CN115954753A - 偏振控制的激光功率稳定控制装置、方法、激光发射设备 - Google Patents

Abstract

本说明书公开了一种偏振控制的激光功率稳定控制装置、方法、激光发射设备，以提高激光功率的稳定性。本发明装置包括第一支路、第二支路；第一支路，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整，并经保偏传输后输出待稳功率激光；第二支路为反馈调节支路，将第一支路中保偏传输后输出的待稳功率激光作为监测信号，经光电探测装置进行光电信号转换后，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。本发明装置成本低、系统结构简单、对外界振动等环境变化不敏感，减小了激光功率稳定控制中环境噪声、偏振对功率稳定度的影响，提高了激光功率的稳定性。

Description

偏振控制的激光功率稳定控制装置、方法、激光发射设备

背景技术

稳定度高的激光是现代许多实验技术必不可少的工具，而激光功率的波动表现为功率噪声影响系统的性能和灵敏度。因此，提高激光功率的稳定性是一项必不可少的技术。目前稳定激光功率的方法主要是对激光器输出激光在腔外使用声光调制器、电光调制器对激光功率进行调制，对激光的偏振变化较敏感、抗环境干扰能力弱。

因此，需要提供一种更加稳定可靠的激光功率稳定方案。

发明内容

为了减小激光功率稳定控制中环境噪声、减小偏振对功率稳定度的影响，提高激光功率的稳定性，本发明的一方面提出了一种偏振控制的激光功率稳定控制装置，包括第一支路、第二支路；

所述第一支路，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整，并经保偏传输后输出待稳功率激光；

所述第二支路为反馈调节支路，将第一支路中保偏传输后输出的待稳功率激光作为监测信号，经光电探测装置进行光电信号转换后，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

在一些优选的实施方案中，所述第一支路包括偏振控制器、保偏传输装置、分光装置；

所述偏振控制器，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；

所述保偏传输装置，配置为将线偏振光平行光轴和垂直光轴的偏振分量产生相位延迟；

所述分光装置，配置为将经所述保偏传输装置传输后的激光经干涉后分为两束。

在一些优选的实施方案中，所述保偏传输装置为保偏光纤。

在一些优选的实施方案中，所述分光装置为分光棱镜。

在一些优选的实施方案中，所述第二支路包括光电探测器、反馈控制单元；

所述光电探测器，配置为将所述分光装置分束后的一路激光进行光电信号转换；

所述反馈控制单元，配置为获取所述光电探测器输出的电信号，得到与给定的激光功率值对应的偏差，生成所述偏振控制器的调整量。

在一些优选的实施方案中，所述偏振控制器的调整量，包括所述保偏传输装置入射光偏振方向和所述保偏传输装置光轴的夹角。

在一些优选的实施方案中，所述反馈控制单元为PID反馈控制单元。

本发明的第二方面，提出了一种偏振控制的激光功率稳定控制方法，基于上述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，该方法包括：

按照预设值对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；

线偏振光经保偏传输后，经分光装置干涉并分束，其中第一束激光用于输出，第二束激光用于功率监测；

所述第二束激光经光电探测装置进行光电信号转换后，根据探测结果，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

在一些优选的实施方案中，对第一支路中激光偏振态进行调整，包括：

保偏传输时入射光偏振方向和保偏传输对应装置中光轴的夹角。

本发明的第三方面，提出了一种功率稳定的激光发射设备，其特征在于，包括激光器，以及上述的偏振控制的激光功率稳定控制装置。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提出利用一束光的不同偏振分量在作为保偏传输介质的保偏光纤中实现干涉并稳定控制的激光功率的装置，由于两束偏振分量所走的路径相同，经历相同的环境变化，合成后的偏振光对环境噪声不敏感，避免了迈克尔逊干涉仪中外界环境对两路信号的影响，减小激光功率稳定控制中环境噪声、偏振对功率稳定度的影响，提高了系统对功率微小变化的灵敏度和响应能力，抗外界环境干扰能力强，提高激光功率的稳定性，为激光功率的稳定控制提供了一个新型思路。并且，保偏光纤的选择大大降低了系统成本和实验难度。

本发明装置成本低、系统结构简单、对外界振动等环境变化不敏感，减小了激光功率稳定控制中环境噪声、偏振对功率稳定度的影响，提高了激光功率的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本说明书一实施例提供的一种偏振控制的激光功率稳定控制装置结构示意图；

图2为本说明书另一种实施例提供的一种偏振控制的激光功率稳定控制装置结构示意图；

图3为本说明书一实施例提供的偏振控制的激光功率稳定控制方法流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

本发明提出使用光纤实现偏振式干涉，根据干涉测量结果改变激光偏振方向，最终改变光纤输出端光功率。

光纤以其低成本、灵敏度高、抗干扰能力强的优势得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤通常作为一个传输介质来传递信息。随着光纤通信技术的发展，光纤传感器作为一种新型传感技术引起了广泛的关注。光纤传感器是以光纤为介质，从而感知和传输外界变化量的新型传感技术。当外界光作用于光纤上时，被测量会改变光纤内传输光的某些特性。基于迈克尔逊干涉仪结构、Sagnac干涉原理的光纤传感器已经应用在国防、科研等多个领域。在实际工作中，基于迈克尔逊干涉结构的光纤传感器两臂随环境噪声的变化必须一致，否则会影响测量结果。此外，外界环境的变化可能会改变激光的偏振态，从而可能使得发生相消干涉，干涉信号消失。而基于Sagnac结构的光纤传感器实验装置复杂性较高。

保偏光纤具有双折射特性，当线偏振光通过保偏光纤后，线偏振光被分为寻常光和非寻常光两个分量，寻常光和非寻常光的折射率不同，因此，在光纤尾端两束偏振光分量具有一个相位差，从而使得干涉合成的线偏振光光功率会发生变化。基于此原理，可使用保偏光纤作为传感器，实现两个偏振分量的干涉，根据该结果控制输入光纤的激光偏振方向，从而调控光纤输出端功率。目前，尚无相关文献使用保偏光纤对一束光的两束偏振分量进行干涉，并根据干涉结果改变激光偏振方向，最终调控光纤输出端光功率。

图1为本说明书一实施例提供的一种偏振控制的激光功率稳定控制装置结构示意图，所述装置具体可以包括第一支路、第二支路；第一支路，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整，并经保偏传输后输出待稳功率激光；第二支路为反馈调节支路，将第一支路中保偏传输后输出的待稳功率激光作为监测信号，经光电探测装置进行光电信号转换后，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

为了对本发明偏振控制的激光功率稳定控制装置进行详细说明，下面结合图2，对本发明装置的具体构成进行详细说明。本实施例中的偏振控制的激光功率稳定控制装置包括偏振控制器、保偏传输装置、分光装置、光电探测器、反馈控制单元；偏振控制器、保偏传输装置、分光装置构成的第一支路，与光电探测器、反馈控制单元构成的第二支路形成闭环控制，以稳定输出激光的功率。

偏振控制器，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；保偏传输装置，配置为将线偏振光平行光轴和垂直光轴的偏振分量产生相位延迟；分光装置，配置为将经所述保偏传输装置传输后的激光经干涉后分为两束；光电探测器，配置为将所述分光装置分束后的一路激光进行光电信号转换；反馈控制单元，配置为获取所述光电探测器输出的电信号，得到与给定的激光功率值对应的偏差，生成所述偏振控制器的调整量，此处，偏振控制器的调整量包括：保偏传输装置入射光偏振方向和所述保偏传输装置光轴的夹角。

本实施例中，激光器采用795nm激光器；保偏传输装置为保偏光纤；分光装置为分光棱镜；反馈控制单元为PID反馈控制单元。

在工作过程中，795nm激光器输出的线偏振光通过偏振控制器调控激光偏振态，偏振控制器将输出的线偏振光传输到保偏光纤中；在保偏光纤中，线偏振光平行光轴和垂直光轴的偏振分量产生相位延迟；线偏振光经过保偏光纤传输后，经过分光棱镜干涉并将激光分为两路，一路激光用于输出，以供实际需求所用，另一路激光耦合进光电探测器；光电探测器监测激光功率的大小，并将该监测结果传输到反馈控制单元；反馈控制单元根据监测到的激光功率大小，计算与给定的激光功率的偏差，获取偏振控制器的调整量，反馈至偏振控制器，使得偏振控制器改变入射光偏振方向和保偏光纤光轴的夹角，从而改变保偏光纤输出端光激光功率，实现对功率的稳定控制。

本发明第二实施例的一种偏振控制的激光功率稳定控制方法，基于上述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，该方法如图3所示，包括：按照预设值对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；线偏振光经保偏传输后，经分光装置干涉并分束，其中第一束激光用于输出，第二束激光用于功率监测；所述第二束激光经光电探测装置进行光电信号转换后，根据探测结果，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

本实施例中，对第一支路中激光偏振态进行调整，包括：保偏传输时入射光偏振方向和保偏传输对应装置中光轴的夹角。

本发明第三实施例的一种功率稳定的激光发射设备，包括激光器，以及上述的偏振控制的激光功率稳定控制装置。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的偏振控制的激光功率稳定控制方法、功率稳定的激光发射设备的具体工作过程及有关说明，可以参考前述偏振控制的激光功率稳定控制装置实施例中的对应内容，在此不再赘述。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可

以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算5机指令的组合来实现。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列

要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其0它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，包括第一支路、第二支路；

所述第一支路，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整，并经保偏传输后输出待稳功率激光；

所述第二支路为反馈调节支路，将第一支路中保偏传输后输出的待稳功率激光作为监测信号，经光电探测装置进行光电信号转换后，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

2.根据权利要求1所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述第一支路包括偏振控制器、保偏传输装置、分光装置；

所述偏振控制器，配置为对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；

所述保偏传输装置，配置为将线偏振光平行光轴和垂直光轴的偏振分量产生相位延迟；

所述分光装置，配置为将经所述保偏传输装置传输后的激光经干涉后分为两束。

3.根据权利要求2所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述保偏传输装置为保偏光纤。

4.根据权利要求2所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述分光装置为分光棱镜。

5.根据权利要求2-4任一项所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述第二支路包括光电探测器、反馈控制单元；

所述光电探测器，配置为将所述分光装置分束后的一路激光进行光电信号转换；

所述反馈控制单元，配置为获取所述光电探测器输出的电信号，得到与给定的激光功率值对应的偏差，生成所述偏振控制器的调整量。

6.根据权利要求5所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述偏振控制器的调整量，包括所述保偏传输装置入射光偏振方向和所述保偏传输装置光轴的夹角。

7.根据权利要求5所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，其特征在于，所述反馈控制单元为PID反馈控制单元。

8.一种偏振控制的激光功率稳定控制方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置，该方法包括：

按照预设值对激光器输出的线偏振光进行激光偏振态的调整；

线偏振光经保偏传输后，经分光装置干涉并分束，其中第一束激光用于输出，第二束激光用于功率监测；

所述第二束激光经光电探测装置进行光电信号转换后，根据探测结果，通过闭环控制方法对第一支路中激光偏振态进行调整，以稳定输出激光的功率。

9.根据权利要求8所述的偏振控制的激光功率稳定控制方法，其特征在于，对第一支路中激光偏振态进行调整，包括：

保偏传输时入射光偏振方向和保偏传输对应装置中光轴的夹角。

10.一种功率稳定的激光发射设备，其特征在于，包括激光器，以及权利要求1-7任一项所述的偏振控制的激光功率稳定控制装置。

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