采用聲光頻移器反饋控制實現激光強度穩定

靳 剛，溫 馨，楊保東，何 軍，王軍民

(光電研究所量子光學與光量子器件國家重點實驗室，山西大學，山西太原030006)

1 引言

激光器的應用已經遍布量子通信、精密測量以及冷原子物理等領域，而激光的強度穩定性制約著這些領域課題的進一步發展。目前各類激光器由于泵浦源、溫度以及機械振動等原因導致輸出的激光在低頻處(＜1 MHz)存在很大強度的噪聲［1-2］，而在光路中引入各類儀器同樣也會帶來激光強度噪聲，如光纖放大器輸出的激光在不同偏振方向的功率會發生起伏，單模保偏光纖作為激光的傳輸媒介時，由于外界溫度變化，光纖抖動，光纖介質的不均勻等因素導致輸出激光在某一偏振方向上的激光強度發生變化等，甚者可達20%。強度噪聲在很大程度上制約著精密實驗的進行。一般情況下人們在做量子糾纏和壓縮之前必須先將這些經典的激光強度噪聲盡量降低到最小。此外，在冷原子物理中，遠失諧的微型光學偶極阱可以將磁光阱中的原子俘獲在空間的局域范圍內，然而俘獲光的指向變化和強度起伏會導致偶極阱的阱深和位置發生變化，使偶極阱中的原子被參量加熱而縮短其俘獲壽命［3］，通過引入激光強度反饋伺服控制系統可實現原子更長俘獲壽命的原子。

目前實現激光強度穩定的方法有許多，大致可以分為光電反饋［4-6］、光學模式清潔［7-8］、光學注入鎖定［9-10］3種方式，其中光電反饋方式比較簡單且容易實現。而光電反饋又包括采用聲光調制器(Acousto-optical Modulator，AOM)反饋控制［1］、電光調制器反饋控制［7］和光電直接反饋控制等。我們利用工作在布拉格衍射模式下的聲光頻移器，其一級衍射的效率隨射頻信號功率大小變化的特點，將其作為激光強度的控制模塊，采用光電負反饋控制射頻信號的功率大小，使激光在47 kHz以下分析頻段的低頻噪聲可以實現最大抑制比為15 dB。

2 基本原理

圖1 AOM的布拉格衍射Fig.1 Bragg diffraction of AOM

假定光場Xin由穩恒值X外加微擾量X(t)，如式(1)所示:

則強度為Xin的光入射到AOM中時，當衍射效率為K時，出射光強Xout即為式(2)所示。

圖2為實驗裝置示意圖，忽略偏振分束棱鏡和取樣探測器PD引入的噪聲，這部分光強入射到分束器上，部分被反射轉換為電信號。將得到的電信號與標準值Xave比較便得到誤差信號δX。

式中:F包括反射效率和光電轉化效率。然后通過比例電路將誤差信號以一定增益供給調制器，如式(4):

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

式中:G為反饋的增益系數。于是衍射效率變為式(5)所示:

如此迭代下去，直至Xout穩定，這樣衍射效率的變化為零或者保持為一個很小的數值。

經測試，實驗用的AOM的衍射效率如圖3所示，在反饋電壓工作區間(0.6～0.8 V)衍射效率可以近似地看做是線性的，因此式(4)則表達近似成立，而式(2)的線性關系則取決于衍射效率。

圖3 實驗測得AOM的衍射效率Fig.3 Measured the diffraction efficiency of AOM

3 實驗裝置

所使用激光器原則上可以是任何種類的激光，只需選擇相應波長的AOM即可。我們的演示實驗中使用帶輸出尾纖的分布反饋式(DFB)半導體激光器(EYP-DFB-0852-00050-1500-BFY02-0000，Eagleyard Photonics Inc.)，其波長為 852 nm。采用Thorlabs公司的ITC502控溫電流源一體機對激光器進行電流驅動和控溫。激光器經過光纖耦合頭發出激光，首先進入由兩個平凸透鏡組成的望遠系統，而AOM則設置在兩個平凸透鏡的共同焦點處，光束足夠小能夠完全進入AOM。通過適當地調整AOM的方位和傾斜度，使激光在AOM中產生布拉格衍射。通過控制AOM的射頻驅動電源開關，當關掉驅動源時，一級衍射光消失，而零級光斑位置不變，由此確定零級光斑，通過在望遠系統之后加一光闌將零級光遮蔽。當AOM加足夠功率的射頻驅動時，其后只有+1級(或－1)級光通過光闌。然后使用PBS將光束分成兩部分，一部分反射光將被探測器 PD1(Model 2033，New Focus Inc.)接收，作為反饋光取樣。而透射光則由探測器PD2(C5331，Hamamatsu)接收，然后使用頻譜分析儀(Agilent 4396B)觀察激光的噪聲強度譜。

反饋控制電路如圖4所示，其核心部分是比較器部分和比例積分放大(PI)，這兩部分的性能好壞對整個反饋控制系統至關重要。包括比例放大—對誤差信號比例積分—疊加直流信號3個環節。電路圖中的第一部分是第一級比例放大電路，此處可以根據探測器得到的電壓信號Vin進行一定比例的放大或縮小，以此滿足第二級運放的輸入條件，以免出現失真。第二級電路是將一級比例運算得到的電壓信號與一個標準信號反向求和得到的誤差信號，再經比例積分，將直流信號濾除后得到一個平均值為零的交流信號，因此它只對后續AOM衍射效率的瞬時值有影響，而決定AOM衍射效率的平均值部分是圖示所示第三部分，由精密電壓基準AD581經過分壓可以輸出0～3.3 V的直流電壓。采用Mini-Circuit公司的ZFRSC-2050加法器將第二部分PI電路得到的交流信號與第三部分的直流信號進行相加，可避免有源加法器帶來的額外噪聲，將輸出電壓信號供給射頻壓控振蕩器(VCO)的功率控制端口(Va)以控制射頻信號的輸出功率，進而調節AOM的衍射效率。

圖4 反饋控制電路Fig.4 Feedback control electronic circuit

4 實驗結果與分析

上述實驗裝置搭建好之后，根據所用采樣PD1輸出的電壓信號大小，調節比例放大參數，在DFB激光器的驅動電流為48.68 mA時，可以得到如圖5所示激光強度噪聲譜。圖5(a)和(b)的橫軸范圍分別為4～60 kHz和4～200 kHz。圖5中，譜線(1)是反饋回路斷開時頻譜分析儀得到的激光器輸出激光的強度噪聲;譜線(2)是反饋回路閉合時頻譜分析儀得到的加入伺服反饋控制回路后激光的強度噪聲;譜線(3)是在擋光情況下，探測器和頻譜分析儀本身的電子學噪聲信號，譜線(2)、(3)中也包括這部分噪聲。從圖5(a)可以看出，反饋回路閉合之后，在低頻區域噪聲顯著減小，在47 kHz以下的噪聲抑制比最大可以達到15 dB，說明此頻率范圍內的反饋回路工作在負反饋工作狀態，噪聲抑制情況良好。另外從圖5(b)中還可以看到在78 kHz處會出現一個峰，這是由于高頻信號在反饋回路中的延遲導致的正反饋現象。另外圖5(a)中3條噪聲強度譜線在19 kHz附近都存在一個尖峰，是由于實驗室中其他信號干擾所致。

圖5 激光噪聲抑制情況Fig.5 Suppression of the laser intensity noise

需要特別說明的是在圖5中的兩幅圖中譜線(3)起始橫坐標附近有上升的趨勢，這表示電子學噪聲在低頻處更高，而(1)、(2)譜線在起始橫坐標附近有下降的趨勢，這是由于交流探測器PD2的響應帶寬為4 kHz～100 MHz在低頻處的探測效率較低導致低頻處的噪聲強度低。倘若換用起始頻率更低的探測器，便會在3條譜線上的更低頻率段內都看到翹起的噪聲譜，可以認為符合低頻區域的1/f噪聲，不過在圖中可以看出，在使用相同的探測器情況下，譜儀得到的噪聲強度譜線顯示反饋回路閉合時的噪聲確實得到抑制，因此我們選用此探測器仍可以反映噪聲被抑制的實驗結果。

從以上的實驗結果分析影響整個回路的帶寬限制因素，主要是整個回路各器件的時間響應問題，其中包括壓控衰減器的時間響應，功放的時間響應，AOM的時間延遲，取樣探測器的時間響應快慢。現已知反饋取樣探測器PD1的帶寬為300 kHz，對直流到300 kHz交流的信號均可很好地響應。一般情況下射頻信號對AOM進行驅動時，造成的延遲大約為幾十 ～500 ns［11］，這個也包括在整個回路的響應時間內，不過可以簡單分析將時間的倒數作為帶寬，至少也應該為幾兆赫茲。在實驗上通過給射頻信號的功率控制端口輸入一

圖6 除反饋電路外其他部分的相位延遲Fig.6 Phase delay in the feedback loop except the feedback circuit

本文中所設計的光電反饋控制系統實現了激光強度控制，得到的噪聲抑制帶寬為47 kHz，在很大程度上將激光器在低頻處的噪聲進行了抑制，最大的噪聲抑制比可達15 dB。文中由于在激光器外部施加反饋控制，可以廣泛用于各類激光器的強度噪聲抑制，以達到更穩定的激光輸出。在引力波探測相關領域，利用低噪聲的激光系統可以實現更高的靈敏度探測。通過光電反饋技術對激光器的強度噪聲進行大幅度的抑制，是實現更高壓縮度的壓縮光的一個很重要的前提。在冷原子物理當中可以構建穩定度更好的光學偶極阱，進而延長原子的俘獲壽命及退相干時間，為獲得更高效率的單原子裝載提供了必要的實驗基礎。個加一定偏置電壓的特定頻率正弦信號，然后觀察AOM的衍射光照射在采樣探測器上的電壓信號，可以看到不同頻率的正弦信號的響應時間不同，簡單運算之后即可得到反饋控制在不同頻率處的相位變化，如圖6所示，隨著頻率的增加，整個回路的響應時間越長，相位延遲也越大。當反饋電壓與信號光的相位差為90°時反饋變為正反饋。從圖中可以得到21和134 kHz處的典型相位延遲分別為90°和180°。

當反饋回路的相移接近180°時，整個回路不再是負反饋而變成正反饋，導致在相應的頻率處的噪聲增加。不過這可以通過在電路當中引入相位提前的濾波電路或者在噪聲增加處加入陷波電路加以解決。

5 結論

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