CN110658635A - 基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统 - Google Patents

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CN110658635A CN201910870946.6A CN201910870946A CN110658635A CN 110658635 A CN110658635 A CN 110658635A CN 201910870946 A CN201910870946 A CN 201910870946A CN 110658635 A CN110658635 A CN 110658635A
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Abstract

一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，突破了传统同频率激光偏振合成方案中不能应用外差探测的限制，采用光相位调制技术的方法，将两路光拍频相位信息转变到幅度调制，从而进行光外差偏振相位探测和线性锁相控制，实现了两路同频率激光光束的偏振合成。本发明结构简单，易于实现，能达到同频率激光的外差锁相和偏振合成，且控制带宽达到近百kHz，剩余相位噪声低于
Figure DDA0002202801310000011
以该方法为基础，稳定的偏振光束合成的路数可拓展至多路，获得极高亮度窄线宽的激光，应用于前沿科学领域。

Description

基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统
技术领域
本发明涉及一种相干偏振合成锁相控制方法，尤其是一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统。
背景技术
单频窄线宽光纤激光器由于其良好的性能，特别是相位噪声低、相干长度长、结构紧凑等优点，在引力波探测、非线性频率转换、高频精密光谱和相干光束合成等领域得到了广泛的应用。然而，激光在光纤放大和传输过程中受到受激布里渊散射等非线性效应影响，单频窄线宽激光器的输出亮度很难得到大幅度提升。
激光相干偏振合成是获得高亮度单频窄线宽线偏振激光输出的有效方法。偏振合束主要方法是利用偏振分光镜将两路正交偏振的线偏振光进行光束合束，再通过偏振锁相方法将合束激光的相位锁定，保证其相对相位差为nπ(n为整数)，使得组合光束的偏振态仍是线性偏振的，从而可以进一步进行多路级联合成。目前主动偏振合束的主动相位控制方法主要采用SPGD、LOCSET、抖动法等自适应控制算法进行锁相控制。但是基于这些算法的自适应控制系统存在收敛速度和硬件计算能力有限的问题，反馈控制的带宽较窄。
采用线性控制技术能有效提升锁相控制带宽和噪声抑制能力，而对偏振相位信息提出了较高的要求，需要实现偏振信息到电信号的线性变换，且具有较高的噪声免疫能力。由于激光偏振合束的两路激光需要完全的同频率才能合成，微小的频率差就能形成光学拍频，无法让光束合成为新的线偏振激光。因而光零差拍频探测是最直接检测合束激光的频率或相位噪声的技术，但是该技术将功率噪声叠加到相位误差信号中，容易受到单路激光功率和偏振扰动的影响，十分影响锁相性能。外差锁相则能克服上述缺点，实现稳定的锁相，但是由于合束的激光不能存在频率差，需要提出新的方案改进措施才能用于偏振光束合成。
发明内容
为解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，该系统可实现高带宽低残余相位噪声的偏振合束。
本发明采用激光相位调制转化为幅度调制的具体思路如下：首先对一路激光(参考光)进行相位调制，获得激光边带；然后利用参考光的边带与另一路激光进行拍频，将相位调制转化为幅度调制，进而经过交流耦合的高速光电探测器探测，获取外差锁相的误差信号。探测到的外差信号在混频器处与本地振荡混频解调，获得包含激光偏振相位信息的误差信号。该误差信号经过低通滤波器滤波、控制器，形成反馈执行信号用于驱动压控振荡器，实时改变声光调制器的移频量。由于相位为频率对时间的积分，通过反馈控制激光的频率能到达两路激光锁相，且具有很大的执行动态范围，保证锁相的稳定性。当两路激光相位差精确锁定到nπ(n为整数)时，合束输出的激光的偏振态为线偏振态，可以用于多束激光的级联偏振合成。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，特点在于其构成是：
沿激光种子源输出的窄线宽线偏振单频激光方向依次是前置保偏掺Yb光纤放大器、保偏耦合器，该保偏耦合器将输入光分成1、2两路光：
所述的1路光进入电光相位调制器，第二正弦信号发生器第一输出端输出的正弦信号输入所述的电光相位调制器进行电光相位调制，引入边带形成参考光输出，沿该参考光方向依次是第一声光相位调制器、第一保偏放大器、第一准直器、第一半波片、第一偏振分光棱镜，该第一偏振分光棱镜将入射光分为s光和p光，在所述的s光方向依次是四分之一波片、第三半波片；沿所述的p光方向依次是第四半波片、偏振分光棱镜和高速光电探测器；
所述的2路光直接进入第二声光相位调制器的第一输入端，沿第二声光相位调制器的激光输出方向依次是第二保偏放大器、第二准直器、第二半波片、第一偏振分光棱镜，2路光经第一偏振分光棱镜的p光方向依次是四分之一波片、第三半波片，沿该第一偏振分光棱镜的s光方向是第四半波片、偏振分光棱镜和高速光电探测器；
所述的高速光电探测器的输出端与混频器的第一输入端相连，该混频器的第二输入端与所述的第二正弦信号发生器的第二输出端相连，沿所述的混频器的输出端依次是低通滤波器、控制器、压控振荡器、射频放大器、第二声光相位调制器的第二输入端。
所述的第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器是高稳定度的正弦信号发生器。
所述的参考光经过一个电光相位调制器、声光相位调制器，也可以为声光相位调制器+声光调制器的组合、或者电光相位调制器+电光相位调制器的组合。
所述的探测光路是通过偏振分光棱镜泄露出的少量激光经过第三半波片和偏振分光棱镜组成的检偏器进行偏光干涉的探测结构。
所述的电光调制器所加的信号频率在所述的高速光电探测器的带宽范围内，其调制深度可以根据实际调整。
利用参考光的边带与另一路激光进行拍频，将相位调制转化为幅度调制，进而实现光电探测，获取外差锁相的误差信号。
所述的高速光电探测器为高速交流探测器，其带宽大于调制频率，高速光电探测器的工作波长范围覆盖参与合束光束的光波长。
所述的控制器的控制采用模拟PID控制，或数字PID控制。
上述基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统的工作过程，包括下列步骤：
1)激光种子源为一窄线宽的线偏振单频激光器，输出的种子激光通过前置保偏掺Yb光纤放大器放大，放大后的激光通过1：1的保偏耦合器分成两路子光束，其中一路子光束1依次经过一个电光相位调制器、第一声光相位调制器后注入到第一保偏放大器中进行光放大，另一路子光束2直接经过第二声光相位调制器后注入到第二保偏放大器。所述的电光相位调制器用于电光相位调制，调制信号由第二正弦信号发生器提供，引入边带形成参考光，所述的第一声光相位调制器和第二声光相位调制器均用于声光移频，其中子光束1使用高稳定度第一正弦信号发生器输出的正弦信号驱动，作为参考光束；另一路子光束2使用压控振荡器提供射频信号，经射频放大器功率放大驱动，实现实时精密调节移频量，作为激光锁相的相位执行器；
2)经过二级光放大后的参考光束经第一准直器8准直输出经第一半波片调整光束1的偏振方向后，进入所述的在偏振分光棱镜，所述的子光束2经第二准直器准直输出经第二半波片调整光束2的偏振方向后，进入所述的在偏振分光棱镜，两束光在所述的偏振分光棱镜上进行偏振合成。通过细调第二半波片和第一半波片，偏振分光棱镜合束的大部分激光再通过四分之一波片、第三半波片输出，用于补偿固定的锁相偏差，保证输出激光的相位差为0。
偏振分光棱镜泄露出的少量激光则经过第四半波片和第二偏振分光棱镜组成的检偏器进行偏光干涉，用于光外差偏振相位检测与反馈控制。
3)两路激光的拍频信号经过交流耦合的高速光电探测器探测转化为外差电信号，高速光电探测器的带宽大于所述的电光调制器的调制频率，所述的高速光电探测器探测的外差信号在混频器处与所述的第二正弦信号发生器输出的本地振荡激光混频解调，获得包含激光偏振相位信息的误差信号。该误差信号经过低通滤波器滤波、控制器，形成反馈执行信号用于驱动压控振荡器，该压控振荡器输出的误差信号经射频放大器放大后驱动第二声光相位调制器，实时改变第二声光相位调制器的移频量，将参与偏振合成的两路光束的相位差控制在nπ(n＝0,1,2...)并且保持线偏振光，从而可以与下一子光束进行偏振合束，实现相干偏振合成。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
(1)本发明通过将单频线偏振激光经过耦合器分为两路子光束，其中一路作为参考光经过电光调制器、声光调制器、光纤放大器、准直器准直输出生成参考光；另一路直接经过声光调制器、光纤放大器、准直器准直输出生成空间光。两路输出激光分别经过半波片(HWP)调整光束的偏振方向后，在第一偏振分光棱镜上进行偏振合成。第一偏振分光棱镜泄露出的少量激光则经过半波片和第二偏振分光棱镜组成的检偏器进行偏光干涉，经高速光电探测、混频器、控制器，实现光外差偏振相位检测与反馈控制。本发明利用激光相位调制转化为幅度调制，突破了传统同频率激光偏振合成方案中不能应用外差探测的限制，实现了高带宽低残余相位噪声的偏振合束；
(2)本发明采用激光相位调制转化为幅度调制的方法获取外差锁相的误差信号，相对零差探测锁相比，能极大程度上降低激光功率的直接干扰，获得误差信号没有直流偏置，要稳定很多。
(3)本发明结构简单，易于实现，能达到同频率激光的外差锁相和偏振合成，且控制带宽达到近百kHz，剩余相位噪声低于
Figure BDA0002202801290000061
(4)本发明克服了自适应控制激光偏振合成收敛速度慢和控制带宽窄的缺点，同时相对于零差锁相控制来说不易受到激光功率和偏振扰动的影响，锁相十分稳定。
附图说明
图1为本发明基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统的实施例结构示意图；
附图标记：
1-激光种子源、2-前置保偏掺Yb光纤放大器、3-保偏耦合器、4-电光相位调制器、5-第一正弦信号发生器、6-第一声光相位调制器、7-第一保偏光纤放大器、8-第一激光准直器、9-第二声光相位调制器、10-第二保偏光纤放大器、11-第二激光准直器、12-第二二分之一波片、13-第一二分之一波片、14-偏振分光棱镜、15-四分之一波片、16-第三二分之一波片、17-第四二分之一波片、18-第二偏振分光棱镜、19-高速光电探测器、20-混频器、21-低通滤波器、22-控制器、23-压控振荡器、24-射频放大器，25-第二正弦信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统实施例结构示意图，由图可见，本发明基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其构成包括：
沿激光种子源1输出的窄线宽线偏振单频激光方向依次是前置保偏掺Yb光纤放大器2、保偏耦合器3，该保偏耦合器3将输入光分成1、2两路光：
所述的1路光进入电光相位调制器4，第二正弦信号发生器25第一输出端输出的正弦信号输入所述的电光相位调制器4进行电光相位调制，引入边带形成参考光输出，沿该参考光方向依次是第一声光相位调制器6、第一保偏放大器7、第一准直器8、第一半波片13、第一偏振分光棱镜14，该第一偏振分光棱镜14将入射光分为s光和p光，在所述的s光方向依次是四分之一波片15、第三半波片16；沿所述的p光方向依次是第四半波片17、偏振分光棱镜18和高速光电探测器19；
所述的2路光直接进入第二声光相位调制器9的第一输入端，沿第二声光相位调制器9的激光输出方向依次是第二保偏放大器10、第二准直器11、第二半波片12、第一偏振分光棱镜14，2路光经第一偏振分光棱镜14的p光方向依次是四分之一波片15、第三半波片16，沿该第一偏振分光棱镜14的s光方向是第四半波片17、偏振分光棱镜18和高速光电探测器19；
所述的高速光电探测器19的输出端与混频器20的第一输入端相连，该混频器20的第二输入端与所述的第二正弦信号发生器25的第二输出端相连，沿所述的混频器20的输出端依次是低通滤波器21、控制器22、压控振荡器23、射频放大器24、第二声光相位调制器9的第二输入端。
在本实施例中，使用的激光种子源1为一窄线宽的线偏振单频激光器，其中心波长为1064nm，光谱线宽<20kHz，输出功率约为10mW。种子激光通过前置保偏掺Yb光纤放大器2放大后，将功率提升到180mW。放大后的激光通过1：1的保偏耦合器3分成两路子光束，其中一路作为参考光。
本实施例中，参考光依次经过所述的电光相位调制器4、第一声光相位调制器6后注入到第一保偏放大器7中进行光放大，放大后的功率约为187mW。另一路直接经过第二声光相位调制器9后注入到第二保偏放大器10，输出功率约200mW。
在本实施例中，所述的电光相位调制器4用于电光相位调制，为参考光引入边带，调制信号由第二正弦信号发生器25提供，其频率为17.8MHz，幅度为2.00V。
在本实施例中，第一声光相位调制器6和第二声光相位调制器9均用于声光移频，声光移频量为～150MHz，其中一路使用高稳定度第一正弦信号发生器5驱动，作为参考光束；另一路使用压控振荡器23提供射频信号，经射频放大器24功率放大驱动所述的第二声光相位调制器9，实现实时精密调节移频量，作为激光锁相的相位执行器。
在本实施例中，两路经过二级光放大后的激光分别经过第一准直器8和第二准直器11准直输出。
在本实施例中，两路输出的激光分别经过第一半波片13和第二半波片12调整光束1和光束2的偏振方向后，在所述的偏振分光棱镜14上进行偏振合成。通过细调半波片12和半波片13，偏振分光棱镜14合束的大部分激光再通过一个四分之一波片15，用于补偿固定的锁相偏差，保证输出激光相位差为0。
在本实施例中，偏振分光棱镜14泄露出的少量激光则经过第三半波片17和第二偏振分光棱镜18组成的检偏器进行偏光干涉，用于光外差偏振相位检测与反馈控制。
在本实施例中，两路激光的拍频信号经过交流耦合的高速光电探测器19探测转化为外差电信号，高速光电探测器19的带宽为～150MHz，交流光电转换增益为20 000V/W。
在本实施例中，所述的高速光电探测器19探测到的外差信号在混频器20处与所述的第二正弦信号发生器25输出的本地振荡混频解调，获得包含激光偏振相位信息的误差信号。该误差信号经过低通滤波21滤波、控制器22，形成反馈执行信号用于驱动压控振荡器23形成驱动信号，该驱动信号经射频放大器24放大后驱动声光相位调制器9，实时改变声光相位调制器9的移频量。
在本实施例中，由于相位为频率对时间的积分，通过反馈控制激光的频率能到达两路激光锁相，且具有很大的执行动态范围，保证锁相的稳定性。当两路激光相位差精确锁定到nπ(n为整数)时，合束输出激光的偏振态为线偏振态，可以用于多束激光的级联偏振合成。
本发明的原理可表述为：
请参阅图1，图1为本发明基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统的外差探测原理图。频率为ω的激光光束①和②分别经过两个第一声光相位调制器6和第二声光相位调制器9后进行合束，第一声光相位调制器6和第二声光相位调制器9的移频量分别为ω1和ω2。为了获取外差信号，其中一路激光光束①需在合束之前经过电光调制器4，用于激光相位调制，获取边带。假设相位调制器调制信号为
Figure BDA0002202801290000091
则入射到偏振分光棱镜14的两路合束激光的光场可表示为：
Figure BDA0002202801290000092
其中，A1和A2为光场的幅度，βRF相位调制深度，φ1和φ2分别为两路激光在各自光路上传播产生的相位。
合束激光经过由所述的第四半波片17和第二偏振分光棱镜18组成的检偏器实现正交偏振光的检偏和干涉后入射到高速光电探测器16上，假设所述的检偏器与水平方向的夹角为θ，则高速光电探测器(PD)16上的光强的光场为EPD＝E1cosθ+E2sinθ，假设光电探测器16的光电响应为SPD，则经过光电转换后光电探测器16输出的电信号为：
Figure BDA0002202801290000101
将所述的光电探测的输出信号通过所述的混频器20在调制频率ΩRF处使用sin(ΩRFt)解调、滤波后，可以得到含有相位误差信号的外差拍频信号为：
Figure BDA0002202801290000102
其中，G为混频解调增益。
由公式(3)可知，外差拍频探测能有效检测到两路激光的偏振态相位信息，同时能极大程度上降低激光功率的直接干扰，获得误差信号没有直流偏置，相对零差探测锁相要稳定很多。利用该误差信号，结合线性比例积分微分(PID)控制，能够将激光相位稳定的锁定在零点，实现两路激光的偏振合成，获得新的偏振激光。
实验表明，本发明通过将单频线偏振激光经过耦合器分为两路子光束，其中一路作为参考光经过电光调制器、声光调制器、光纤放大器、准直器准直输出生成参考光；另一路直接经过声光调制器、光纤放大器、准直器准直输出生成空间光。两路输出激光分别经过半波片调整光束的偏振方向后，在第一偏振分光棱镜上进行偏振合成。第一偏振分光棱镜泄露出的少量激光则经过半波片和第二偏振分光棱镜组成的检偏器进行偏光干涉，经高速光电探测、混频器、控制器，实现光外差偏振相位检测与反馈控制。本发明利用激光相位调制转化为幅度调制，突破了传统同频率偏振合成方案中不能应用外差探测的限制，实现了高带宽低残余相位噪声的偏振合束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，其描述较为具体和详细，仅用于说明本发明的技术方案而非限制，对于本领域中的技术人员，可以对本发明的技术方案进行修改变形与润饰，此类均属于本发明技术方案的精神和范围，因此本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，特征在于其构成是：
沿激光种子源(1)输出的窄线宽线偏振单频激光方向依次是前置保偏掺Yb光纤放大器(2)、保偏耦合器(3)，该保偏耦合器(3)将输入光分成1、2两路光：
所述的1路光进入电光相位调制器(4)，第二正弦信号发生器(25)第一输出端输出的正弦信号输入所述的电光相位调制器(4)进行电光相位调制，引入边带形成参考光输出，沿该参考光方向依次是第一声光相位调制器(6)、第一保偏放大器(7)、第一准直器(8)、第一半波片(13)、第一偏振分光棱镜(14)，该第一偏振分光棱镜(14)将入射光分为s光和p光，在所述的s光方向依次是四分之一波片(15)、第三半波片(16)；沿所述的p光方向依次是第四半波片(17)、偏振分光棱镜(18)和高速光电探测器(19)；
所述的2路光直接进入第二声光相位调制器(9)的第一输入端，沿第二声光相位调制器(9)的激光输出方向依次是第二保偏放大器(10)、第二准直器(11)、第二半波片(12)、第一偏振分光棱镜(14)，2路光经第一偏振分光棱镜(14)的p光方向依次是四分之一波片(15)、第三半波片(16)，沿该第一偏振分光棱镜(14)的s光方向是第四半波片(17)、偏振分光棱镜(18)和高速光电探测器(19)；
所述的高速光电探测器(19)的输出端与混频器(20)的第一输入端相连，该混频器(20)的第二输入端与所述的第二正弦信号发生器(25)的第二输出端相连，沿所述的混频器(20)的输出端依次是低通滤波器(21)、控制器(22)、压控振荡器(23)、射频放大器(24)、第二声光相位调制器(9)的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的第一正弦信号发生器(5)和第二正弦信号发生器(25)是高稳定度的正弦信号发生器。
3.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的参考光经过一个电光相位调制器(4)、声光相位调制器(6)，也可以为声光相位调制器+声光调制器的组合、或者电光相位调制器+电光相位调制器的组合。
4.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的探测光路是通过偏振分光棱镜(14)泄露出的少量激光经过第三半波片(17)和偏振分光棱镜(18)组成的检偏器进行偏光干涉的探测结构。
5.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的电光调制器(4)所加的信号频率在高速光电探测器(19)的带宽范围内，其调制深度可以根据实际调整。
6.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，利用参考光的边带与另一路激光进行拍频，将相位调制转化为幅度调制，进而实现光电探测，获取外差锁相的误差信号。
7.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的高速光电探测器(19)为高速交流探测器，其带宽大于调制频率，高速光电探测器的工作波长范围覆盖参与合束光束的光波长。
8.根据权利要求1所述的基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，其特征在于，所述的控制器(22)的控制采用模拟PID控制或数字PID控制。
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