本发明专利技术公开了一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置及其调试方法。本发明专利技术将待稳定激光的功率对应的电压信号与高精度参考电压源通过零漂移差分电路进行比较和差分采样，采样信号经过模拟比例电路反馈至光功率控制器，最终在数百Hz以下频段有效减小激光功率波动达20dB，并达到1小时内数百PPM量级的长期稳定性。本发明专利技术中通过差分采样移除了直流分量，避免了电路量程和分辨率性能之间的矛盾，大幅度提高了光功率信号相对电路噪声的信噪比和长期稳定效果。总之，本发明专利技术通过差分采样反馈，提供了一种长期稳定性优良且结构简单可靠的激光光功率稳定方法及装置。激光光功率稳定方法及装置。激光光功率稳定方法及装置。
【技术实现步骤摘要】
基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置及其调试方法
[0001]本专利技术涉及了一种激光光功率稳定装置，具体涉及了一种基于差分采样反馈的高稳定性激光光功率稳定装置及其调试方法。
[0002]
技术介绍
高
[0003]激光的功率波动主要集中在数百Hz以内的频段，主要表现为相对强度噪声。相对强度噪声来源于激光光电非线转换过程的固有波动和气压、振动和温度等环境因素引起的激光器泵浦电流、腔位置等参数的随机变化。在数百Hz以上的频段，激光的功率波动相对较为微弱，主要表现为光学散粒噪声。光学散粒噪声来源于光的量子性，光学散粒噪声仅和平均光功率有关，无法通过经典力学的手段加以抑制。
[0004]激光的高功率稳定性的是众多科学研究和工业生产领域所需的基本条件，例如在冷原子物理的研究中，激光光强的波动会加速冷原子的相干叠加态的坍塌过程，减小可用的相互作用时间，严重制约量子测量的精度或者量子计算的准确度等整体科学装置的性能。又如，在悬浮透明介质的光动量传感装置研究中，光功率的波动会造成激光对透明介质施加的光辐射力的变化，增大悬浮透明介质的运动底噪，使得力学量传感的灵敏度指标恶化。然而，即使现有中高端的商用激光器的直接出光在1小时内的光功率长期稳定性(RMS值)基本在0.2％至2％之间，即2000PPM(parts per million，百万分之一)至20000PPM范围内，仍然难以满足现在和未来日益严苛的应用需求。因此，对制备高功率稳定性激光的探索具有相当重要的科学价值和现实意义。
[0005]目前对激光进行光功率稳定的方法主要包括泵浦电流内调制、饱和吸收和光强透过率外调制等。泵浦电流内调制是指反馈控制泵浦电流使得激光器出光稳定，其一般已经集成出厂后的商用激光器的内部，且性能已被厂家优化至较好水平，没有改进余地。饱和吸收利用半导体光放大器(SOA)输入光功率超过一定阈值时，增益会随输入光功率增大而降低的特性。但是SOA在放大光功率时会引入额外噪声，不适用于要求较宽频段内光功率波动均较低的应用场合。光强透过率外调制是指反馈控制电光晶体等的透过率使得透射激光光强稳定，其适用性强。但是光强透过率外调制中传统的直接采样光功率信号方法中，包含了无用的强直流分量，使得运算放大器或模数转换器的量程和电路底噪之间的矛盾难以调和，导致采样分辨率低和零漂性能差，限制了光功率相对强度噪声和长期稳定性能的进一步提高。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于差分采样反馈的高稳定性激光光功率稳定方法及装置。本专利技术的具体方案如下：
[0007]一、一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置
[0008]装置包括激光源、第一分束器、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡、参考电压源、差分电路、比例反馈电路和光功率控制器；
[0009]激光源、光功率控制器、第一分束器和第二分束器沿光轴依次布置，激光源出射的
光束经光功率控制器入射到第一分束器中发生透射和反射，第一分束器的反射光入射至第一光电探测器的光敏面上，第一光电探测器与差分电路的第二输入端相连，差分电路的第一输入端与参考电压源相连，差分电路的输出端经比例反馈电路后与光功率控制器相连，第一分束器的透射光入射至第二分束器发生透射和反射，第二分束器的透射光作为装置的输出光束，第二分束器的反射光入射到第二光电探测器的光敏面上，第二光电探测器与数据采集卡相连。
[0010]所述激光源为点激光源，所述第一分束器和第二分束器均为偏振无关的光学分束器。
[0011]所述第一分束器和第二分束器分束器的形状包括立方体型和平板型。
[0012]所述第一光电探测器和第一光电探测器均为反向偏压光电二极管结构，光电二极管的光敏面尺寸大于等于激光源的激光束腰直径的两倍。
[0013]所述光功率控制器包括基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光调制器和基于声光效应的声光调制器。
[0014]二、一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置的调试方法
[0015]1)开启参考电压源的工作电源，采集参考电压源的输出电压信号并记为基准电压信号V
ref
，根据基准电压信号V
ref
计算对应的等效光功率相对强度噪声谱并记为基准噪声谱S
ref,RIN
(ω)；
[0016]2)开启第一光电探测器、第二光电探测器、差分电路、数据采集卡、比例反馈电路和光功率控制器的工作电源，接着设定比例反馈电路的增益参数，再使用数据采集卡采集第二光电探测器的输出电压信号并记为第二电压信号V2，根据调试电压信号V2计算当前增益参数对应的等效光功率相对强度噪声谱并记为调试噪声谱；
[0017]3)改变比例反馈电路的增益参数N
‑
1次，采集并计算N
‑
1个增益参数对应的调试噪声谱；
[0018]4)将N个增益参数对应的调试噪声谱与基准噪声谱S
ref,RIN
(ω)进行曲线比较，从N个调试噪声谱中选择与基准噪声谱S
ref,RIN
(ω)的曲线最接近的调试噪声谱并记为最优噪声谱，将最优噪声谱对应的增益参数作为比例反馈电路的最优增益参数，此时光功率稳定装置被调试至已知的最佳性能状态。
[0019]所述4)中，计算N个增益参数对应的调试噪声谱和基准噪声谱之间的差的平方在整个频段的积分值，从N个调试噪声谱中选择积分值最小的调试噪声谱并记为最优噪声谱。
[0020]本专利技术的有益效果为：
[0021]本专利技术通过差分采样反馈，提供了一种长期稳定性优良且结构简单可靠的激光光功率稳定方法及装置。本专利技术是传统光强透过率外调制法的改进版，它将待稳定激光的功率对应的电压信号与高精度参考电压源通过零漂移差分电路进行比较和差分采样，采样信号经过模拟比例电路反馈至光功率控制器，最终在数百Hz以下频段有效减小激光功率波动，并达到数百PPM量级的激光功率长期稳定性。本专利技术克服了传统外调制的直接采样中的光电信噪比不足和长期稳定不佳的问题，并提供了一种简化的比例反馈模块的设计和调试方法，降低了稳定系统的成本和提高了长时间稳定工作所需的可靠性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术所述的一种基于差分采样反馈的高稳定性激光光功率稳定装置连接示意图。
[0023]图2为本专利技术所述的方法流程示意图。
[0024]图3为应用实施例一中参考电压源中衰减模块的电路原理图。
[0025]图4为应用实施例二中差分电路8的电路原理图。
[0026]图5为应用实施例二中比例反馈电路9的电路原理图。
[0027]图6为应用实施例一和二中，相对强度噪声谱S
ref,RIN
(ω)和S
RIN,1
(ω)光功率稳定前后的对比图。
[0028]图7为应用实施例三中比例反馈电路9的三种增益参数设置情况对应的激光相对强度噪声谱线S
RIN,k
(ω)。
[002本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置，其特征在于，包括激光源(1)、第一分束器(2)、第二分束器(3)、第一光电探测器(4)、第二光电探测器(5)、数据采集卡(6)、参考电压源(7)、差分电路(8)、比例反馈电路(9)和光功率控制器(10)；激光源(1)、光功率控制器(10)、第一分束器(2)和第二分束器(3)沿光轴依次布置，激光源(1)出射的光束经光功率控制器(10)入射到第一分束器(2)中发生透射和反射，第一分束器(2)的反射光入射至第一光电探测器(4)的光敏面上，第一光电探测器(4)与差分电路(8)的第二输入端相连，差分电路(8)的第一输入端与参考电压源(7)相连，差分电路(8)的输出端经比例反馈电路(9)后与光功率控制器(10)相连，第一分束器(2)的透射光入射至第二分束器(3)发生透射和反射，第二分束器(3)的透射光作为装置的输出光束，第二分束器(3)的反射光入射到第二光电探测器(5)的光敏面上，第二光电探测器(5)与数据采集卡(6)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置，其特征在于，所述激光源(1)为点激光源，所述第一分束器(2)和第二分束器(3)均为偏振无关的光学分束器。3.根据权利要求1所述的一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置，其特征在于，所述第一分束器(2)和第二分束器(3)分束器的形状包括立方体型和平板型。4.根据权利要求1所述的一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置，其特征在于，所述第一光电探测器(4)和第一光电探测器(5)均为反向偏压光电二极管结构，光电二极管的光敏面尺寸大于等于激光源(1)的激光束腰直径的两倍。5.根据权利要求1所述的一种基于差分采样反馈的激光光功率稳定装置，其特征在于，所述光功率控制器(10)包括基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光调制...
【专利技术属性】
技术研发人员：祝训敏，何沛彤，杨靖，傅振海，高晓文，胡慧珠，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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