基于光外差锁相的激光偏振控制与高偏振消光比的光束合成
发布时间：2022-01-14 05:54
激光相干偏振合成（CPBC）是获得高亮度线偏振激光输出的有效方法。基于此,提出一种光相位调制技术,将两路光相位差转变为幅度调制,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相干偏振合成。理论上详细分析了光外差偏振相位探测的理论模型和线性锁相控制环路的数学模型,用于优化系统参数。锁相控制后,合成光束的输出功率为352.4 mW,偏振消光比高达17.67 dB,系统的控制带宽约为66.1 kHz,剩余相位噪声为1×10-4 rad·Hz-1/2（1 Hz）和3×10-6 rad·Hz-1/2（>100 Hz）。相比于其他CPBC的锁相方法,该方法对偏振消光比以及控制带宽都有明显的提升,有效地抑制了相位噪声。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
光外差拍频检测偏振相位原理图
基于光外差锁相的两路激光偏振光束合成系统如图2所示,系统使用的种子源为一窄线宽的线偏振单频激光器,其中心波长为1064 nm,光谱线宽小于20 kHz。种子激光通过前置保偏掺Yb光纤放大器(A0)放大后,通过1∶1的保偏耦合器(Coupler)分成两路子光束,其中一路作为参考光。参考光依次经过一个电光调制器(EOM)和AOM后注入到一级保偏光纤预放大器(A1-1)中进行光放大,放大后的功率约为187 mW。EOM用于电光相位调制,为参考光引入边带,调制信号为一正弦波。另一路直接经过一个AOM后注入到保偏光纤预放大器(A1-2)中,输出功率约200 mW。两路AOM均用于声光移频,声光频移量约为150 MHz,其中:一路使用高稳定度信号源驱动,作为参考光束;另一路使用压控振荡器驱动,能够实现频移量的精密调节,可作为激光锁相的相位执行器。两路经过二级光放大后的激光分别经过两个准直器(Co1.和Co2.)后准直输出。然后经过半波片(HWP)调整光束的偏振方向后,在偏振分光棱镜(PBS1)上进行相干偏振合成。通过细调HWP,PBS1合成的绝大部分激光通过一个四分之一波片,用于补偿固定的锁相偏差[23]。PBS1泄漏出的少量激光则经过HWP和PBS2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。
根据第二部分外差偏振相位检测与控制的思路,利用高速示波器(带宽200 MHz)和频谱仪(SR785)对PD输出的外差信号和Mixer输出的混频信号进行了实时测量和分析。当两路AOM频移量差为30.8 kHz,且EOM上没有增加调制信号时,两路激光处于零差拍频的情况,PD探测到的信号如图3(a)所示,该信号为零差锁相控制的误差信号。当在EOM上加载ΩRF=17.8 MHz 的相位调制信号后,PD上探测的信号出现被幅度调制的载波信号,如图3(b)所示,载波频率为17.8 MHz,幅度调制信号为两路AOM频移差引入的激光相位差信息,与零差锁相的误差信号一致。以此方式,激光的相位差信息从零差探测的直流信号检测转变为外差探测中的幅度调制。由于外差探测为交流检测,滤除了直流部分,故能极大程度地减小激光功率和偏振态抖动引入的干扰[见(3)式和(4)式],提升锁相环的稳定性。对外差信号进行频谱分析,如图3(c)所示,能很明显地看出参考光的各级边带与另一路激光的拍频,±1级边带的拍频频率差为61.6 kHz,等于AOM频移量的两倍。外差射频信号与EOM的驱动信号进行混频,并使用低通滤波器滤除高阶边带拍频信号,获得外差偏振相位探测的误差信号,如图3(d)所示。该误差信号与未受到扰动的零差拍频信号一致,但是没有激光功率引入的直流偏置,激光相位差信息不会受到激光功率和偏振的扰动。经过正弦拟合,可以得到外差探测的误差信号的鉴相斜率为Kd=0.04 V/rad,实际反馈控制时候会根据系统的稳定性微调反馈电路增益。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制[J]. 沈辉,全昭,杨依枫,赵翔,柏刚,何兵,周军. 红外与激光工程. 2018(01)
[2]302 W triple-frequency, single-mode, linearly polarized Yb-doped all-fiber amplifier[J]. Xiang Zhao,Yifeng Yang,Hui Shen,Xiaolong Chen,Gang Bai,Jingpu Zhang,Yunfeng Qi,Bing He,Jun Zhou. High Power Laser Science and Engineering. 2017(04)
[3]偏振态对激光相干合成的影响[J]. 蒋茂华,苏毅,卢飞. 强激光与粒子束. 2013(03)
本文编号：3587940
【文章来源】：光学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
光外差拍频检测偏振相位原理图
基于光外差锁相的两路激光偏振光束合成系统如图2所示,系统使用的种子源为一窄线宽的线偏振单频激光器,其中心波长为1064 nm,光谱线宽小于20 kHz。种子激光通过前置保偏掺Yb光纤放大器(A0)放大后,通过1∶1的保偏耦合器(Coupler)分成两路子光束,其中一路作为参考光。参考光依次经过一个电光调制器(EOM)和AOM后注入到一级保偏光纤预放大器(A1-1)中进行光放大,放大后的功率约为187 mW。EOM用于电光相位调制,为参考光引入边带,调制信号为一正弦波。另一路直接经过一个AOM后注入到保偏光纤预放大器(A1-2)中,输出功率约200 mW。两路AOM均用于声光移频,声光频移量约为150 MHz,其中:一路使用高稳定度信号源驱动,作为参考光束;另一路使用压控振荡器驱动,能够实现频移量的精密调节,可作为激光锁相的相位执行器。两路经过二级光放大后的激光分别经过两个准直器(Co1.和Co2.)后准直输出。然后经过半波片(HWP)调整光束的偏振方向后,在偏振分光棱镜(PBS1)上进行相干偏振合成。通过细调HWP,PBS1合成的绝大部分激光通过一个四分之一波片,用于补偿固定的锁相偏差[23]。PBS1泄漏出的少量激光则经过HWP和PBS2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。
根据第二部分外差偏振相位检测与控制的思路,利用高速示波器(带宽200 MHz)和频谱仪(SR785)对PD输出的外差信号和Mixer输出的混频信号进行了实时测量和分析。当两路AOM频移量差为30.8 kHz,且EOM上没有增加调制信号时,两路激光处于零差拍频的情况,PD探测到的信号如图3(a)所示,该信号为零差锁相控制的误差信号。当在EOM上加载ΩRF=17.8 MHz 的相位调制信号后,PD上探测的信号出现被幅度调制的载波信号,如图3(b)所示,载波频率为17.8 MHz,幅度调制信号为两路AOM频移差引入的激光相位差信息,与零差锁相的误差信号一致。以此方式,激光的相位差信息从零差探测的直流信号检测转变为外差探测中的幅度调制。由于外差探测为交流检测,滤除了直流部分,故能极大程度地减小激光功率和偏振态抖动引入的干扰[见(3)式和(4)式],提升锁相环的稳定性。对外差信号进行频谱分析,如图3(c)所示,能很明显地看出参考光的各级边带与另一路激光的拍频,±1级边带的拍频频率差为61.6 kHz,等于AOM频移量的两倍。外差射频信号与EOM的驱动信号进行混频,并使用低通滤波器滤除高阶边带拍频信号,获得外差偏振相位探测的误差信号,如图3(d)所示。该误差信号与未受到扰动的零差拍频信号一致,但是没有激光功率引入的直流偏置,激光相位差信息不会受到激光功率和偏振的扰动。经过正弦拟合,可以得到外差探测的误差信号的鉴相斜率为Kd=0.04 V/rad,实际反馈控制时候会根据系统的稳定性微调反馈电路增益。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制[J]. 沈辉,全昭,杨依枫,赵翔,柏刚,何兵,周军. 红外与激光工程. 2018(01)
[2]302 W triple-frequency, single-mode, linearly polarized Yb-doped all-fiber amplifier[J]. Xiang Zhao,Yifeng Yang,Hui Shen,Xiaolong Chen,Gang Bai,Jingpu Zhang,Yunfeng Qi,Bing He,Jun Zhou. High Power Laser Science and Engineering. 2017(04)
[3]偏振态对激光相干合成的影响[J]. 蒋茂华,苏毅,卢飞. 强激光与粒子束. 2013(03)
本文编号：3587940
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