CN110262091B - 激光束横向倾角位移电光调制器及倾角位移产生测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光束横向倾角位移电光调制器及倾角位移产生测量装置，电光晶体施加电压，折射率随电压变化，入射楔形晶体的光束在晶体与空气之间发生折射，折射角随折射率发生变化，实现电压控制的光束横向倾角调制。经过透镜傅里叶转换系统，倾角调制转换成位移调制。联合两个楔角晶体，实现倾角和位移的同时调制。此外，加入另一块相位补偿晶体来消除多余相位调制，产生高纯度倾角和位移调制。本发明具有以下优点：（1）调制纯度高。传统倾角（位移）调制器通常会产生多余的位移（倾角）调制。（2）调制频带宽。传统调制器的频带较窄，例如压电陶瓷频带最高在几百kHz，而本发明基于晶体的电光效应，带宽可以从0Hz到几十GHz范围。

Description

激光束横向倾角位移电光调制器及倾角位移产生测量装置

技术领域

本发明涉及激光精密测量与量子测量领域的调制装置，具体说是一种激光束横向倾角与位移电光调制器和一种激光束横向倾角和位移产生与测量装置。

背景技术

电光调制器是光学领域极为重要和常见的调制装置，例如相位和振幅调制器等。在光学精密测量中，通常对调制器的调制纯度有较高的要求。对于激光横向倾角与位移测量，由于测量精度达到了纳弧度和埃即10^-10米，对调制器的纯度要求很高。

目前最常用的调制方式是压电陶瓷。2002年，Treps等人利用非经典多模压缩光超越了位移测量的标准量子极限；2003年，N. Treps等人制造了一种量子激光指针，最小可测量从2.3 Å提高到1.6 Å；2006年，V. Delaubert等人提出TEM10模的平衡零拍探测方法，与分束探测相比，提高了位移测量效率；2008年，K. Wagner等人在实验上产生了空间纠缠，证实了宏观位置和动量的量子纠缠的存在；2014年，山西大学孙恒信等人利用高阶模式提高了位移测量的精度。以上实验除了第一篇文章采用了晶体外，其他都利用压电陶瓷，由于陶瓷的机械结构通常很难实现各向同性，因此调制纯度不高，例如第三篇中直接给压电陶瓷加入电压，测到了10%的位移和90%的倾角。此外，压电陶瓷的调制带宽也有限，最高也就几百kHz。第一篇文章使用了一个长晶体倾斜放置进行位移调制，并采用了相位补偿，但晶体太长引入很大相位噪声，因此相位补偿的难度较高，而且晶体倾斜放置增加了实验的调节难度，而且尺寸太大难以小型化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯度、高带宽且方便调节的激光束横向倾角与位移调制器。

本发明设计的一种激光束横向倾角与位移电光调制器，包括第一楔形电光调制晶体、第二楔形电光调制晶体、设置于第一楔形电光调制晶体与第二楔形电光调制晶体之间的变换透镜、设置于第一楔形电光调制晶体相对变换透镜另一侧的相位补偿晶体以及第一信号源、第二信号源和第三信号源；设置一基模激光束，光束依次经过相位补偿晶体、第一楔形电光调制晶体、变换透镜、第二楔形电光调制晶体；变换透镜与第一楔形电光调制晶体、第二楔形电光调制晶体的距离均设置为透镜焦距，以组成傅里叶变换系统；第一信号源、第二信号源和第三信号源用以产生正弦信号并实现频率同步，分别加载到第一楔形电光调制晶体、第二楔形电光调制晶体和相位补偿晶体，以调节信号相位；第一楔形电光调制晶体、第二楔形电光调制晶体的侧面镀有金属膜，利用导电胶将其一侧粘接在铺有电路的PCB板上，另一侧用导电胶与PCB板的电路相连。

本发明设计的一种激光束横向倾角与位移产生与测量装置，包括如前述技术方案所述的激光束横向倾角与位移电光调制器，还包括激光器、模式转换器、平衡零拍探测器、示波器及本地光相位监视系统；激光器输出基模激光束分为两部分，使一部分基模激光束进入激光束横向倾角与位移调制器，另一部分基模激光束经过模式转换器转换成厄米高斯模HG10作为本地光；基模激光束经激光束横向倾角与位移电光调制器调制后形成的探针光和本地光进入平衡零拍探测器，其差电流经过解调进入到示波器；平衡零拍探测器的一臂透过99/1的分束器进入本地光相位监视系统。

其中，本地光相位监视系统包括4F成像装置和示波器；其中，4F成像装置中包含第一透镜、第二透镜以及分束探测器；分束探测器的两部分的差电流信号输入到示波器，同时所述平衡零拍探测器的位移倾角信号也输入到示波器。

本发明设计的倾角和位移调制器与已报道的位移和倾角调制器相比具有调制纯度高、调制频带宽、可小型化封装以及造价低等优点。

1、本发明采用了楔形电光调制晶体为调制单元，利用晶体的电光折射率变化产生在晶体处倾角调制，由于通光部分的晶体薄，不容易产生多余的位移调制，相比传统压电陶瓷调制器纯度更高。

2、由于电光晶体本身调制频带很宽，从0赫兹到几十G赫兹，所以可实现宽频带的倾角和位移调制。

3、本发明设计的调制器由很小尺寸的单元组成，单个晶体的尺寸在1立方厘米以内，通过方向尺寸可以控制在在2到5毫米范围，占用空间小，可实现小型化封装，具有较好的应用前景。

4、本发明设计的调制器采用技术相对成熟的电光晶体，造价低可批量生产。

总之，本发明设计的倾角和位移调制器具有调制纯度高、频带宽、易于集成、造价低等优点，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的倾角和位移调制器原理图

图2是本发明的倾角和位移调制器的测试光路图

图3是本发明的倾角和位移调制器的相位监视原理图

图4是相位补偿效果图

图5是倾角测量结果图

图6是位移测量结果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如图1所示，本发明是提供了一种激光束横向倾角与位移电光调制器2，包括第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7、设置于第一楔形电光调制晶体5与第二楔形电光调制晶体7之间的变换透镜6、设置于第一楔形电光调制晶体5相对变换透镜6另一侧的相位补偿晶体8以及第一信号源9、第二信号源10和第三信号源11；设置一基模激光束17，光束依次经过相位补偿晶体8、第一楔形电光调制晶体5、变换透镜6、第二楔形电光调制晶体7；变换透镜6与第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7的距离均设置为透镜焦距，以组成傅里叶变换系统；第一信号源9、第二信号源10和第三信号源11用以产生正弦信号并实现频率同步，分别加载到第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7和相位补偿晶体8，以调节信号相位；第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7的侧面镀有金属膜，利用导电胶将其一侧粘接在铺有电路的PCB板上，另一侧用导电胶与PCB板的电路相连。

其中，第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7的通光方向的两个表面之间设置小于10度的楔角，可近似认为经过的激光束没有发生像散，即楔形电光调制晶体不会降低光束质量，楔形电光调制晶体的侧面镀有金属膜，用于加载电压；相位补偿晶体8与第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7的材质相同，但通光方向的两个表面平行，且侧面镀有金属膜用于加载电压。

图1是本发明的原理图，作为探针激光的基模激光束17经过第一楔形电光调制晶体5，第一楔形电光调制晶体5上加载了由第一信号源9产生的正弦电压信号，从而基模激光束17受到正弦信号的电压驱动而产生光束倾角调制，而后基模激光束17又经过傅里叶变换透镜6，在傅里叶变换平面，即第二楔形电光调制晶体7处，原倾角调制变换成位移调制，同时，第二楔形电光调制晶体7上加载有第二信号源10产生的正弦信号，从而在第二楔形电光调制晶体7处产生了倾角调制。于是，第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7可以在同一位置，即第二楔形电光调制晶体7处同时产生了位移和倾角调制。与此同时，第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7必然产生多余的相位调制，这部分相位调制由相位补偿晶体8来补偿，相位补偿晶体8上加载有第三信号源11产生的正弦信号。信号源9、10和11的频率相同，调节第三信号源11的相位，使其满足正好补偿掉第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7产生的相位调制。

第一楔形电光调制晶体5、第二楔形电光调制晶体7和相位补偿晶体8上分别加载正弦信号，三个正弦信号实现同步以实现相同频率，并通过相位锁定实现相位补偿以实现零相位调制；第一楔形电光调制晶体5产生的倾角调制经过傅里叶透镜变换在第二楔形电光调制晶体7处产生位移调制，同时第二楔形电光调制晶体7本身产生倾角调制，最终在第二楔形电光调制晶体7处实现位移和倾角调制。

如图2所示，本发明设计了一种激光束横向倾角与位移产生与测量装置，包括如前述技术方案所述的激光束横向倾角与位移电光调制器2，还包括激光器1、模式转换器12、平衡零拍探测器3、示波器13及本地光相位监视系统22；激光器1输出基模激光束分为两部分，使一部分激光束17作为探针光进入激光束横向倾角与位移调制器2，另一部分激光束18经过模式转换器12转换成厄米高斯模HG10作为本地光19；一部分激光束17经激光束横向倾角与位移电光调制器2调制后形成的探针光20和本地光19进入平衡零拍探测器3，其差电流经过解调进入到示波器13；平衡零拍探测器3的一臂透过99/1的分束器21进入本地光相位监视系统22。

其中，本地光相位监视系统22包括4F成像装置4和示波器13；其中，4F成像装置4中包含透镜14、15以及分束探测器16；分束探测器16的两部分的差电流信号输入到示波器13，同时所述平衡零拍探测器3的位移倾角信号也输入到示波器13。

图2是本发明的倾角和位移调制器的测试光路。激光器1输出基模高斯光束，分束后的一部分基模激光束17作为探测的探针光，另一部分基模激光束18经过模式转换腔12转换成TEM10模式激光作为探测的本地光19。基模激光束17经过倾角与位移电光调制器2后变成携带有倾角和位移调制的探针光20，探针光20与本地光19同时进入平衡零拍探测器3。为监视本地光19与探针光20的相对相位，采用了本地光监视系统22，它包括4F成像装置4和示波器13，在进行倾角位移测量前，首先利用基模光束校准相位补偿晶体8上加载的电压。调节模式转换腔12使其输出TEM10模式激光作为本地光19，然后打开第一信号源9和第二信号源10，只给第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7加入调制电压，此时平衡零拍测量结果为第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7上产生的相位调制，观察相位调制的幅度。然后关闭第一信号源9和第二信号源10，打开第三信号源11，即只给相位补偿晶体8加入调制电压，观察平衡零拍的相位测量结果，调节调制信号的幅度，使相位调制幅度与第一楔形电光调制晶体5和第二楔形电光调制晶体7产生的相位调制幅度相等。然后打开信号源9、10和11，并调节第三信号源11的相位，使平衡零拍的相位测量结果为0，此时三个调制晶体产生的总相位调制为0，从而实现了相位补偿。然后开始测量倾角和位移，调节模式转换腔12使其输出TEM10模式激光，此时平衡零拍测量结果为倾角和位移。

图3为4F成像装置4，包含第一透镜14、第二透镜15以及分束探测器16。其中，第一透镜14和第二透镜15的焦距相等。第一透镜14与第二楔形电光调制晶体7之间的距离为焦距，第二透镜15距离第一透镜14为二倍焦距，分束探测器16距离第二透镜15为透镜焦距。分束探测器16平面是第二楔形电光调制晶体7的像平面，因此本地光19与探针光20在第二楔形电光调制晶体7处的干涉图样成像在分束探测器16上，从而可以监视由干涉图样所代表的本地光19与探针光20的相对相位。

图4为相位补偿结果。其中，横轴为扫描相位的时间，纵轴为噪声功率。浅色线为没有进行相位补偿的结果，深色线为相位补偿后的结果。对比浅色线和深色线可知，相位噪声得到了有效补偿。

图5为倾角测量结果。下侧线为频谱仪上采集的倾角信号随着本地光19相位扫描时间的变化，并将其数据传到示波器13上实时监视。上侧线为4F成像装置4采集的本地光19相位监视信号。可以看出，倾角信号出现在π/2相位处，与理论预期吻合，同时也说明测到了一个纯倾角调制信号。

图6是位移测量结果。下侧线为频谱仪上采集的位移信号随着本地光19相位扫描时间的变化，并将其数据传到示波器13上实时监视。上侧线为4F成像装置4采集的本地光19相位监视信号。可以看出，位移信号出现在相位为0处，与理论预期吻合，同时也说明测到了一个纯位移调制信号。

Claims (3)

1.一种激光束横向倾角与位移电光调制器(2)，其特征在于，包括第一楔形电光调制晶体(5)、第二楔形电光调制晶体(7)、设置于第一楔形电光调制晶体(5)与第二楔形电光调制晶体(7)之间的变换透镜(6)、设置于第一楔形电光调制晶体(5)相对变换透镜(6)另一侧的相位补偿晶体(8)以及第一信号源(9)、第二信号源(10)和第三信号源(11)；设置一基模激光束(17)，光束依次经过相位补偿晶体(8)、第一楔形电光调制晶体(5)、变换透镜(6)、第二楔形电光调制晶体(7)；变换透镜(6)与第一楔形电光调制晶体(5)、第二楔形电光调制晶体(7)的距离均设置为透镜焦距，以组成傅里叶变换系统；第一信号源(9)、第二信号源(10)和第三信号源(11)用以产生正弦信号并实现频率同步，分别加载到第一楔形电光调制晶体(5)、第二楔形电光调制晶体(7)和相位补偿晶体(8)，以调节信号相位；第一楔形电光调制晶体(5)和第二楔形电光调制晶体(7)的通光方向的两个表面之间设置小于10度的楔角，以使经过的激光束没有发生像散，即楔形电光调制晶体不会降低光束质量；第一楔形电光调制晶体(5)、第二楔形电光调制晶体(7)的侧面镀有金属膜，利用导电胶将其一侧粘接在铺有电路的PCB板上，另一侧用导电胶与PCB板的电路相连。

2.一种激光束横向倾角和位移产生与测量装置，包括如权利要求1所述的激光束横向倾角与位移电光调制器(2)，其特征在于，还包括激光器(1)、模式转换器(12)、平衡零拍探测器(3)、示波器(13)及本地光相位监视系统(22)；激光器(1)输出基模激光束分为两部分，使一部分基模激光束(17)进入激光束横向倾角与位移调制器(2)，另一部分基模激光束(18)经过模式转换器(12)转换成厄米高斯模HG10作为本地光(19)；基模激光束(17)经激光束横向倾角与位移电光调制器(2)调制后形成的探针光(20)和本地光(19)进入平衡零拍探测器(3)，其差电流经过解调进入到示波器(13)；平衡零拍探测器(3)的一臂透过99/1的分束器(21)进入本地光相位监视系统(22)。

3.根据权利要求2所述的激光束横向倾角和位移产生与测量装置，其特征在于，所述本地光相位监视系统(22)包括4F成像装置(4)和示波器(13)；其中，4F成像装置(4)中包含第一透镜(14)、第二透镜(15)以及分束探测器(16)；分束探测器(16)的两部分的差电流信号输入到示波器(13)，同时所述平衡零拍探测器(3)的位移倾角信号也输入到示波器(13)。

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