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 
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1 引言
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[1-3],在引力波探测[4]、非线性频率转换[5]、高精密光谱[6]、光谱/相干光束合成[7-8]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(SBS)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[9]。在早期的研究工作中,通过采用高掺杂的大模场有源光纤,并在有源光纤上施加应力梯度或者温度梯度等方法[10-13],抑制了光纤中的SBS,以实现全光纤单频窄线宽激光器输出功率的提升,到目前为止获得的最高功率为414 W[11]。
为了获得更高亮度、更高功率的单频窄线宽激光光束,相干合成是一种在保证线宽不变的同时还能提升激光功率的关键技术。基于分孔径阵列组束的相干合成由于存在远场旁瓣,严重降低了光束质量[14],为此,研究者们提出了共孔径合成的偏振光束合成,现已成为获得高光束质量、高功率窄线宽线偏振单频激光光源的关键技术和研究热点,特别是应用于引力波探测等高精度物理实验时,它提供了一个十分有用的技术手段[15],目前已实现偏振消光比(PER,RPE)约为16 dB的合成激光输出[16]。
相干偏振合成的主要方法是利用偏振分光镜[17-18]将两路正交偏振的线偏振光进行合束,再通过偏振锁相方法将合束激光的相位锁定为nπ(n为整数),使组合光束的偏振态仍是线性偏振态,进行多路级联合成[19]。目前主动相干偏振合成的主动相位控制方法主要采用随机并行梯度下降(SPGD)[20-21]、抖动法[16,22]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,导致反馈控制带宽较窄[16,20],并且相较于线性控制技术带宽也较窄[23],锁相控制效果一般体现在1 kHz以下。
采用线性控制技术能有效提升锁相控制带宽至kHz以上,具有较强的噪声抑制能力,但是对偏振相位信息的获取提出了较高的要求,需要实现偏振相位信息到电信号的线性变换,且需具有较高的噪声免疫能力[23]。由于相干偏振合成的两路激光需要完全同频率才能合成,微小的频率差会形成光学拍,无法让光束合成为新的线偏振激光,故光零差探测是一项最直接的合成激光的频率或相位噪声的探测技术[23],但是该技术会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,进而严重影响锁相性能。外差锁相则能克服上述缺点,实现稳定的锁相,但是由于合成的激光不能存在频率差,需要提出新的方案才能用于偏振光束的合成。
本文提出了一种基于光相位调制技术的CPBC方法,实现了两路同频率激光光束的相干偏振合成。利用光相位调制技术将两路激光拍频相位差转换为幅度调制,实现了光外差法在CPBC系统中的应用。利用高精度光外差探测技术和线性比例-积分-微分(PID)控制系统,实现了十分稳定的激光相位锁定,获得了稳定的线偏振度高达17.67 dB的合束激光,合束输出功率为352.4 mW。通过建立模型,详细分析了激光锁相的残余相位噪声、单路激光功率和偏振态稳定度、激光的波前畸变情况和合束激光的空间模式匹配等对合成偏振消光比的影响,为后续实验提供了理论基础。该光外差偏振相位探测技术能有效检测合成激光的活塞相位信息,同时能极大程度地降低单路激光功率和偏振态抖动的直接干扰,具有稳定性高、宽带宽、锁相相位噪声低的优点,为进一步的级联偏振合成提供了稳定的子光束。
2 光外差锁相偏振控制的基本原理
为了实现外差锁相的偏振控制,实验上采用激光相位调制转化为幅度调制的方案。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,进而实现光电探测,获取外差锁相的误差信号。基本原理图如
式中:A1和A2为光场的幅度; βRF相位调制深度;ΩRF为信号角频率;t为时间; φ1和φ2分别为两路激光在各自光路上传播产生的相位。
图 1. 光外差拍频检测偏振相位原理图
Fig. 1. Principle of polarization phase detection by optical heterodyne beat frequency
合成激光经过检偏器实现正交偏振光的检偏和干涉后入射到光电探测器(PD)上,假设检偏器与水平方向的夹角为θ,则PD上的光强的光场为EPD=E1cos θ+E2sin θ,其光强为
式中:Δω=ω1-ω2为两束激光移频后的激光频率差;Δφ=φ1-φ2为两束激光之间的相位差。假设光电探测器的光电响应为SPD,则经过光电转换后光电探测器输出的电信号为
利用Jacobi-Anger展开并忽略高阶项,式中第一项为直流项,由激光功率和零差拍频项组成,第二项为交流项,它包含两束激光之间的相位信息。将光电探测的输出信号通过混频器在调制频率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
式中:G为混频解调增益。
通过(3)式和(4)式可知,外差拍频探测能有效检测到两路激光的活塞相位信息,同时能极大程度地降低激光功率的直接干扰,获得误差信号没有直流偏置,相比于零差探测锁相要稳定很多。利用该误差信号,结合线性控制,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,获得线偏振激光。
3 实验装置
基于光外差锁相的两路激光偏振光束合成系统如
图 2. 光外差锁相的两路激光偏振合成系统的装置图
Fig. 2. Schematic diagram for polarization beam combination system of two beams by the optical heterodyne phase locking
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。
两路激光的拍频信号经过交流耦合的高速光电探测器(PD)探测转化为外差电信号,PD的带宽约为150 MHz。探测到的外差信号在混频器(Mixer)处与本振光(LO,SIN2)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PID电路放大并滤波,形成反馈执行信号用于驱动压控振荡器(VCO),实时改变AOM的频移量。由于相位为频率对时间的积分,故通过反馈控制激光的频率能达到两路激光锁相,且具有很大的执行动态范围,这为保证锁相的稳定性提供了可能。当两路激光相位差精确锁定到0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。
为了评估锁相控制后合束激光的偏振度情况,合束激光会通过HWP和PBS3构成检偏系统,用于偏振度测量和合束光斑分析。在检偏系统中,透射的合束激光通过一个偏振非相关的分光镜(BS)分束,99%的激光功率注入到功率计(PM),1%的激光功率注入到一个高速的CCD相机中。通过旋转HWP,并记录合束激光功率的最大值和最小值,评估长时间合束激光偏振消光比的变化情况。
4 实验结果
4.1 外差偏振相位误差信号
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. 经相位调制信号调制前后的拍频信号及频谱。(a)未加相位调制信号时光电探测器探测到的零差拍频信号;(b)(c)增加相位调制信号后光电探测器探测到的外差拍频的信号和频谱;(d)混频解调后的误差信号
Fig. 3. Homodyne beat signal and spectrum before and after modulation by phase modulation signal. (a) Homodyne beat signal detected by photodetector without phase modulation; (b)(c) heterodyne beat signal and its spectrum detected by photodetector with phase modulation added; (d) error signal after mixing demodulation
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
4.2 反馈环路设计
锁相控制系统主要由高速光电探测器和混频器组成的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器(VCO)构成。鉴相器对两束激光的相位差进行相位提取,产生了误差信号。环路滤波器将含有偏振相位信息的误差信号进行放大和滤波,并产生平稳的调谐电压控制VCO,VCO生成调频的射频信号经功率放大后驱动AOM改变控制路激光的频率/相位。偏振控制系统的反馈环路模型,如
利用上述的控制系统框图,结合实验所用的器件参数,对系统的开环响应进行仿真。
图 5. 激光锁相系统的开环Bode图和Nyquist图。(a) Bode图;(b) Nyquist图
Fig. 5. Bode and Nyquist diagrams of laser phase-locked system in open loop. (a) Bode diagram; (b) Nyquist diagram
4.3 偏振控制与合成
根据系统环路设计,在实验过程中通过观察误差信号来微调系统增益,可使反馈环路具有最高增益和最宽带宽,同时也可使相位锁定稳定。
图 6. 误差信号及其相位噪声谱。(a)开环和闭环的误差信号;(b)系统闭环时的相位噪声谱
Fig. 6. Error signal and power spectral density of phase noise. (a) Error signal in open and closed loops; (b) power spectral density of phase noise in closed loop
通过CCD相机收集的光斑强度分布来研究PID锁相前后合成光束光斑的变化情况。
图 7. 锁相前后光斑强度的光斑快照。(a)~(c)三张未锁相时的光斑强度变化的快照;(d)(e)锁相后的最小功率和最大功率的光斑快照
Fig. 7. Snapshots of the spot intensity profiles before and after phase locking. (a)-(c) Three snapshots of the spot intensity profiles without phase locking; (d)(e) spot snapshots after phase locking in the lowest and highest powers
为了评估合成激光的偏振态情况,精确测量了合成光束的偏振消光比的变化规律。旋转HWP,使得合成激光的偏振方向与PBS的透射方向平行或垂直,测量透射出PBS的最大光功率或最小光功率,如
5 分析与讨论
在实际实验系统中,两路激光经过外差式锁相能获得宽带宽、大锁相动态范围和高锁定稳定度的信号,然而锁相控制后,合成激光偏振消光比依然有限。通过对系统的设计分析并实验验证,可得该方案对最终合成激光的消光比限制因素主要有激光锁相的残余相位噪声、单路激光光源的功率和偏振态稳定度、激光的波前畸变情况和合束激光的空间模式匹配[24-26]。在所提偏振合成系统中,采用较好的准直器可将单路激光的输出激光波前畸变降低到最小。在空间模式匹配方面,实验上同时监测合成激光的近场和远场光斑情况,通过精密微调两路光束的指向确保两路光斑几乎完全重合,使中心位置误差控制在2 mm左右,从而确保合成激光的偏振消光比达到最好的效果。针对锁相剩余相位噪声的影响,系统锁相后,能对66.1 kHz附近的相位噪声进行有效抑制,剩余噪声约为3×10-6 rad·Hz-1/2,因此对合成光束的偏振消光比影响很小。
在该系统中影响合成激光偏振消光比的主要因素是源于单路光源的功率噪声影响。激光的功率涨落体现为合成后线偏振态的偏振方向的旋转,这会导致合成激光偏振消光比测量值不稳定。对于单路激光的偏振态稳定度的影响,由于合成器件为偏振分光元件,激光偏振态的旋转体现为合成激光的某一偏振态功率的抖动,故它对偏振消光比的降低机制与功率抖动的情况相同。较大的偏振态抖动会导致合成的激光线偏振方向发生旋转,从而降低偏振消光比。
假设两路正交偏振激光的光场为Ex和Ey,则合成激光的线偏振方向为tan θ=
所以合成激光的瞬时偏振消光比为检偏过程中最大光功率与最小光功率的比值,即
式中:I为合成激光的总光强,Ii=
图 9. 激光功率噪声对偏振消光比的影响
Fig. 9. Influence of laser power noise on polarization extinction ratio
此外,当检偏器件为HWP与PBS的组合时,旋转HWP将偏振角固定为最大/最小功率角度。单路激光的功率噪声对最大功率的影响相对误差值较小,但是对最小功率值的测量影响较大,尤其是在较差的功率稳定度情况下,最小值的测量误差可能大于100%,这将严重降低激光的偏振消光比。
6 结论
在激光偏振光束合成研究中,提出了一种基于光外差技术进行偏振相位探测和线性PID锁相控制的合成光束偏振控制方法,该方法具有高的锁相控制带宽和偏振消光比。对于用于合成的两路同频率的激光,采用光相位调制技术,将两路光拍频相位信息转变为幅度调制,进而进行光电探测和锁相控制。相对于零差探测来说,外差技术极大程度上减小了激光功率和偏振态扰动对锁相控制的影响,有效提升了控制的稳定性和控制带宽。通过系统仿真设计,实现了高带宽和高增益的反馈控制环路,环路带宽高达66.1 kHz。锁相控制后合成激光功率为352.4 mW,系统剩余相位噪声为1×10-4 rad·Hz-1/2(1 Hz)和3×10-6 rad·Hz-1/2(>100 Hz),合成光束的偏振消光比为17.67 dB。通过分析和评估激光锁相的残余相位噪声、单路激光光源的功率和偏振态稳定度、激光的波前畸变情况和合束激光的空间模式匹配的影响,目前系统的偏振消光比主要来源于空间指向和模式的轻微不匹配,以及功率和偏振态的抖动。下一步将考虑对每条链路的功率进行功率稳定控制,以使输出的合成激光功率更加稳定,提高输出激光的消光比的稳定性。
通过光外差锁相技术的激光相干偏振合成相位控制有潜力实现宽带宽激光锁相以及更多路数的偏振合成。通过进一步控制单路激光输出功率的稳定性以及偏振态,优化光束的空间模式,能够获得低相位噪声、高光束质量和高偏振度的高功率窄线宽激光,有望应用于现代科学研究中。
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