光功率稳定装置中分光器件的影响分析及抑制方法研究∗

王春罗涛

（武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

光功率稳定装置中分光器件的影响分析及抑制方法研究∗

王春罗涛

（武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

激光光功率稳定装置中分光器件的分光比存在不稳定性，论文从理论上定量分析了分光比的波动对环外光功率稳定效果的影响，并提出了一种抑制分光比波动影响的方案。通过理论分析及仿真，证明了该方案可以有效抑制分光器件分光比的不稳定性带来的环外功率波动。

光功率稳定；分光比；反馈控制

C lassNum ber TN247

1 引言

光功率稳定是一项非常重要的激光技术。对于很多依赖于激光的精密测量仪器而言，光功率的波动会极大地限制测量灵敏度，因此在诸多领域激光功率稳定得到了广泛的应用，如引力波探测［1～3］、精密光谱测量［4～5］、光纤陀螺仪［6～7］等。

目前采用反馈控制电路配合执行器件进行光功率稳定可以将光源的功率波动降低到可以忽略的水平［8～9］。但光功率稳定装置能进行有效稳定的是处于反馈环内的激光，而环外的激光功率噪声来源并不与环内激光相同，一个重要的因素就是分光器件的不稳定性［10～11］带来的环外光功率漂移。

2 分光器件稳定性影响分析

典型的光功率稳定装置［12～13］如图1所示。其中Attenuator为电压控制的光衰减器件，Splitter为分光器件，PD为光电探测器，Vref为参考电压，servo为控制电路。图中实线代表光路，虚线代表电信号。

图1 光功率稳定装置示意图

从图1可以看出，激光功率稳定需采用分光器件将激光分为两路，一路用于闭环反馈控制（环内），另一路（环外）输出用于测量等应用，对激光实施功率稳定最根本的目的是要实现环外激光功率的稳定。然而此种类型激光功率稳定装置直接稳定的是环内的光功率，反馈控制系统对激光光源的噪声进行了有效地抑制，但对分光器件分光比的漂移带来的环外激光光功率的波动却无能为力。

光功率稳定装置框图如图2所示。P为光源光功率，R为分光器件反射系数，T为分光器件透射系数，Gp为环内光电探测器增益，GS为servo增益。

图2 光功率稳定装置框图

设进入分光器件前光功率为 f，则有

可解出

则环内（反射）光功率为

由上式可以看出，在此反馈系统中，尽量提高servo增益Gs，可有效压制光源功率P波动的影响。若Gs→∞，则，PR→Vref/Gp，可见系统控制的效果就是让PD1输出的电信号牢牢地锁在参考电压上，从而实现光功率的稳定。对于环外，则有

若Gs→∞，则 PT→TVref/RGp。可见，提高环路增益可以提高环内激光功率的稳定性，其稳定性主要受参考电压影响，而环外激光功率还受分光器件稳定性的影响。

分光器件的分光比通常会受激光波长、环境温度、激光到分光元件的入射角度等因素的影响。由于分光器件还有损耗，T=1-R-L，其中L为损耗系数。为了方便估计分光比稳定性对环外光功率的影响，可以忽略影响较小的损耗部分，T≈1-R；另外设Gs增益足够大，可以忽略光源功率波动的影响。此时

可以看出，在环路增益足够大的时候，环外光功率的相对波动与分光器件的反射系数波动成正比，比例系数为-1/RT。

在实际应用中，由于光功率有限，通常会使R较小，以保证环外有较大的光功率供测量等使用。举个例子，若R/T=0.1/0.9，波动值为0.01，根据式（6），环外功率波动可达11%。使用反馈控制系统，可以很容易将光源的功率波动抑制到0.1%以下，此时分光器件的稳定性成为限制环外光功率稳定的主要因素。

3 抑制方法研究

为抑制分光器件稳定性对环外光功率的影响，本文提出了基于辅助激光的控制系统方案，如图3所示。

图3 基于辅助激光的光功率稳定装置示意图

其中Laser 0为待稳定的激光光源；Laser 1为辅助激光，功率为P1；PD3及PD4分别接收辅助激光经同一分光器件反射及透射的激光。

按照前述方式分析此系统，仍设待稳定激光进入分光器件前光功率为f，则有

由式（10）可以看出当Gs→∞，PT→Vref/Gp，环外光功率与分光器件的反射、透射系数无关。

4 仿真验证

为检验上述方案，采用Simulink建立光功率稳定装置模型，模型如图4所示。

图4 原始光功率稳定方案（Scheme1）

Laser 0为光源，平均功率为0.02W，功率波动幅度为0.01W，波动频率为1Hz；Gp为光电探测器，增益为-1000V/W；servo为伺服控制电路，增益为105W/V；Splitter为分光器件，分光比为2/8，其模型如图5所示，其中“SineWave”模块表达式为y=0.2+A*sin（wt+F），可以调节分光比，以及分光比的波动。

图5 分光器件模型

若将“SineWave”模块表达式中A设置为0，即y为常数0.2，则构成一个分光比固定的分光模块；若在常数上加一个正弦波动，则可模拟反射系数在0.2上下波动的分光模块。

首先仿真了固定分光比（dR=0）的情形，在反馈控制的作用下环外功率波动幅度约为4×10-10W。然后修改分光模块“SineWave”表达式，使A=0.01，w=0.3*2p，F=0，即反射系数在1.99～2.01之间以0.3Hz的频率波动。此时仿真结果显示环外功率波动幅度约为6.2×10-4W，即相对功率波动为6.2%，与理论分析结果一致。这个例子中，分光比的微小变化导致环外功率稳定效果差了6个数量级。

进一步仿真了基于辅助激光的光功率稳定方案，仿真模型见图6。

图6 基于辅助激光的光功率稳定方案（Scheme2）

模型中Laser 1为辅助激光，其输出没有特殊要求，本模型中设置为一带偏置的正弦函数。分光模块仍然保持dR=0.01的波动。Laser 1与Laser 0经过同一分光模块，经光电探测器将相应光功率转换为电信号后作相应的乘除法操作，然后与参考信号作差后输出伺服控制电路。这里乘除法模块后增加了一个0.25的增益，是为了保证与原始方案（Scheme1）反馈控制环路增益一致而便于比较。经仿真，本模型输出的环外功率波动幅度约为4×10-10W，与原始方案中分光器件分光比固定的情况近似一致。

上述三种情况下的仿真结果如图7所示。稳定后的功率平均值均为0.01W，这是由参考电压决定的。从图中可以看出，原始方案中分光器件dR=0.01时，环外功率相对波动达到了6.2%，这样的功率稳定效果在精密测量中是不可接受的。

图7 环外光功率稳定仿真结果

为了更清楚地展示改进方案抑制分光器件分光比波动影响的效果，将原始方案中分光比固定情况下的功率稳定结果与改进方案中分光比波动情况下的功率稳定结果放大对比，如图8所示，可以看出，两条曲线基本重合，这说明基于辅助激光的改进方案抑制分光比波动影响的效果非常明显。

图8 环外光功率稳定仿真结果（放大图）

5 结语

本文从理论上分析了光功率稳定装置中分光器件对环外光功率的影响，提出了一种抑制该影响的方案，通过分析与仿真验证，表明该方案可有效抑制分光器件分光比的不稳定性带来的环外功率波动。

［1］Seifert F，Kwee P，Heurs M，et al.Laser power stabilization for second-generation gravitational wave detectors［J］.Optics letters，2006，31（13）：2000-2002.

［2］Willke B.Stabilized lasers for advanced gravitationalwave detectors［J］.Laser&Photonics Reviews，2010，4（6）：780-794.

［3］ Kwee P，Bogan C，Danzmann K，et al.Stabilized high-power laser system for the gravitational wave detector advanced LIGO［J］.Optics Express，2012，20（10）：10617.

［4］Ma L S，Ye J，DubéP，et al.Ultrasensitive frequency-modulation spectroscopy enhanced by a high-finesse optical cavity：theory and application to overtone transitions of C2H2and C2HD［J］.Journal of the Optical Society of America B，1999，16（12）：2255-2268.

［5］Chun Wang，Shasha lv，Fang Liu，Jin Bi，Liufeng Li，and Lisheng Chen.Developing a narrow-line laser spectrometer based on a tunable continuous-wave dye laser.Review of Scientific Instruments［J］.Review of Scientific Instruments，2014，85（8）：083113.

［6］王杰，杨明伟，杨远洪.光功率稳定性对光纤陀螺性能的影响研究［J］.激光与红外，2015，45（4）：422-426.

［7］米剑，张春熹，李铮，等.非理想闭环光纤陀螺零偏与光功率的关系［J］.光子学报，2007，36（4）：672-675.

［8］Ottaway D，Rollins J，Zucker M，et al.Solid-state laser intensity stabilization at the 10-8level［J］.Optics Letters，2004，29（16）：1876-8.

［9］Fang Liu，Chun Wang，Liufeng Li，and Lisheng Chen.Long-term and wideband laser intensity stabilization with an electro-optic amplitudemodulator［J］.Optics&Laser Technology，2013，45：775-781.

［10］楼永坚，曹向群.分光棱镜的分光性能测试研究［J］.光学仪器，2002，24（6）：7-10.

［11］史金辉，王政平.消偏振分光棱镜的设计与性能分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29（9）：1019-1022.

［12］李海峰，谷震英，郭转运.使用液晶调制器的激光功率稳定系统［J］.光电子·激光，1991（1）：53-57.

［13］高致慧，李景镇，马丹，等.基于电光调制的激光功率稳定系统［J］.激光杂志，2000，21（2）：20-21.

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，工程师，研究方向：光电子及舰船导航技术。罗涛，男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船导航技术。