[發明專利]基于光外差鎖相的激光偏振光束控制與合成系統

在審

• 申請號: 201910870946.6
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110658635A
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 何兵;鄒星星;沈輝;劉美忠;尤陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28
• 代理公司: 31317 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 張寧展

一種基于光外差鎖相的激光偏振光束控制與合成系統，突破了傳統同頻率激光偏振合成方案中不能應用外差探測的限制，采用光相位調制技術的方法，將兩路光拍頻相位信息轉變到幅度調制，從而進行光外差偏振相位探測和線性鎖相控制，實現了兩路同頻率激光光束的偏振合成。本發明結構簡單，易于實現，能達到同頻率激光的外差鎖相和偏振合成，且控制帶寬達到近百kHz，剩余相位噪聲低于以該方法為基礎，穩定的偏振光束合成的路數可拓展至多路，獲得極高亮度窄線寬的激光，應用于前沿科學領域。

技術領域

本發明涉及一種相干偏振合成鎖相控制方法，尤其是一種基于光外差鎖相的激光偏振光束控制與合成系統。

背景技術

單頻窄線寬光纖激光器由于其良好的性能，特別是相位噪聲低、相干長度長、結構緊湊等優點，在引力波探測、非線性頻率轉換、高頻精密光譜和相干光束合成等領域得到了廣泛的應用。然而，激光在光纖放大和傳輸過程中受到受激布里淵散射等非線性效應影響，單頻窄線寬激光器的輸出亮度很難得到大幅度提升。

激光相干偏振合成是獲得高亮度單頻窄線寬線偏振激光輸出的有效方法。偏振合束主要方法是利用偏振分光鏡將兩路正交偏振的線偏振光進行光束合束，再通過偏振鎖相方法將合束激光的相位鎖定，保證其相對相位差為nπ(n為整數)，使得組合光束的偏振態仍是線性偏振的，從而可以進一步進行多路級聯合成。目前主動偏振合束的主動相位控制方法主要采用SPGD、LOCSET、抖動法等自適應控制算法進行鎖相控制。但是基于這些算法的自適應控制系統存在收斂速度和硬件計算能力有限的問題，反饋控制的帶寬較窄。

采用線性控制技術能有效提升鎖相控制帶寬和噪聲抑制能力，而對偏振相位信息提出了較高的要求，需要實現偏振信息到電信號的線性變換，且具有較高的噪聲免疫能力。由于激光偏振合束的兩路激光需要完全的同頻率才能合成，微小的頻率差就能形成光學拍頻，無法讓光束合成為新的線偏振激光。因而光零差拍頻探測是最直接檢測合束激光的頻率或相位噪聲的技術，但是該技術將功率噪聲疊加到相位誤差信號中，容易受到單路激光功率和偏振擾動的影響，十分影響鎖相性能。外差鎖相則能克服上述缺點，實現穩定的鎖相，但是由于合束的激光不能存在頻率差，需要提出新的方案改進措施才能用于偏振光束合成。

發明內容

為解決上述已有技術存在的不足，本發明提出一種基于光外差鎖相的激光偏振光束控制與合成系統，該系統可實現高帶寬低殘余相位噪聲的偏振合束。

本發明采用激光相位調制轉化為幅度調制的具體思路如下：首先對一路激光(參考光)進行相位調制，獲得激光邊帶；然后利用參考光的邊帶與另一路激光進行拍頻，將相位調制轉化為幅度調制，進而經過交流耦合的高速光電探測器探測，獲取外差鎖相的誤差信號。探測到的外差信號在混頻器處與本地振蕩混頻解調，獲得包含激光偏振相位信息的誤差信號。該誤差信號經過低通濾波器濾波、控制器，形成反饋執行信號用于驅動壓控振蕩器，實時改變聲光調制器的移頻量。由于相位為頻率對時間的積分，通過反饋控制激光的頻率能到達兩路激光鎖相，且具有很大的執行動態范圍，保證鎖相的穩定性。當兩路激光相位差精確鎖定到nπ(n為整數)時，合束輸出的激光的偏振態為線偏振態，可以用于多束激光的級聯偏振合成。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于光外差鎖相的激光偏振光束控制與合成系統，特點在于其構成是：

沿激光種子源輸出的窄線寬線偏振單頻激光方向依次是前置保偏摻Yb光纖放大器、保偏耦合器，該保偏耦合器將輸入光分成1、2兩路光：

所述的1路光進入電光相位調制器，第二正弦信號發生器第一輸出端輸出的正弦信號輸入所述的電光相位調制器進行電光相位調制，引入邊帶形成參考光輸出，沿該參考光方向依次是第一聲光相位調制器、第一保偏放大器、第一準直器、第一半波片、第一偏振分光棱鏡，該第一偏振分光棱鏡將入射光分為s光和p光，在所述的s光方向依次是四分之一波片、第三半波片；沿所述的p光方向依次是第四半波片、偏振分光棱鏡和高速光電探測器；