我们考虑Xd截面上的方形平行板电容器，板上电荷左右对称分布，因此只须分析半个平板上的电荷分布。在Xd截面上以下极板的中点为原点建立新的xy直角坐标系，则要求“无限大”平行板电容器一边的边缘效应，我们将此边位于x＝0处，且使板的中点位于x＝-∞。设电容器上板位于处，电势为V0；下板位于处，电势为-V0；定义域为-∞＜x≤0(见图2)。板上任意点的坐标均可用二维复数平面(z平面)表示出，z＝x+iy。两块“无限长”且“半无限宽”的半个平板电容器的电场空间又可以看成由虚线表示ABCDA“四角形”组成，其中AB虚线与BC虚线重合为电容器上板，CD虚线与DA虚线重合为电容器下板，板上电势V必须满足拉普拉斯方程，由复变函数提出复势W，可以认为电势V是解析函数W＝u+iv＝f(z)的虚部，式中z＝x+iy。
在顶点B,C,D偏转角分别为-π，+π，-π，由Schwarz-Christoffel变换可得z平面到平面的变换关系为
平面的平行板电容器的静电场中的电势V为即电势V可以认为是解析函数W的虚部，将此式代入(1)，有
此式的实部和虚部分别为
考察电场强度E的大小，有因由柯西-黎曼条件则有所以有把W＝u+iv代入上式，得
由式(3)知，内表面自C→B时，u→-0，外表面自A→B时，u→+0.边缘效应主要发生在边缘附近，因此u的绝对值很小，故
只取到第三项，代入(3)中，有因x本身是负的，故
以后，只关心x的绝对值，即只考虑离边缘的距离。把式(5)代入(4)中，可分别获得上极板内、外表面电场强度的分布，令为忽略边缘效应时平行板电容器极板间的电场强度分布，则有
式中x为所求点到边缘的距离，d为两个极板间的间距。
可以看到，在电容器深处，即当x→∞时，σ内→σ0，σ外→0；而在B点附近，即x→0时，σ内、σ外均趋于无穷大。由式(7)可得
表1内、外表面附近的典型数据
x/d 0 0.0001 0.01 0.5 1.0 2.0 4.0
E<sub>内</sub>/E<sub>0</sub> ∞ 28.7124 3.350 1.08878 1.0297 1.0067 1.00083
E<sub>外</sub>/E<sub>0</sub> ∞ 27.7124 2.350 0.0888 0.0297 0.00669 0.000834
由表可见，当x/d＝0.5时，边缘效应已不明显。
所以在电光相位调制器中，为了减小非匀强电场对剩余振幅调制的影响，我们需要改变晶体的尺寸，然而加大电光调制晶体的尺寸会造成材料浪费，制作成本增高等不利影响。为降低成本，我们在电光调制晶体两端添加与锂酸铌晶体的相对介电常数相同即相对介电常数为50的立方晶体，使处于中间的电光晶体恰好占据匀强电场范围，而添加材料占据边缘效应影响范围，当两者贴合属于理想情况，则此时一旦入射激光进入外加电场，经过的必然是匀强电场，从而减小剩余振幅调制。由于实验室中电光相位调制器Y轴方向上40mm远大于间距d3mm，边缘效应较小且为使激光通过电光调制晶体不能添加材料。而X轴4mm与间距d 3mm接近，为消除边缘效应，由上面理论计算可知，本发明应采用“三晶串联”结构，如图3所示，组合晶体的总尺寸为7×40×3mrn，中间晶体为锂酸铌晶体，尺寸为4×40×3mm，两端为添加的立方晶体，尺寸均为1.5×40×3mm。则此时电光晶体内部为匀强电场，从而减小剩余振幅调制，改善反馈控制系统的性能，有利于获得高压缩度、稳定运转的压缩态光场。

Claims (2)

1.一种降低剩余振幅调制的装置，入射光平行于Y轴，外加电场的方向平行于d轴，调制光为出射光，出射光方向平行于Y轴，该装置包括高频信号源模块，其特征在于，还包括一个三晶串联的电光调制装置，所述三晶串联的电光调制装置由三个晶体串联，所述三个晶体分别为第一立方晶体、中间晶体和第二立方晶体；所述中间晶体为电光调制晶体，所述的中间晶体与所述高频信号源模块相连，所述中间晶体规格为4mm×40mm×3mm；所述第一立方晶体和第二立方晶体串联在中间晶体的X轴方向两端，所述第一立方晶体和第二立方晶体的相对介电常数与中间晶体的相对介电常数相等，所述第一立方晶体和第二立方晶体规格为1.5mm×40mm×3mm；
其中，d轴、X轴和Y轴相互垂直，所述第一立方晶体和所述第二立方晶体均与所述中间晶体贴合而直接接触。
2.根据权利要求1所述的一种降低剩余振幅调制的装置，其特征在于：所述中间晶体为锂酸铌晶体，所述第一立方晶体和第二立方晶体的相对介电常数为50。
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