光功率穩定裝置中分光器件的影響分析及抑制方法研究?

王春羅濤

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

光功率穩定裝置中分光器件的影響分析及抑制方法研究?

王春羅濤

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

激光光功率穩定裝置中分光器件的分光比存在不穩定性，論文從理論上定量分析了分光比的波動對環外光功率穩定效果的影響，并提出了一種抑制分光比波動影響的方案。通過理論分析及仿真，證明了該方案可以有效抑制分光器件分光比的不穩定性帶來的環外功率波動。

光功率穩定；分光比；反饋控制

C lassNum ber TN247

1 引言

光功率穩定是一項非常重要的激光技術。對于很多依賴于激光的精密測量儀器而言，光功率的波動會極大地限制測量靈敏度，因此在諸多領域激光功率穩定得到了廣泛的應用，如引力波探測［1～3］、精密光譜測量［4～5］、光纖陀螺儀［6～7］等。

目前采用反饋控制電路配合執行器件進行光功率穩定可以將光源的功率波動降低到可以忽略的水平［8～9］。但光功率穩定裝置能進行有效穩定的是處于反饋環內的激光，而環外的激光功率噪聲來源并不與環內激光相同，一個重要的因素就是分光器件的不穩定性［10～11］帶來的環外光功率漂移。

2 分光器件穩定性影響分析

典型的光功率穩定裝置［12～13］如圖1所示。其中Attenuator為電壓控制的光衰減器件，Splitter為分光器件，PD為光電探測器，Vref為參考電壓，servo為控制電路。圖中實線代表光路，虛線代表電信號。

圖1 光功率穩定裝置示意圖

從圖1可以看出，激光功率穩定需采用分光器件將激光分為兩路，一路用于閉環反饋控制（環內），另一路（環外）輸出用于測量等應用，對激光實施功率穩定最根本的目的是要實現環外激光功率的穩定。然而此種類型激光功率穩定裝置直接穩定的是環內的光功率，反饋控制系統對激光光源的噪聲進行了有效地抑制，但對分光器件分光比的漂移帶來的環外激光光功率的波動卻無能為力。

光功率穩定裝置框圖如圖2所示。P為光源光功率，R為分光器件反射系數，T為分光器件透射系數，Gp為環內光電探測器增益，GS為servo增益。

圖2 光功率穩定裝置框圖

設進入分光器件前光功率為 f，則有

可解出

則環內（反射）光功率為

由上式可以看出，在此反饋系統中，盡量提高servo增益Gs，可有效壓制光源功率P波動的影響。若Gs→∞，則，PR→Vref/Gp，可見系統控制的效果就是讓PD1輸出的電信號牢牢地鎖在參考電壓上，從而實現光功率的穩定。對于環外，則有

若Gs→∞，則 PT→TVref/RGp。可見，提高環路增益可以提高環內激光功率的穩定性，其穩定性主要受參考電壓影響，而環外激光功率還受分光器件穩定性的影響。

分光器件的分光比通常會受激光波長、環境溫度、激光到分光元件的入射角度等因素的影響。由于分光器件還有損耗，T=1-R-L，其中L為損耗系數。為了方便估計分光比穩定性對環外光功率的影響，可以忽略影響較小的損耗部分，T≈1-R；另外設Gs增益足夠大，可以忽略光源功率波動的影響。此時

可以看出，在環路增益足夠大的時候，環外光功率的相對波動與分光器件的反射系數波動成正比，比例系數為-1/RT。

在實際應用中，由于光功率有限，通常會使R較小，以保證環外有較大的光功率供測量等使用。舉個例子，若R/T=0.1/0.9，波動值為0.01，根據式（6），環外功率波動可達11%。使用反饋控制系統，可以很容易將光源的功率波動抑制到0.1%以下，此時分光器件的穩定性成為限制環外光功率穩定的主要因素。

3 抑制方法研究

為抑制分光器件穩定性對環外光功率的影響，本文提出了基于輔助激光的控制系統方案，如圖3所示。

圖3 基于輔助激光的光功率穩定裝置示意圖

其中Laser 0為待穩定的激光光源；Laser 1為輔助激光，功率為P1；PD3及PD4分別接收輔助激光經同一分光器件反射及透射的激光。

按照前述方式分析此系統，仍設待穩定激光進入分光器件前光功率為f，則有

由式（10）可以看出當Gs→∞，PT→Vref/Gp，環外光功率與分光器件的反射、透射系數無關。

4 仿真驗證

為檢驗上述方案，采用Simulink建立光功率穩定裝置模型，模型如圖4所示。

圖4 原始光功率穩定方案（Scheme1）

Laser 0為光源，平均功率為0.02W，功率波動幅度為0.01W，波動頻率為1Hz；Gp為光電探測器，增益為-1000V/W；servo為伺服控制電路，增益為105W/V；Splitter為分光器件，分光比為2/8，其模型如圖5所示，其中“SineWave”模塊表達式為y=0.2+A*sin（wt+F），可以調節分光比，以及分光比的波動。

圖5 分光器件模型

若將“SineWave”模塊表達式中A設置為0，即y為常數0.2，則構成一個分光比固定的分光模塊；若在常數上加一個正弦波動，則可模擬反射系數在0.2上下波動的分光模塊。

首先仿真了固定分光比（dR=0）的情形，在反饋控制的作用下環外功率波動幅度約為4×10-10W。然后修改分光模塊“SineWave”表達式，使A=0.01，w=0.3*2p，F=0，即反射系數在1.99～2.01之間以0.3Hz的頻率波動。此時仿真結果顯示環外功率波動幅度約為6.2×10-4W，即相對功率波動為6.2%，與理論分析結果一致。這個例子中，分光比的微小變化導致環外功率穩定效果差了6個數量級。

進一步仿真了基于輔助激光的光功率穩定方案，仿真模型見圖6。

圖6 基于輔助激光的光功率穩定方案（Scheme2）

模型中Laser 1為輔助激光，其輸出沒有特殊要求，本模型中設置為一帶偏置的正弦函數。分光模塊仍然保持dR=0.01的波動。Laser 1與Laser 0經過同一分光模塊，經光電探測器將相應光功率轉換為電信號后作相應的乘除法操作，然后與參考信號作差后輸出伺服控制電路。這里乘除法模塊后增加了一個0.25的增益，是為了保證與原始方案（Scheme1）反饋控制環路增益一致而便于比較。經仿真，本模型輸出的環外功率波動幅度約為4×10-10W，與原始方案中分光器件分光比固定的情況近似一致。

上述三種情況下的仿真結果如圖7所示。穩定后的功率平均值均為0.01W，這是由參考電壓決定的。從圖中可以看出，原始方案中分光器件dR=0.01時，環外功率相對波動達到了6.2%，這樣的功率穩定效果在精密測量中是不可接受的。

圖7 環外光功率穩定仿真結果

為了更清楚地展示改進方案抑制分光器件分光比波動影響的效果，將原始方案中分光比固定情況下的功率穩定結果與改進方案中分光比波動情況下的功率穩定結果放大對比，如圖8所示，可以看出，兩條曲線基本重合，這說明基于輔助激光的改進方案抑制分光比波動影響的效果非常明顯。

圖8 環外光功率穩定仿真結果（放大圖）

5 結語

本文從理論上分析了光功率穩定裝置中分光器件對環外光功率的影響，提出了一種抑制該影響的方案，通過分析與仿真驗證，表明該方案可有效抑制分光器件分光比的不穩定性帶來的環外功率波動。

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Analysisof the Im pactof the Sp litter in Optical Intensity Stabilization and Study on the Suppression Method

WANG Chun LUO Tao
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064）

The splitting ratio of splitter in optical intensity stabilization is not exactly stable.The impact of the splitting ratio on effect of optical intensity stabilization out of the loop is analyzed quantificationally，and the suppression method is proposed in this article.Bymeans of theoretical analysisand simulation，the proposed scheme is proved effective to suppress the influence introduced by splitting ratio on the powerstabilization outof the loop.

optical intensity stabilization，splitting ratio，feedback control

TN247

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.030

2017年3月11日，

2017年4月30日

王春，男，博士，工程師，研究方向：光電子及艦船導航技術。羅濤，男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船導航技術。