采用声光频移器反馈控制实现激光强度稳定

靳 刚，温 馨，杨保东，何 军，王军民

(光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学，山西太原030006)

1 引言

激光器的应用已经遍布量子通信、精密测量以及冷原子物理等领域，而激光的强度稳定性制约着这些领域课题的进一步发展。目前各类激光器由于泵浦源、温度以及机械振动等原因导致输出的激光在低频处(＜1 MHz)存在很大强度的噪声［1-2］，而在光路中引入各类仪器同样也会带来激光强度噪声，如光纤放大器输出的激光在不同偏振方向的功率会发生起伏，单模保偏光纤作为激光的传输媒介时，由于外界温度变化，光纤抖动，光纤介质的不均匀等因素导致输出激光在某一偏振方向上的激光强度发生变化等，甚者可达20%。强度噪声在很大程度上制约着精密实验的进行。一般情况下人们在做量子纠缠和压缩之前必须先将这些经典的激光强度噪声尽量降低到最小。此外，在冷原子物理中，远失谐的微型光学偶极阱可以将磁光阱中的原子俘获在空间的局域范围内，然而俘获光的指向变化和强度起伏会导致偶极阱的阱深和位置发生变化，使偶极阱中的原子被参量加热而缩短其俘获寿命［3］，通过引入激光强度反馈伺服控制系统可实现原子更长俘获寿命的原子。

目前实现激光强度稳定的方法有许多，大致可以分为光电反馈［4-6］、光学模式清洁［7-8］、光学注入锁定［9-10］3种方式，其中光电反馈方式比较简单且容易实现。而光电反馈又包括采用声光调制器(Acousto-optical Modulator，AOM)反馈控制［1］、电光调制器反馈控制［7］和光电直接反馈控制等。我们利用工作在布拉格衍射模式下的声光频移器，其一级衍射的效率随射频信号功率大小变化的特点，将其作为激光强度的控制模块，采用光电负反馈控制射频信号的功率大小，使激光在47 kHz以下分析频段的低频噪声可以实现最大抑制比为15 dB。

2 基本原理

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

假定光场Xin由稳恒值X外加微扰量X(t)，如式(1)所示:

则强度为Xin的光入射到AOM中时，当衍射效率为K时，出射光强Xout即为式(2)所示。

图2为实验装置示意图，忽略偏振分束棱镜和取样探测器PD引入的噪声，这部分光强入射到分束器上，部分被反射转换为电信号。将得到的电信号与标准值Xave比较便得到误差信号δX。

式中:F包括反射效率和光电转化效率。然后通过比例电路将误差信号以一定增益供给调制器，如式(4):

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

式中:G为反馈的增益系数。于是衍射效率变为式(5)所示:

如此迭代下去，直至Xout稳定，这样衍射效率的变化为零或者保持为一个很小的数值。

经测试，实验用的AOM的衍射效率如图3所示，在反馈电压工作区间(0.6～0.8 V)衍射效率可以近似地看做是线性的，因此式(4)则表达近似成立，而式(2)的线性关系则取决于衍射效率。

图3 实验测得AOM的衍射效率Fig.3 Measured the diffraction efficiency of AOM

3 实验装置

所使用激光器原则上可以是任何种类的激光，只需选择相应波长的AOM即可。我们的演示实验中使用带输出尾纤的分布反馈式(DFB)半导体激光器(EYP-DFB-0852-00050-1500-BFY02-0000，Eagleyard Photonics Inc.)，其波长为 852 nm。采用Thorlabs公司的ITC502控温电流源一体机对激光器进行电流驱动和控温。激光器经过光纤耦合头发出激光，首先进入由两个平凸透镜组成的望远系统，而AOM则设置在两个平凸透镜的共同焦点处，光束足够小能够完全进入AOM。通过适当地调整AOM的方位和倾斜度，使激光在AOM中产生布拉格衍射。通过控制AOM的射频驱动电源开关，当关掉驱动源时，一级衍射光消失，而零级光斑位置不变，由此确定零级光斑，通过在望远系统之后加一光阑将零级光遮蔽。当AOM加足够功率的射频驱动时，其后只有+1级(或－1)级光通过光阑。然后使用PBS将光束分成两部分，一部分反射光将被探测器 PD1(Model 2033，New Focus Inc.)接收，作为反馈光取样。而透射光则由探测器PD2(C5331，Hamamatsu)接收，然后使用频谱分析仪(Agilent 4396B)观察激光的噪声强度谱。

反馈控制电路如图4所示，其核心部分是比较器部分和比例积分放大(PI)，这两部分的性能好坏对整个反馈控制系统至关重要。包括比例放大—对误差信号比例积分—叠加直流信号3个环节。电路图中的第一部分是第一级比例放大电路，此处可以根据探测器得到的电压信号Vin进行一定比例的放大或缩小，以此满足第二级运放的输入条件，以免出现失真。第二级电路是将一级比例运算得到的电压信号与一个标准信号反向求和得到的误差信号，再经比例积分，将直流信号滤除后得到一个平均值为零的交流信号，因此它只对后续AOM衍射效率的瞬时值有影响，而决定AOM衍射效率的平均值部分是图示所示第三部分，由精密电压基准AD581经过分压可以输出0～3.3 V的直流电压。采用Mini-Circuit公司的ZFRSC-2050加法器将第二部分PI电路得到的交流信号与第三部分的直流信号进行相加，可避免有源加法器带来的额外噪声，将输出电压信号供给射频压控振荡器(VCO)的功率控制端口(Va)以控制射频信号的输出功率，进而调节AOM的衍射效率。

图4 反馈控制电路Fig.4 Feedback control electronic circuit

4 实验结果与分析

上述实验装置搭建好之后，根据所用采样PD1输出的电压信号大小，调节比例放大参数，在DFB激光器的驱动电流为48.68 mA时，可以得到如图5所示激光强度噪声谱。图5(a)和(b)的横轴范围分别为4～60 kHz和4～200 kHz。图5中，谱线(1)是反馈回路断开时频谱分析仪得到的激光器输出激光的强度噪声;谱线(2)是反馈回路闭合时频谱分析仪得到的加入伺服反馈控制回路后激光的强度噪声;谱线(3)是在挡光情况下，探测器和频谱分析仪本身的电子学噪声信号，谱线(2)、(3)中也包括这部分噪声。从图5(a)可以看出，反馈回路闭合之后，在低频区域噪声显著减小，在47 kHz以下的噪声抑制比最大可以达到15 dB，说明此频率范围内的反馈回路工作在负反馈工作状态，噪声抑制情况良好。另外从图5(b)中还可以看到在78 kHz处会出现一个峰，这是由于高频信号在反馈回路中的延迟导致的正反馈现象。另外图5(a)中3条噪声强度谱线在19 kHz附近都存在一个尖峰，是由于实验室中其他信号干扰所致。

图5 激光噪声抑制情况Fig.5 Suppression of the laser intensity noise

需要特别说明的是在图5中的两幅图中谱线(3)起始横坐标附近有上升的趋势，这表示电子学噪声在低频处更高，而(1)、(2)谱线在起始横坐标附近有下降的趋势，这是由于交流探测器PD2的响应带宽为4 kHz～100 MHz在低频处的探测效率较低导致低频处的噪声强度低。倘若换用起始频率更低的探测器，便会在3条谱线上的更低频率段内都看到翘起的噪声谱，可以认为符合低频区域的1/f噪声，不过在图中可以看出，在使用相同的探测器情况下，谱仪得到的噪声强度谱线显示反馈回路闭合时的噪声确实得到抑制，因此我们选用此探测器仍可以反映噪声被抑制的实验结果。

从以上的实验结果分析影响整个回路的带宽限制因素，主要是整个回路各器件的时间响应问题，其中包括压控衰减器的时间响应，功放的时间响应，AOM的时间延迟，取样探测器的时间响应快慢。现已知反馈取样探测器PD1的带宽为300 kHz，对直流到300 kHz交流的信号均可很好地响应。一般情况下射频信号对AOM进行驱动时，造成的延迟大约为几十 ～500 ns［11］，这个也包括在整个回路的响应时间内，不过可以简单分析将时间的倒数作为带宽，至少也应该为几兆赫兹。在实验上通过给射频信号的功率控制端口输入一

图6 除反馈电路外其他部分的相位延迟Fig.6 Phase delay in the feedback loop except the feedback circuit

本文中所设计的光电反馈控制系统实现了激光强度控制，得到的噪声抑制带宽为47 kHz，在很大程度上将激光器在低频处的噪声进行了抑制，最大的噪声抑制比可达15 dB。文中由于在激光器外部施加反馈控制，可以广泛用于各类激光器的强度噪声抑制，以达到更稳定的激光输出。在引力波探测相关领域，利用低噪声的激光系统可以实现更高的灵敏度探测。通过光电反馈技术对激光器的强度噪声进行大幅度的抑制，是实现更高压缩度的压缩光的一个很重要的前提。在冷原子物理当中可以构建稳定度更好的光学偶极阱，进而延长原子的俘获寿命及退相干时间，为获得更高效率的单原子装载提供了必要的实验基础。个加一定偏置电压的特定频率正弦信号，然后观察AOM的衍射光照射在采样探测器上的电压信号，可以看到不同频率的正弦信号的响应时间不同，简单运算之后即可得到反馈控制在不同频率处的相位变化，如图6所示，随着频率的增加，整个回路的响应时间越长，相位延迟也越大。当反馈电压与信号光的相位差为90°时反馈变为正反馈。从图中可以得到21和134 kHz处的典型相位延迟分别为90°和180°。

当反馈回路的相移接近180°时，整个回路不再是负反馈而变成正反馈，导致在相应的频率处的噪声增加。不过这可以通过在电路当中引入相位提前的滤波电路或者在噪声增加处加入陷波电路加以解决。

5 结论

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