【《激光功率稳定实验探究报告》6100字（论文）】

激光功率稳定实验探究报告目录TOC\o"1-3"\h\u11148激光功率稳定实验探究报告 1228581.1激光功率噪声源 1260861.2激光功率稳定 3201583.2.1功率噪声抑制方法 3142373.2.2稳定回路的概念 3257181.3激光功率稳定实验光学设置 4293063.3.1激光功率稳定原理 4271253.3.2低噪声和低漂移精密电压基准 7167383.3.3激光功率稳定控制系统搭建中各部分的注意事项 9激光功率噪声源频率，偏振态和功率大小是表征半导体激光器特性的主要参数。由于自身内部或者外界环境的变化，半导体激光器的特性会随之波动，其中激光器功率的波动是激光强度噪声的主要来源之一。激光器内部的功率波动是由激光器本身或其泵浦源的多个参数引起的，这些参数可能部分是技术噪声源，部分是量子噪声。典型的量子噪声效应与激光增益介质和激光谐振腔中的损耗有关，是激光介质中受激原子、离子或分子的自发辐射和散粒噪声。激光器内部的技术噪声源可能是：泵浦源介质引起的腔内光子数波动(泵浦噪声)；波束指向；空腔长度波动(频率噪声)；增益介质中的热波动；泵浦光子波长的波动等。技术噪声源是引起半导体激光器功率波动的主要的外部因素。许多环境因素会影响光束并导致功率波动，例如灰尘颗粒通过光束路径或机械部件的振动、温度变化和气流，它们会引起折射率的改变，从而减低激光光束的稳定性。这同样可以改变光谐振器输入端的耦合效率，或导致光束在探测器表面移动，其灵敏度也随空间变化。另外激光束可观察到（例如频率和偏振）也可能导致功率波动，因为分束器和反射镜的反射率是入射光束波长和偏振的函数。所有这些现象都会导致测量功率的波动，使激光稳定的任务复杂化。随时间的变化激光器的光功率P被认为是P相对功率波动可以定义为功率的波动除以平均功率(δPRIN式中，δP(f)是当傅里叶频率为f时的功率波动的线性谱密度，P为一段时间内的平均功率。通常，激光器的极限功率噪声的大小是由其散粒噪声的水平限制。散粒噪声描述了离散信号载体的随机波动。由于大量光子的泊松分布接近高斯分布，因此散粒噪声的振幅分布可以用大量光子的高斯分布或正态分布来模拟。考虑到散粒噪声，光功率PoptSP,sn它与频率为ν的光的平均功率成正比。光电探测器中的散粒噪声是由于电流载流子的分散性引起的。对于没有内增益的探测器来说，光电流iphi其中ℛ是探测器的响应度(A/W)，可根据量子效率η导出。在接收到的光功率为PoptS由上式可知，散粒噪声电流是与噪声带宽∆f的平方根成正比的，也就是噪声功率与频率无关，且均匀地分布在整个频谱上（又叫白噪声）。大多数技术噪声机制在高频下都太小，无法影响激光系统的整体性能。在远远大于弛豫振荡频率的高频下，激光器的噪声都普遍趋近于散粒噪声极限的水平。在我们的这套DFB激光器系统中也是如此。人们可能希望，当光束受到线性衰减时，激光的RIN量将保持恒定。但是，如果RIN受散粒噪声限制，则情况并非如此。激光功率稳定3.2.1功率噪声抑制方法由于激光表现出的来自不同来源的功率噪声，几种不同的技术可以用来抑制这种噪声。技术上可以采用有源或无源的稳定方案保证激光系统的稳定输出功率。激光系统的无源功率稳定可以通过激光系统内部的光反馈、非线性吸收、技术噪声滤波(例如在供应电子设备中使用低通滤波器)或其他技术来实现。与有源稳定方案相比，无源稳定通常更简单，更可靠，但往往无法提供所需的降噪效果。因此，经常使用有源稳定方案，并且大多数使用负反馈方案，该负反馈方案使用施加在控制参数上的有源反馈来获得激光系统的功率。由于激光表现出的来自不同来源的功率噪声，几种不同的技术可以用来抑制这种噪声。原则上，可以通过控制激光系统的光损耗或增益来实现功率稳定。利用光电探测器探测由主光束分离出来的部分光。通过改变激光系统中的光损耗或光增益，对获得的信号进行处理，并用于控制激光系统的输出功率。在半导体激光器系统中，通过调制二极管的功率可以达到有效的稳定效果。另一种方法包括将反馈应用于内腔或外腔调制器，例如电光或声光调制器，其向激光系统引入受控损耗。3.2.2稳定回路的概念功率稳定回路的设计可以使用不同的方案，因此本文中使用的不同功率稳定回路的简短介绍如下。交流耦合反馈回路：第一种方案是基于无低频增益的闭环反馈，仅通过交流负耦合反馈补偿所需频带的波动。在具有非常高增益要求（>>100dB）的功率稳定回路中，这种方案会导致了模拟控制器的实现出现问题。由于高增益，即使是控制器输入级的微小偏移也会使输出饱和。这需要对控制器中的各个增益级和滤波器级进行仔细设计，并在低频时将它们相互解耦。这需要详细设计控制器中的各个增益和滤波器级，并在低频时将它们彼此解耦。例如，这可以通过单个阶段的交流耦合或使用集成阶段的内部反馈来实现。在这种配置下，平均功率的稳定是不可能的。直流耦合反馈回路:对于激光输出功率稳定性要求较高的实验中，绝大多数采用直流耦合反馈的方法。在直流耦合回路方案中，测量激光系统的输出功率并将其与参考值进行比较。然后，控制器获取参考值与从激光系统获得的信号之间的差，以在控制下更改到激光系统的功率执行器的输入。因此，在具有足够环路增益的直流耦合环路的情况下，激光系统的性能由参考的稳定性和噪声决定，因此也受到参考的限制。为了克服参考所设定的限制，可以使用适当的滤波器和在所需的频带中足够的增益来实现附加增益。作为替代方案，可以结合使用直流耦合回路和注入控制回路中误差点的附加交流耦合回路。通过将得到的信号与参考值进行对比便可达到测量系统输出的目的。此外，来自探测器的原始信号经过滤波放大，然后添加到光电探测器信号和参考信号的差值上。因此，对于新的反馈回路，附加路径中的增益大大降低了所用基准的稳定性的重要性。激光功率稳定实验光学设置3.3.1激光功率稳定原理激光器的功率长期处于稳定状态是原子钟能够稳定运行的必要条件，与此同时，激光器能够在失锁后迅速的自动实现回锁。CPT铷原子钟作为新型星载钟，在空间应用中，需要具备长期没人干涉的条件，确保其稳定运行，故对系统具有一定的要求，要求其能够自动判断激光器的锁定情况，然而，手动的功率稳定控制系统不能达到该目标。因此，保障星载CPT铷原子钟长期可靠运行的关键是研究设计激光器的功率稳定控制系统。如图3.1，是激光功率稳定控制系统的实验装置构型图。基于780nm的DFB激光器(EagleyardPhotonics，GF-01034)，在对DFB激光器的内部温度进行精密调控时使用的是索雷博公司的TED200C温度控制器，使其温度波动的范围保持在≤2mK/day之内；同时通过低噪声电流源(Thorlabs,LDC202C)对其供电，使其工作电流(~100mA)远大于其阈值电流(~30mA)，这两个措施可以有效的改善激光器输出功率的稳定性，在自由运行状态下可以达到较低的相对强度噪声(RIN)。图3.1激光功率稳定的实验装置图基于AOM的激光功率稳定控制系统，是通过控制射频功率的大小从而实现对一级衍射光或者零级光（载波）的光强的调控，从而实现激光功率稳定的过程。目前，德国马普实验室的B.Willke小组通过AOM实现了激光功率噪声抑制，相对强度噪声达到世界最好水平，在100Hz-1kHz范围内达到1.8×10-9Hz-1/2。但是该方案用到了体积较大且置于真空中的模式滤波环形腔(modecleancavity)，不适用于小型化原子钟。法国巴黎天文台的S.Guérandel小组通过AOM的激光功率锁定，实现了RIN在1Hz-100kHz频带范围内达到2.2×10-8Hz-1/2较好水平。但是可以看到，这两个小组都采用了AOM的零级光作为被控制和稳定的对象，没有考虑到零级光光束的空间分布结构的不均匀性和噪声差异性，这在一定程度上会限制功率稳定的效果，而我们的方案采用一级衍射光来进行功率锁定，其通断消光比在30dB以上且光斑呈现较好的高斯分布，有效地避免了这一问题。另外，AOM还可作为光开关，其一级衍射光可以用来实现高消光比的光脉冲，探测脉冲光强可实现脉冲激光的功率锁定，这样就同时实现了光开关和激光功率稳定的功能，而载波（零级光）不能实现光开关的功能。不过，一级衍射光也会带来频率移动。在有些应用中，如果不希望频率移动，这可以通过另一个AOM进行频率补偿；但是在我们的CPT或POP原子钟的应用中，希望频率移动，以便用来补偿钟泡和参考泡之间的缓冲气体频移引起的光学频移，这样只用一个AOM就同时实现了激光功率稳定和移频，节省了器件。因此，相比于AOM的零级光，利用一级衍射光稳定激光功率并移频更符合我们CPT原子钟实验的要求。整体光路与[]类似，主要区别在于我们采用了AOM(Gooch&Housego,3100-125)的1级衍射光而非0级光作为被控制和稳定的对象。AOM前后各设置一个高消光比的偏振片P1和P2，其中P1用于对AOM入射光光束进行起偏和偏振纯化，P2用于消除AOM衍射光偏振态变化对误差信号带来的干扰。偏振分束器(PolarizationBeamSplitter,PBS)将1级衍射光一分为二，一部分用于激光功率稳定实验的反馈信号，用于锁定激光器的功率，称为内环路；另一部分用作激光功率稳定的监测或后续实验，称为外环路。通过PBS前的半波片来调节内外环路的相对光强。根据理论分析，两部分光强比为1：1时，激光功率锁定效果最接近散弹噪声极限，但根据外环路可用激光光强以及要达到的不同噪声极限，光强比可能偏离这一值。图3.2功率稳定电路原理图图3.3功率稳定电路PCB板实物图环路内的1级衍射光经光电探测器(Thorlabs,PDA36A)转换为电信号PDi，并与低噪声基准电压(LinearTechnology,AD587)进行比较，其差值即为误差信号。误差信号由超低噪声仪表放大器(AnalogDevices,AD8429)放大，放大后的误差信号经由比例积分（PI）电路调理，PI电路选用低噪声、低失真运算放大器(AnalogDevices,AD797)。获得的误差信号反馈于射频功率控制器(Minicircuits,TFAS-1SM+)，通过调节AOM的射频驱动功率，实现AOM1级衍射光的锁定。图3.2为功率稳定的电路原理图，图3.3为功率稳定的PCB板实物图，15cm×7.5cm。这里考虑到AOM的衍射效率、AOM和微波器件的易获得性，AOM的驱动射频频率选为100MHz。我们实验发现射频频率在100MHz±20MHz内，并不影响我们的功率锁定效果。3.3.2低噪声和低漂移精密电压基准由于直流耦合环路可实现的最低噪声水平受限于所用基准电压源的稳定性，基准电压越好，环路内性能越好，环路外性能也越好。因此我们对可用基准电压源的性能和滤波进行了一些研究。基准电压的相对噪声定义为噪声和输出电压之比。参考的相对噪声对于降噪设计非常重要，因为它决定了激光系统可以达到的最低相对噪声水平。与来自光电探测器的信号相比，更高的参考电压水平也降低了其他电子噪声源的影响。因此，最重要的参数是基准输出端的电压噪声。要实现激光功率稳定要求的低输出噪声水平，滤波是最常用的方法。不过，对于低截止频率的低通滤波器，由于其压电特性和较差的容积效率，不能使用陶瓷电容器。钽或铝电解电容器具有相当大的泄漏电流。双电层电容器是一种电化学电容器，和一般的电容器相比具有较高的能量密度。它们可以提供几个法拉的电容，与相同几何尺寸的传统电容器相比，电容量提高了几个数量级。泄漏电流的问题与传统钽或电解电容器的问题相同。内部串联电阻（ESR）与传统电容器相当。内部串联电阻限制了经典低通滤波器的抑制因子。电容器泄漏电流在低频时会引入高噪声。因此铝箔电容器是设计直流基准低通滤波器的最佳选择。与钽或电解电容器相比，它们具有良好的容积效率，较低的泄漏电流，并且对工作电压和温度不敏感。我们使用的是金属化聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜电容器。图3.4有源二阶低通滤波器原理图图3.4是实验中使用的有源二阶低通滤波器的原理图。运算放大器在滤波器级和与其相连的负载之间提供缓冲，因此在该滤波器的设计中，这里采用了低噪声的运算放大器AD797来抑制放大器产生的噪声。然后采用4.7μF和10μF的铝箔电容，这为滤波器提供了非常低的截止频率。与通常的钽电容或电解电容相比，它们具有良好的容积效率、低漏电流，并且对工作电压和温度的敏感性大为降低；另外，为了减小基准电压的中长期漂移，该伺服电路全部采用了低温漂精密电阻（温度系数≤2ppm/℃），与普通贴片电阻相比，它们具有更高的精度和耐压性，并且对温度不太敏感。我们测试了三种不同基准电压芯片在滤波前后的噪声性能:AD587-10、LT1021-10和LTZ1000-7，如下图3.5所示。其中棕线、粉线和深蓝线分别表示AD587、LT1021和LTZ1000滤波前的相对电压噪声，黑线、红线和浅蓝线分别表示AD587、LT1021和LTZ1000滤波后的相对电压噪声，绿线为SR785的本底噪声。可以看出，滤波前，LTZ1000相对噪声最大，LTZ1000在低频处（≤500Hz）的表现略优于AD587；滤波后，三种电压基准的相对电压噪声均有较大幅度降低，与LTZ1000相比，AD587和LT1021滤波后的相对电压噪声更低，且在40Hz-200Hz处AD587的相对电压噪声略低于LT1021，因此本实验选用的电压基准为AD587。图3.5电压基准的测试结果图3.3.3激光功率稳定控制系统搭建中各部分的注意事项1、精密光学平台：按照图3.1所示的激光功率稳定的实验装置构型图，我们将整个激光功率稳定控制系统搭建在一个600×600mm2的小型精密光学平台上，光学平台被放置在配套的稳定支撑物上，以保持与振动源、热源等外围环境因素的隔绝并保持整洁，以维持实验环境稳定。2、DFB激光器：根据实验需求挑选功率值大小合适的激光器。激光的其他参数，如激光光束的偏振态、光斑大小、激光器的发散角等参数也是值得我们注意的。为了提高激光的衍射效率，一般要求，激光器输出光束的光斑直径要小于AOM的通光孔径，其偏振态也要符合实验的要求，激光的发散角要满足实验光路传输距离的要求，同时还需保证传输过程中的稳定性。3、偏振片：选择适当的偏振片以保证激光光束有较高的通过率和足够高的功率，减小其反射光的损耗。另外，偏振片的尺寸大小应该根据实验中光斑的实际大小做出相应的调整，以保证光束可以顺利通过，