專利名稱：一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置和鎖定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光功率穩(wěn)定技術(shù)，特別是一種基于聲光調(diào)制器，并且與激光系 統(tǒng)偏振變化無關(guān)的腔外功率穩(wěn)定裝置和鎖定方法。
背景技術(shù)：
激光技術(shù)在通信、醫(yī)療、工業(yè)制造和科研等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。激光功率的 穩(wěn)定性是這些應(yīng)用中的一個關(guān)鍵因素。通過負反饋系統(tǒng)調(diào)整激光器的諧振腔或直接調(diào)節(jié)驅(qū) 動源可以實現(xiàn)光功率穩(wěn)定。但是，這種方法在調(diào)節(jié)光功率的同時還會改變激光器的輸出波 長，因此對激光功率和頻率穩(wěn)定性都有較高要求的情況并不能滿足要求。利用腔外功率穩(wěn) 定技術(shù)可以克服上述缺點。其原理是利用分束器在光路中需要功率穩(wěn)定的地方分出一小 部分光，通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號后再跟標準電壓進行比較得出誤差信號，通過負反 饋電路調(diào)制法拉第旋光器或電光調(diào)制器等執(zhí)行器件來改變待穩(wěn)光的偏振方向，再配合檢偏 器實現(xiàn)光功率的穩(wěn)定。傳統(tǒng)方法中分束器的分光比受激光偏振性質(zhì)影響，因此當光路中的激光偏振隨環(huán) 境溫度等因素發(fā)生變化時，光功率的長期穩(wěn)定性將大幅下降。此外，在光功率變化較大的 場合，傳統(tǒng)方法中的法拉第旋光器或電光調(diào)制器等執(zhí)行器件通常需要很大的控制電流或電 壓，這不但增加了反饋控制電路設(shè)計的難度，而且較大的電路噪聲將直接降低光功率的短 期穩(wěn)定性能。因此原有的方法無法實現(xiàn)激光功率大波動范圍下的高精度穩(wěn)定控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決外腔式光功率穩(wěn)定系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性受激光偏振變化 影響的問題，并提高系統(tǒng)在光功率大波動范圍時的短期穩(wěn)定性，提供一種與激光偏振變化 無關(guān)的基于聲光調(diào)制器的激光腔外功率穩(wěn)定技術(shù)，用來取代傳統(tǒng)的激光腔外功率穩(wěn)定技 術(shù)。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下
本發(fā)明是一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置，包括激光系統(tǒng)、聲光調(diào)制器、二分之一波片、偏 振分束器、非偏正分束器、光電二極管、光功率穩(wěn)定控制電路和聲光調(diào)制器驅(qū)動，通過激光 光路連接，構(gòu)成激光腔外功率穩(wěn)定裝置的整體，其中，光電二極管、光功率穩(wěn)定控制電路和 聲光調(diào)制器驅(qū)動之間通過同軸電纜連接。本發(fā)明所述裝置使用了聲光調(diào)制器以及偏振純化的光路；激光系統(tǒng)是待功率穩(wěn)定 的激光系統(tǒng)，聲光調(diào)制器對輸入的激光進行調(diào)制，分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出激 光，同時它還能控制‘0’級和‘1’級光的功率比；二分之一波片將從聲光調(diào)制器出射光的線 偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平，盡量多地通過偏振分束器；偏振分束器按照偏振方向讓激光透射或 者反射，起到純化后面光路偏振方向的作用；非偏振分束器將激光按分光比透射或者反射， 反射光作為光功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，透射光作為功率穩(wěn)定后的輸出；光電二極管探測經(jīng)非 偏振分束器反射的激光，將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號；光功率穩(wěn)定控制電路將光電二極管采集到的電信號進行放大，再跟一個標準電壓源通過差分比較電路比較后，用PID控制電路 處理成負反饋信號后，與直流調(diào)壓電路設(shè)置的偏置值通過加法電路疊加后，輸出到聲光調(diào) 制器驅(qū)動的調(diào)幅端；所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動用射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器，它的調(diào)幅端接受 光功率穩(wěn)定控制電路產(chǎn)生的電壓信號來控制射頻信號的幅度。本發(fā)明所述的聲光調(diào)制器輸出‘0’級和‘1’級激光的功率比與聲光調(diào)制器驅(qū)動輸 入的射頻信號幅度成線性關(guān)系，‘0’級激光的頻率和輸出方向都不變，‘1’級激光的頻率增 加一個聲子頻率，輸出方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子頻率與激光頻率之比。本發(fā)明所述的二分之一波片將從聲光調(diào)制器出射光的線偏振旋轉(zhuǎn)到水平方向，理 論上能全部透射通過后面的偏振分束器，隨著激光系統(tǒng)中的激光偏振方向發(fā)生漂移，從偏 振分束器透射的光強將發(fā)生微小變化，但是透射光的線偏振方向保持水平，起到了偏振純 化的作用。本發(fā)明所述的非偏振分束器對水平和豎直方向偏振光的反射率是有微小差距的， 在非偏振分束器跟聲光調(diào)制器之間插入二分之一波片和偏振分束器組成的偏振純化光路， 將最大限度地消除光功率穩(wěn)定后的長期漂移。本發(fā)明所述的光功率穩(wěn)定控制電路是一個低壓信號處理電路，作為一個整體設(shè)計 成印刷電路板并制作成獨立的電路裝置，它將光電二極管采集到的電信號通過微弱信號放 大電路放大，與標準電壓源通過差分比較電路差分后，再通過PID控制電路進行負反饋處 理得到誤差信號，與直流調(diào)壓電路設(shè)置的偏置值通過加法電路相加后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū) 動的調(diào)幅端形成光功率穩(wěn)定的反饋控制信號。本發(fā)明所述的激光系統(tǒng)出射的激光經(jīng)過聲光調(diào)制器后分成方向不同的‘0’級和 ‘1’級輸出，根據(jù)光功率的波動范圍設(shè)置聲光調(diào)制器驅(qū)動的輸出功率，使得‘1’級光的強度 略大于光功率的波動幅度，將其作為穩(wěn)定‘0’級光功率的“緩沖池”并用黑屏遮擋，出射的 ‘0’級光經(jīng)過二分之一波片旋轉(zhuǎn)線偏振方向后通過偏振分束器，透射的水平偏振光被非偏 振分束器反射一小部分輸入光電二極管探測作為光功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，大部分光出射并 作為輸出光，光功率穩(wěn)定控制電路將光電二極管采集到的電信號通過微弱信號放大器進行 放大，再跟一個標準電壓源通過差分比較電路差分后，用PID控制電路處理成誤差信號，最 后還要疊加上由直流調(diào)壓電路設(shè)置的‘1’級光初始功率的直流偏置值，輸出到聲光調(diào)制器 驅(qū)動的調(diào)幅端形成負反饋環(huán)路，最后，從非偏振分束器透射輸出的激光功率將被環(huán)路鎖定， 鎖定點的功率大小由直流調(diào)壓電路設(shè)置。本發(fā)明利用較高衍射效率的聲光調(diào)制器增加光功率穩(wěn)定的動態(tài)范圍；利用聲光調(diào) 制器驅(qū)動調(diào)幅端的低直流控制電壓降低電路噪聲，實現(xiàn)較高的光功率短期穩(wěn)定度。本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明提供的激光腔外功率穩(wěn)定技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)激光功率大波動范圍時的高精度穩(wěn)定 控制，光路簡單，易于調(diào)整；利用聲光調(diào)制器的高衍射效率特性實現(xiàn)光功率大波動范圍內(nèi)的 穩(wěn)定；利用偏振純化光路可以將激光系統(tǒng)的偏振漂移轉(zhuǎn)化為功率波動，提高光功率的長期 穩(wěn)定性；聲光調(diào)制器驅(qū)動可以使用低電壓的控制電路，降低控制電路的設(shè)計難度和制作成 本的同時，能夠顯著降低電路噪聲，實現(xiàn)較高的光功率短期穩(wěn)定度；另外，聲光調(diào)制器可以 同時完成對激光頻率的控制，有利于簡化光路，提高系統(tǒng)集成度。


附圖1是激光腔外功率穩(wěn)定裝置的示意圖； 附圖2是光功率穩(wěn)定控制電路的示意圖中1是激光系統(tǒng)，2是聲光調(diào)制器，3是二分之一波片，4是偏振分束器，5是非偏正 分束器，6是光電二極管，7是光功率穩(wěn)定控制電路，8是聲光調(diào)制器驅(qū)動，9是微弱信號放大 電路，10是標準電壓源，11是差分比較電路，12是PID控制電路，13是直流調(diào)壓電路，14是 加法電路。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種激光腔外功率穩(wěn)定技術(shù)，在傳統(tǒng)方法中的分束器前增加一個二分 之一波片3和一個偏振分束器4，同時將反饋執(zhí)行器件換成聲光調(diào)制器2就可以實現(xiàn)，光路 簡單，易于調(diào)整，成本增加不多；卻能夠利用聲光調(diào)制器2較高的衍射效率實現(xiàn)光功率大波 動范圍內(nèi)的穩(wěn)定；由于可以使用低電壓的控制電路，在降低電路設(shè)計難度和制作成本的同 時，能夠顯著降低電路噪聲，實現(xiàn)較高的光功率短期穩(wěn)定度；對傳統(tǒng)分束器的改進可以將激 光系統(tǒng)1的偏振變化轉(zhuǎn)化為功率波動，利用聲光調(diào)制器2的大動態(tài)范圍特性提高光功率的 長期穩(wěn)定性；另外，聲光調(diào)制器2可以同時完成對激光頻率的控制，這也有利于簡化光路， 提高系統(tǒng)集成度。本發(fā)明提供一種激光功率穩(wěn)定技術(shù)，包括激光腔外功率穩(wěn)定裝置和鎖定方法。本發(fā)明提供一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置，(參見附圖1)主要由激光系統(tǒng)1、聲光調(diào) 制器2、二分之一波片3、偏振分束器4、非偏振分束器5、光電二極管6、光功率穩(wěn)定控制電路 7和聲光調(diào)制器驅(qū)動8組成，各部分通過激光光路(圖中實線)和同軸電纜(圖中虛線)連接， 構(gòu)成激光腔外功率穩(wěn)定裝置的整體，其中光功率穩(wěn)定控制電路7，(參見附圖2)主要由微弱 信號放大電路9、標準電壓源10、差分比較電路11、PID控制電路12、直流調(diào)壓電路13和加 法電路14作為一個電路整體設(shè)計成印刷電路板。本發(fā)明提供一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置，使用了聲光調(diào)制器2以及偏振純化的光 路；所述的激光系統(tǒng)1是待穩(wěn)定功率的激光系統(tǒng)；所述的聲光調(diào)制器2對輸入的激光進行 調(diào)制，分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出激光，同時它還能控制‘0’級和‘1’級光的功率 比；所述的二分之一波片3將從聲光調(diào)制器2出射光的線偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平，盡量多地通 過偏振分束器4 ；所述的偏振分束器4按照偏振方向讓激光透射或者反射，起到純化后面光 路偏振方向的作用；所述的非偏振分束器5將激光按分光比透射或者反射，反射光作為光 功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，透射光作為功率穩(wěn)定后的輸出；所述的光電二極管6探測經(jīng)非偏振 分束器5反射的激光，將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號；所述的光功率穩(wěn)定控制電路7將光電二 極管6采集到的電信號進行放大，再跟一個標準電壓源10通過差分比較電路11比較后，用 PID控制電路12處理成負反饋信號后，與直流調(diào)壓電路13設(shè)置的偏置值通過加法電路14 疊加后，輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端；所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動8用射頻信號驅(qū)動聲光 調(diào)制器2，它的調(diào)幅端接收光功率穩(wěn)定控制電路7產(chǎn)生的電壓信號來控制射頻信號的幅度。本發(fā)明所述的聲光調(diào)制器2輸出‘0’級和‘1’級激光的功率比與聲光調(diào)制器驅(qū)動 8輸入的射頻信號幅度成線性關(guān)系?！?’級激光的頻率和輸出方向都不變，‘1’級激光的頻 率增加一個聲子頻率，輸出方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子頻率與激光頻率之比。
本發(fā)明所述的二分之一波片3將從聲光調(diào)制器2出射光的線偏振旋轉(zhuǎn)到水平方 向，理論上能全部透射通過后面的偏振分束器4，但隨著激光系統(tǒng)1中的激光偏振方向發(fā)生 漂移，從偏振分束器4透射的光強將發(fā)生微小變化，但是透射光的線偏振方向保持水平，起 到了偏振純化的作用。本發(fā)明所述的非偏振分束器5對水平和豎直方向偏振光的反射率是有微小差異 的。在非偏振分束器5跟聲光調(diào)制器2之間插入二分之一波片3和偏振分束器4組成的偏 振純化光路，將最大限度地消除光功率穩(wěn)定后的長期漂移。本發(fā)明所述的光功率穩(wěn)定控制電路7是一個低壓信號處理電路，作為一個整體設(shè) 計成印刷電路板并制作成獨立的電路裝置。它將光電二極管6采集到的電信號通過微弱信 號放大電路9放大，與標準電壓源10通過差分比較電路11差分后，再通過PID控制電路 12進行負反饋處理得到誤差信號，與直流調(diào)壓電路13設(shè)置的偏置值通過加法電路14相加 后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端形成光功率穩(wěn)定的反饋控制信號。本發(fā)明提供一種激光腔外功率穩(wěn)定的方法是激光系統(tǒng)1出射的激光經(jīng)過聲光調(diào) 制器2后分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出，根據(jù)光功率的波動范圍設(shè)置聲光調(diào)制器驅(qū) 動8的輸出功率，使得‘1’級光的強度略大于光功率的波動幅度，將其作為穩(wěn)定‘0’級光功 率的“緩沖池”并用黑屏遮擋(根據(jù)實際使用情況，完全可以反過來將‘0’級光作為光功率 的緩沖池，而將‘1’級光作為輸出)。出射的‘0’級光經(jīng)過二分之一波片3旋轉(zhuǎn)線偏振方 向后通過偏振分束器4。透射的水平偏振光被非偏振分束器5反射一小部分輸入光電探測 6作為光功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，大部分光出射并作為輸出光。光功率穩(wěn)定控制電路7將光電 二極管6采集到的電信號通過微弱信號放大器9進行放大，再跟一個標準電壓源10通過差 分比較電路11差分后，用PID控制電路12處理成誤差信號，最后還要疊加上由直流調(diào)壓電 路13設(shè)置的‘1’級光初始功率的直流偏置值，輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端形成負反 饋環(huán)路。最后，從非偏振分束器5透射輸出的激光功率將被環(huán)路鎖定，鎖定點的功率大小由 直流調(diào)壓電路13設(shè)置。本發(fā)明所述的激光系統(tǒng)1是待穩(wěn)定功率的激光系統(tǒng)，可以是單一的激光器，也可 以是包含了多種光學元件的光路系統(tǒng)，默認該系統(tǒng)的激光是線偏振的，如果存在圓偏振可 用四分之一波片預(yù)先轉(zhuǎn)化為線偏振。本發(fā)明所述的聲光調(diào)制器2，通過換能器將輸入的驅(qū)動射頻信號轉(zhuǎn)換成為超聲波， 施加在聲光晶體上，形成聲學光柵。入射的激光通過光柵后將發(fā)生衍射，‘0’級衍射光波長 和傳輸方向不變；‘1’級衍射光頻率增加一個聲子頻率，方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子 頻率與激光頻率之比。同時，‘0’級和‘1’級光的功率比由射頻信號的幅度決定，射頻信號 幅度越大‘1’級光占入射光總功率的比重越大，射頻信號幅度為零時入射激光能量全部集 中在‘0’級光。本發(fā)明所述的二分之一波片3是一定厚度的雙折射晶體，可將線偏振激光的偏振 方向進行旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明所述的偏振分束器4，可使水平偏振的激光完全透射，豎直偏振的激光完全 反射。本發(fā)明所述的非偏振分束器5是一種可將激光分成兩束的光學元件。理論上它的 分光比跟入射激光的線偏振方向無關(guān)，但是現(xiàn)有的實際產(chǎn)品對水平和豎直方向偏振光的反射率是有微小差距的，越是偏離1:1的分光比，這樣的差距將越大。本發(fā)明所述的光電二極管6可以將光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，入射的光功率越 強，電流信號也越強。本發(fā)明所述的光功率穩(wěn)控制電路7作為一個整體的電路裝置，它將光電二極管6 采集到的電信號通過微弱信號放大電路9放大，與標準電壓源10通過差分比較電路11差 分后，再通過PID控制電路12進行負反饋處理得到誤差信號，與直流調(diào)壓電路13設(shè)置的偏 置值通過加法電路14相加后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端形成光功率穩(wěn)定的反饋控 制信號。所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動8是一種大功率的射頻信號發(fā)生裝置，用射頻信號驅(qū)動聲 光調(diào)制器2，射頻信號的頻率決定從聲光調(diào)制器2出射激光的附加頻移和偏轉(zhuǎn)角度，射頻信 號的幅度決定從聲光調(diào)制器2出射‘1’級光的衍射效率。本發(fā)明所述的微弱信號放大電路9是一種電流電壓轉(zhuǎn)換電路，使用較小電流噪聲 的高精度運算放大器搭建。本發(fā)明所述的標準電壓源10是一種低溫度系數(shù)的電壓基準電路，作為輸入光功 率電壓信號的參考基準。本發(fā)明所述的差分比較電路11是一種具有較高共模抑制比的差分電路，它可以 由精密電阻和運算放大器搭建，也可以直接采用集成芯片。本發(fā)明所述的PID控制電路12是一種基于比例(P)、積分(I)和微分(D)電路的 反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的 大小，可以用普通運算放大器搭建。本發(fā)明所述直流調(diào)壓電路13是一種可調(diào)分壓電路，電壓基準參考到標準電壓源 10。本發(fā)明所述的加法電路14由兩級反向加法電路構(gòu)成，可由普通運算放大器搭建。本發(fā)明所提供的一種激光腔外功率穩(wěn)定技術(shù)的機理是激光系統(tǒng)1出射的激光經(jīng) 過聲光調(diào)制器2后分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出，將其中一束光作為另一束光的功 率“緩沖池”，利用反饋控制聲光調(diào)制器驅(qū)動8的射頻信號幅度來實現(xiàn)光功率的穩(wěn)定。由于 聲光調(diào)制器2的‘1’級光有較高的衍射效率，因此可以實現(xiàn)光功率大波動范圍內(nèi)的穩(wěn)定，從 聲光調(diào)制器2出射的待穩(wěn)定光經(jīng)過二分之一波片3將其線偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平后，再透射 通過偏振分束器4，激光系統(tǒng)1中的偏振方向漂移就被偏振純化光路轉(zhuǎn)換成了光功率的漂 移。透射光被非偏振分束器5反射一小部分后輸入光電探測6，大部分光出射并作為功率穩(wěn) 定后的輸出光，由于入射非偏振分束器5的激光偏振是不變的，因此能夠保證其反射光的 變化能夠真實地反映透射光的波動，光電二極管6采集到的電信號經(jīng)過光功率穩(wěn)定控制電 路7處理后得到誤差信號，再輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端控制其射頻信號幅度，形成 負反饋環(huán)路。由于用幾伏特的電壓就可以控制聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端，因此光功率穩(wěn) 定控制電路7能用普通的低電壓精密運算放大器搭建，大大降低了電路噪聲，能夠?qū)崿F(xiàn)較 高的光功率穩(wěn)定短期精度。實施例1
參見附圖1，主要由激光系統(tǒng)1、聲光調(diào)制器2、二分之一波片3、偏振分束器4、非偏正分 束器5、光電二極管6、光功率穩(wěn)定控制電路7和聲光調(diào)制器驅(qū)動8組成。其中光功率穩(wěn)定控制電路7，參見附圖2，主要由微弱信號放大電路9、標準電壓源10、差分比較電路11、PID 控制電路12、直流調(diào)壓電路13和加法電路14組成。所述的激光系統(tǒng)1是待功率穩(wěn)定的激光系統(tǒng)；本實施實例使用的是包括Toptica 公司的DL-Pro可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、BoosTA錐形激光放大器，以及若干光纖耦合器、反射 鏡和透鏡組成的原子激光冷卻光路系統(tǒng)。輸出波長設(shè)置在780. Inm,需要光功率穩(wěn)定部分的 輸出功率為15mw，光功率的波動范圍為10%左右。所述的聲光調(diào)制器2對輸入的激光進行調(diào)制，分成方向不同的‘O’級和‘1’級輸 出激光，它可以通過輸入射頻的幅度控制‘O’級和‘1’級光的功率比。本實施實例利用‘O’ 級光作為“緩沖池”，將‘1’級光作為被穩(wěn)光輸出，使用的是Crystal Technology公司的 3080 - 122型聲光調(diào)制器，工作中心頻率80MHz，‘1，級光最大衍射效率為80%左右。所述的二分之一波片3是一定厚度的雙折射晶體，將‘O’級光旋轉(zhuǎn)為水平偏振，盡 量多地通過后面的偏振分束器4。所述的偏振分束器4按照偏振方向讓激光透射或者反射。經(jīng)過二分之一波片2旋 轉(zhuǎn)偏振方向的光理論上能全部透射，但是由于待穩(wěn)激光系統(tǒng)的偏振方向會發(fā)生變化，因此 功率穩(wěn)定過程中反射端也會有部分光出射，需要用黑屏遮擋。所述的非偏振分束器5是一種可將激光分成兩束的光學元件，透射光作為輸出 光，反射光作為功率監(jiān)視光。理論上非偏振分束器5分光比跟入射激光的線偏振方向無關(guān)， 但是現(xiàn)有的實際產(chǎn)品對水平和豎直方向偏振光的反射率是有微小差距的，本實施實例使用 的是分光比為1 1的非偏振分束器，對水平和豎直兩種偏振光的反射率差小于5%，5mw左右 的光作為功率監(jiān)視光輸入光電探測器6。所述的光電二極管6可以將從偏振分束器5反射的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號，入 射光的功率和得到的電信號大小應(yīng)成線性關(guān)系。本實施實例所使用是Hamamatsu公司的 S1223硅PIN型光電二極管，光電轉(zhuǎn)換效率為0. 52A/W。所述的光功率穩(wěn)控制電路7是一套自制的電路裝置，它將光電二極管6采集到的 電信號通過微弱信號放大電路9放大，與標準電壓源10通過差分比較電路11差分后，再通 過PID控制電路12進行處理得到誤差信號，與直流調(diào)壓電路13設(shè)置的偏置值通過加法電 路14相加后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8的調(diào)幅端形成光功率穩(wěn)定的負反饋控制信號。所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動8用射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器2，射頻信號的頻率決定從 聲光調(diào)制器2出射激光的附加頻移和偏轉(zhuǎn)角度。射頻信號的幅度決定從聲光調(diào)制器2出射 ‘1，級光的衍射效率。本實施實例使用的是Crystal "Technology公司的1080 AF-AEN0-20 型聲光調(diào)制器驅(qū)動，射頻輸出頻率為80MHz。根據(jù)激光系統(tǒng)1的功率抖動范圍，設(shè)置其射頻 輸出功率約為^dBm,對應(yīng)其調(diào)幅端的直流偏置電壓為0. 6V，相應(yīng)的‘1’級光衍射效率為 60% (留20%的功率調(diào)節(jié)范圍)。所述的微弱信號放大電路9是一種電流電壓轉(zhuǎn)換電路級聯(lián)比例放大電路。本實施 實例使用0P27精密運算放大器，采用光伏模式將光電二極管6探測到的光功率轉(zhuǎn)換為5V 左右的電壓信號。所述的標準電壓源10是一種低溫度系數(shù)的電壓基準，作為輸入光功率電壓信號 的參考基準。本實施實例所使用的是AD581精密電壓源芯片，其基準電壓為10V，溫度系數(shù) 達到 5ppm/°C。
所述的差分比較電路11是一種具有較高共模抑制比的差分電路。本實施實例采 用的是AD620精密儀表放大器芯片，其電壓放大系數(shù)設(shè)置為1。每次功率穩(wěn)定前，需通過簡 單的調(diào)壓電路將標準電壓源10的分電壓設(shè)置到微弱信號放大電路9得到的直流電位附近， 差分得到零附近的誤差信號，以方便后級的PID控制電路鎖定。所述的PID控制電路12是一種反饋控制電路，根據(jù)差分比較電路11得到的誤差 信號確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小，直到誤差信號的直流值為 零，并且交流值最小。本實施實例采用0P07芯片搭建了 PID電路。所述直流調(diào)壓電路13是一種可調(diào)分壓電路，本實施實例用滑動變阻器實現(xiàn)參考 標準電壓源10實現(xiàn)。光功率穩(wěn)定前后，都可以在聲光調(diào)制器2的動態(tài)范圍內(nèi)通過直流調(diào)壓 電路13的直流電位來控制被穩(wěn)光的功率。所述的加法電路14將PID控制電路12得到的誤差信號和直流調(diào)壓電路13設(shè)置 的直流電位疊加后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動8，本實施例由0P07芯片通過兩級反向差分電路 搭建，放大比例系數(shù)設(shè)置為1。
權(quán)利要求
1.一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置，包括激光系統(tǒng)(1)、聲光調(diào)制器(2)、二分之一波片 (3)、偏振分束器(4)、非偏正分束器(5)、光電二極管(6)、光功率穩(wěn)定控制電路(7)和聲光 調(diào)制器驅(qū)動(8)，其特征是通過激光光路連接，構(gòu)成激光腔外功率穩(wěn)定裝置的整體，其中， 光電二極管(6)、光功率穩(wěn)定控制電路(7)和聲光調(diào)制器驅(qū)動(8)之間通過同軸電纜連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置，其特征是所述裝置使用了聲光調(diào) 制器(2)以及偏振純化的光路；所述的激光系統(tǒng)(1)是待功率穩(wěn)定的激光系統(tǒng)；所述的聲光 調(diào)制器(2)對輸入的激光進行調(diào)制，分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出激光，同時它還能 控制‘0’級和‘1’級光的功率比；所述的二分之一波片(3)將從聲光調(diào)制器(2)出射光的 線偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平，盡量多地通過偏振分束器(4)；所述的偏振分束器(4)按照偏振方 向讓激光透射或者反射，起到純化后面光路偏振方向的作用；所述的非偏振分束器(5)將 激光按分光比透射或者反射，反射光作為光功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，透射光作為功率穩(wěn)定后 的輸出；所述的光電二極管(6)探測經(jīng)非偏振分束器(5)反射的激光，將光強信號轉(zhuǎn)化為電 信號；所述的光功率穩(wěn)定控制電路(7)將光電二極管(6)采集到的電信號進行放大，再跟一 個標準電壓源(10)通過差分比較電路(11)比較后，用PID控制電路(12)處理成負反饋信 號后，與直流調(diào)壓電路(13)設(shè)置的偏置值通過加法電路(14)疊加后，輸出到聲光調(diào)制器驅(qū) 動(8)的調(diào)幅端；所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動(8)用射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器(2)，它的調(diào)幅端 接受光功率穩(wěn)定控制電路(7)產(chǎn)生的電壓信號來控制射頻信號的幅度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置，其特征是所述的聲光調(diào)制器(2)輸 出‘0’級和‘1’級激光的功率比與聲光調(diào)制器驅(qū)動(8)輸入的射頻信號幅度成線性關(guān)系， ‘0’級激光的頻率和輸出方向都不變，‘1’級激光的頻率增加一個聲子頻率，輸出方向偏轉(zhuǎn) 且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子頻率與激光頻率之比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置，其特征是所述的二分之一波片(3) 將從聲光調(diào)制器(2)出射光的線偏振旋轉(zhuǎn)到水平方向，理論上能全部透射通過后面的偏振 分束器(4)，隨著激光系統(tǒng)(1)中的激光偏振方向發(fā)生漂移，從偏振分束器(4)透射的光強 將發(fā)生微小變化，但是透射光的線偏振方向保持水平，起到了偏振純化的作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置，其特征是所述的非偏振分束器(5) 對水平和豎直方向偏振光的反射率是有微小差距的，在非偏振分束器(5)跟聲光調(diào)制器 (2)之間插入二分之一波片(3)和偏振分束器(4)組成的偏振純化光路，將最大限度地消除 光功率穩(wěn)定后的長期漂移。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置，其特征是所述的光功率穩(wěn)定控制 電路(7)是一個低壓信號處理電路，作為一個整體設(shè)計成印刷電路板并制作成獨立的電路 裝置，它將光電二極管(6)采集到的電信號通過微弱信號放大電路(9)放大，與標準電壓源 (10)通過差分比較電路(11)差分后，再通過PID控制電路(12)進行負反饋處理得到誤差 信號，與直流調(diào)壓電路(13)設(shè)置的偏置值通過加法電路(14)相加后輸出到聲光調(diào)制器驅(qū) 動(8)的調(diào)幅端形成光功率穩(wěn)定的反饋控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置的激光功率穩(wěn)定鎖定方法，其特征 是激光系統(tǒng)(1)出射的激光經(jīng)過聲光調(diào)制器(2)后分成方向不同的‘0’級和‘1’級輸出， 根據(jù)光功率的波動范圍設(shè)置聲光調(diào)制器驅(qū)動(8)的輸出功率，使得‘1’級光的強度略大于 光功率的波動幅度，將其作為穩(wěn)定‘0’級光功率的“緩沖池”并用黑屏遮擋，出射的‘0’級光經(jīng)過二分之一波片(3)旋轉(zhuǎn)線偏振方向后通過偏振分束器(4)，透射的水平偏振光被非 偏振分束器(5)反射一小部分輸入光電二極管(6)探測作為光功率穩(wěn)定的監(jiān)視信號，大部 分光出射并作為輸出光，光功率穩(wěn)定控制電路(7)將光電二極管(6)采集到的電信號通過 微弱信號放大器(9 )進行放大，再跟一個標準電壓源(10 )通過差分比較電路(11)差分后， 用PID控制電路(12)處理成誤差信號，最后還要疊加上由直流調(diào)壓電路(13)設(shè)置的‘1’級 光初始功率的直流偏置值，輸出到聲光調(diào)制器驅(qū)動(8)的調(diào)幅端形成負反饋環(huán)路，最后，從 非偏振分束器(5)透射輸出的激光功率將被環(huán)路鎖定，鎖定點的功率大小由直流調(diào)壓電路 (13)設(shè)置。
8.權(quán)利要求7所述的激光腔外功率穩(wěn)定裝置的激光功率穩(wěn)定鎖定方法，其特征是利 用較高衍射效率的聲光調(diào)制器(2)增加光功率穩(wěn)定的動態(tài)范圍；利用聲光調(diào)制器驅(qū)動(8) 調(diào)幅端的低直流控制電壓降低電路噪聲，實現(xiàn)較高的光功率短期穩(wěn)定度。
全文摘要
本發(fā)明是一種激光腔外功率穩(wěn)定裝置和方法，通過非偏振分束器在激光系統(tǒng)中取出參考信號，并利用聲光調(diào)制器作為執(zhí)行器件構(gòu)成負反饋環(huán)路，實現(xiàn)光功率的穩(wěn)定。在光路中插入1/2波片和偏振分束器進行偏振純化，可以將激光系統(tǒng)的偏振漂移轉(zhuǎn)化為功率波動，使得非偏振分束器的分光比恒定，從而提高光功率的長期穩(wěn)定性；采用聲光調(diào)制器作為執(zhí)行元件，其驅(qū)動器的調(diào)幅端可以使用低電壓進行調(diào)制，能夠顯著減小控制電路的噪聲，從而可以實現(xiàn)較高的光功率短期穩(wěn)定性，同時可以實現(xiàn)光功率大動態(tài)范圍內(nèi)的穩(wěn)定。
文檔編號G02B27/28GK102141692SQ201110056880
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者吳彬, 林強, 王兆英, 程冰, 郭彬 申請人:浙江大學