CN110718837A - 快速锁定激光线偏振态的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速锁定激光线偏振态的装置及方法。通过对线偏振激光信号进行偏振调制，将高频调制信息加载到激光偏振态上，激光信号经过光纤检偏器检测后偏振调制转换为强度调制，利用锁相放大器同频率解调经过光电转换的模拟信号得到用于锁定的鉴偏信号，将鉴偏信号加载到偏振旋转器的控制端口，实现了自动实时锁定激光线偏振态到光纤检偏器的偏振方向。本发明可以有效跟踪补偿激光线偏振态的快速漂移，解决了激光线偏振态无法快速锁定的问题。本发明结构简单、操作方便，锁定精度高、稳定性高，可以应用于激光光谱、相干探测、激光通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体是一种快速锁定激光线偏振态的装置及方法，对线偏振激光信号进行偏振调制，并同频率解调经过光纤检偏器输出的透射信号，获取负反馈鉴偏信号，通过操控偏振旋转器将激光偏振态实时锁定到光纤检偏器偏振方向。
背景技术
精密控制激光线偏振态在激光光谱、相干探测、激光通信等领域有非常重要的意义。在激光光谱领域，压缩激光线偏振态漂移可以提高光谱测量精度。在相干探测领域，压缩激光线偏振态漂移可以提高测量分辨率。在激光通信领域，激光线偏振态可用于编码信息，压缩线偏振态漂移可以降低通信误码率。对于线偏振激光信号，人们利用优化算法通过调节偏振控制器改变输入光偏振态可以实现偏振锁定，但是优化算法运行时计算量较大、步骤较多不易实现，而且偏振控制器需要四路控制信号，导致偏振控制过程复杂。相比而言，偏振旋转器只需要一路控制信号就可以调节输入线偏振态，偏振控制过程相对简单，但是已有的偏振态锁定方法是通过设定强度参考点，将激光线偏振态转换为强度后与设定参考点通过比较生成反馈信号调节偏振旋转器，从而获得稳定的线偏振态输出。该方法实现过程虽然简单，但是反馈带宽窄不能有效补偿偏振态的快速漂移，偏振态锁定的精度和稳定性受到限制。
发明内容
本发明为了解决存在的上述问题，提供了一种快速锁定激光线偏振态的装置及方法，可以自动跟踪补偿偏振态的快速漂移，偏振控制过程简单容易实现，偏振锁定精度高、稳定性高。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种快速锁定激光线偏振态的装置，包括单频激光器，所述单频激光器输出线偏振随机漂移的单频激光依次经过衰减器、偏振旋转器、光纤检偏器后进入光纤耦合器，所述光纤耦合器的第一输出端与光电探测器的输入端相连，所述光纤耦合器的第二输出端输出激光（用于实验研究），所述光电探测器的输出端与锁相放大器的输入端相连，所述锁相放大器的第一输出端与示波器的输入端相连，所述锁相放大器的调制输出端与第一加法器的第一输入端相连，所述第一加法器的第二输入端与高压信号源的输出端相连，所述锁相放大器的第二输出端与模拟比例积分微分器的输入端相连，所述模拟比例积分微分器的输出端与第二加法器的第一输入端相连，所述第一加法器的输出端与第二加法器的第二输入端相连，所述第二加法器的输出端与偏振旋转器的控制端相连。
利用上述装置进行快速锁定激光线偏振态的方法，如下：
单频激光器输出线偏振随机漂移的单频激光进入衰减器降低强度避免光电探测器饱和，之后激光信号进入偏振旋转器旋转偏振态，输出偏振旋转后的线偏振光进入光纤检偏器，根据马吕斯定律光纤检偏器输出沿偏振方向传输的线偏振光进入光纤耦合器，光纤耦合器的第一输出端输出激光信号进入光电探测器转换为模拟信号输出。
高压信号源输出三角波偏振扫描信号用于线性旋转线偏振态，锁相放大器输出正弦波偏振调制信号用于快速调制线偏振态，偏振扫描信号和偏振调制信号通过第一加法器合并后，通过第二加法器输入到偏振旋转器的控制端口，调节高压信号源的参数使得激光偏振态处于偏振旋转器的扫偏范围内，则经过光纤检偏器透射出的激光信号携带调制信息，激光信号经过光电探测器检测后转化为模拟信号进入锁相放大器进行解调，锁相放大器通过滤波滤除噪声信号后输出与调制偏振态相关的负反馈鉴偏信号，鉴偏信号输出分为两路，第一路鉴偏信号输出到示波器用于监视，调节锁相放大器参数使鉴偏信号的信噪比最大，第二路鉴偏信号进入模拟比例积分微分器优化后经过第二加法器加载到偏振旋转器的控制端口，减小三角波偏振扫描信号的幅度并调节偏置电压保持激光偏振态在鉴偏信号的锁定范围内，最后关闭三角波偏振扫描信号并选择合适的偏置电压，同时调节模拟比例积分微分器参数使示波器观察到的鉴偏信号幅度最小，即实现了将输入线偏振态实时锁定到光纤检偏器的偏振方向。
本发明利用偏振调制技术实现快速锁定激光线偏振态，偏振调制技术是利用高频信号周期性调制激光线偏振态，则激光信号经过光纤检偏器检测后偏振调制转换为强度调制，即输出的激光强度携带调制信息，经过光电转换后的电信号进入锁相放大器同频率解调后输出鉴偏信号，将鉴偏信号加载到偏振旋转器的控制端口，即可实现将输入激光线偏振态实时锁定到光纤检偏器的偏振方向。
与现有技术相比，本发明对激光线偏振态进行高频调制并通过窄带滤波滤除噪声，提高了解调信号的信噪比。
本发明设计合理，提出的基于偏振调制技术自动实时锁定激光线偏振态的新装置及方法，偏振态锁定精度高、稳定性高，而且结构简单、操作方便，能够应用于激光光谱、相干探测、激光通信等领域。
附图说明
图1表示本发明装置的连接示意图（虚线代表光信号，实线代表电信号）。
图2表示输出激光强度随激光偏振态与光纤检偏器偏振方向之间夹角的变化图。
图3表示鉴偏信号随激光偏振态与光纤检偏器偏振方向之间夹角的变化图。
图中：1-单频激光器，2-衰减器，3-偏振旋转器，4-光纤检偏器，5-光纤耦合器，6-光电探测器，7-锁相放大器，8-示波器，9-第一加法器，10-高压信号源，11-模拟比例积分微分器，12-第二加法器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
本实施例以快速锁定1550nm激光线偏振态为例，对锁定激光线偏振态的装置进行说明，如图1所示，包括单频激光器1，单频激光器1输出线偏振随机漂移的单频激光依次经过衰减器2、偏振旋转器3（BATI，PRM）、光纤检偏器4后进入光纤耦合器5（THORLABS，PN1550R5A1），光纤耦合器5的第一输出端与光电探测器6（THORLABS，DET08CFC）的输入端相连，光纤耦合器5的第二输出端输出激光用于实验研究，光电探测器6的输出端与锁相放大器7（SRS，SR830）的输入端相连，锁相放大器7的第一输出端与示波器8（LeCroy，WS44MXS-B）的输入端相连，锁相放大器7的调制输出端与第一加法器9的第一输入端相连，高压信号源10的输出端与第一加法器9的第二输入端相连，锁相放大器7的第二输出端与模拟比例积分微分器11（SRS，SIM960）的输入端相连，模拟比例积分微分器11的输出端与第二加法器12的第一输入端相连，第一加法器9的输出端与第二加法器12的第二输入端相连，第二加法器12的输出端与偏振旋转器3的控制端相连。
利用上述装置进行快速锁定激光线偏振态的方法，包括如下步骤：
单频激光器1输出线偏振随机漂移的单频激光进入衰减器2调节强度小于1mw，之后激光信号进入偏振旋转器3旋转偏振态，输出偏振旋转后的线偏振光进入光纤检偏器4，根据马吕斯定律光纤检偏器4输出沿偏振方向传输的线偏振光进入光纤耦合器5（分光比50:50），光纤耦合器5的第一输出端输出激光信号进入光电探测器6转换为模拟电信号输出。
高压信号源10输出频率为10Hz的三角波偏振扫描信号通过第一加法器9和第二加法器12输入到偏振旋转器3的控制端口，偏振扫描信号用于线性扫描偏振态，调节高压信号源10输出信号的幅度和偏置电压使得激光偏振态处于偏振旋转器3的扫偏范围内。图2为输出激光强度随激光偏振态与光纤检偏器偏振方向之间夹角的变化图，当激光偏振态对准光纤检偏器4的偏振方向时，光电探测器6检测到的激光强度最大，因此锁定激光线偏振态到光纤检偏器4的偏振方向时，激光输出强度将一直保持在峰尖位置。锁相放大器7输出频率为9kHz且幅度为100mV的正弦波偏振调制信号也通过第一加法器9和第二加法器12输入到偏振旋转器3的控制端口，偏振调制信号用于快速调制线偏振态，则经过光纤检偏器4透射出的激光信号携带调制信息，激光信号经过光电探测器6检测后转化为模拟信号进入锁相放大器7进行解调，锁相放大器7通过滤波滤除噪声信号后输出与调制偏振态相关的负反馈鉴偏信号，如图3所示。鉴偏信号的零点位置表示激光偏振态完全对准光纤检偏器4的偏振方向，此时输出激光强度最大，鉴偏信号的左右拐点表示激光偏振态与光纤检偏器4偏振方向的夹角为±π/4，此时输出激光强度为最大强度的一半。鉴偏信号输出分为两路，第一路鉴偏信号输出到示波器8用于监视，选择锁相放大器7参数为积分时间为1ms，滤波斜率为18dB，灵敏度为100mV，使鉴偏信号的信噪比最大，第二路鉴偏信号进入模拟比例积分微分器11优化后经过第二加法器12加载到偏振旋转器3的控制端口，减小三角波偏振扫描信号的幅度并调节偏置电压使偏振态处于鉴偏信号的锁定范围内，最后关闭三角波偏振扫描信号并选择偏置电压为0.3V，模拟比例积分微分器11的比例系数为–0.2，积分系数为23，微分系数为8.2×10-4。此时示波器8观察到的鉴偏信号幅度最小，即实现了将输入线偏振态实时锁定到光纤检偏器4的偏振方向。偏振锁定后反馈系统有效压缩了外部环境机械振动，温度起伏等因素引起的激光偏振态漂移，激光线偏振态相对于光纤检偏器偏振方向的偏振漂移小于3°。
本发明实施例通过对线偏振激光信号进行偏振调制，将高频调制信息加载到激光偏振态上，激光信号经过光纤检偏器检测后偏振调制转换为强度调制，利用锁相放大器同频率解调经过光电转换的模拟信号得到用于锁定的鉴偏信号，将鉴偏信号加载到偏振旋转器的控制端口，实现了自动实时锁定1550nm激光线偏振态到光纤检偏器的偏振方向，同时可以有效跟踪补偿1550nm激光线偏振态的快速漂移，解决了激光线偏振态无法快速锁定的问题。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种快速锁定激光线偏振态的装置，其特征在于：包括单频激光器（1），所述单频激光器（1）输出线偏振随机漂移的单频激光依次经过衰减器（2）、偏振旋转器（3）、光纤检偏器（4）后进入光纤耦合器（5），所述光纤耦合器（5）的第一输出端与光电探测器（6）的输入端相连，所述光纤耦合器（5）的第二输出端输出激光，所述光电探测器（6）的输出端与锁相放大器（7）的输入端相连，所述锁相放大器（7）的第一输出端与示波器（8）的输入端相连，所述锁相放大器（7）的调制输出端与第一加法器（9）的第一输入端相连，所述第一加法器（9）的第二输入端与高压信号源（10）的输出端相连，所述锁相放大器（7）的第二输出端与模拟比例积分微分器（11）的输入端相连，所述模拟比例积分微分器（11）的输出端与第二加法器（12）的第一输入端相连，所述第一加法器（9）的输出端与第二加法器（12）的第二输入端相连，所述第二加法器（12）的输出端与偏振旋转器（3）的控制端相连。
2.一种快速锁定激光线偏振态的方法，该方法应用于权利要求1所述的装置，其特征在于：单频激光器（1）输出线偏振随机漂移的单频激光进入衰减器（2）降低强度，之后激光信号进入偏振旋转器（3）旋转偏振态，输出偏振旋转后的线偏振光进入光纤检偏器（4），光纤检偏器（4）输出沿偏振方向传输的线偏振光进入光纤耦合器（5），光纤耦合器（5）的第一输出端输出激光信号进入光电探测器（6）转换为模拟电信号输出，光纤耦合器（5）的第二输出端输出激光用于实验研究；
高压信号源（10）输出三角波偏振扫描信号通过第一加法器（9）和第二加法器（12）输入到偏振旋转器（3）的控制端口，偏振扫描信号用于线性扫描偏振态，调节高压信号源（10）输出信号的幅度和偏置使得激光偏振态处于偏振旋转器（3）的扫偏范围内，锁相放大器（7）输出正弦波偏振调制信号也通过第一加法器（9）和第二加法器（12）输入到偏振旋转器（3）的控制端口，偏振调制信号用于快速调制线偏振态，则经过光纤检偏器（4）透射出的激光信号携带调制信息，激光信号经过光电探测器（6）检测后转化为模拟信号进入锁相放大器（7）进行解调，锁相放大器（7）通过滤波滤除噪声信号后输出与调制偏振态相关的负反馈鉴偏信号，鉴偏信号输出分为两路，第一路鉴偏信号输出到示波器（8）用于监视，调节锁相放大器（7）的调制相位和积分时间参数使鉴偏信号的信噪比最大，第二路鉴偏信号进入模拟比例积分微分器（11）优化后经过第二加法器（12）加载到偏振旋转器（3）的控制端口，减小三角波偏振扫描信号的幅度并调节偏置电压使偏振态处于鉴偏信号的锁定范围内，最后关闭三角波偏振扫描信号并选择合适的偏置电压，同时调节模拟比例积分微分器（11）的参数使示波器（8）观察到的鉴偏信号幅度最小，即实现了将输入线偏振态实时锁定到光纤检偏器（4）的偏振方向。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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