實(shí)驗(yàn)名稱：基于伺服系統(tǒng)的激光控制研究

測試目的：全固態(tài)單頻激光器的噪聲低、相干性好，是產(chǎn)生連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的必備激光光源。在制備壓縮態(tài)光場的過程中需要使用高精度的光學(xué)相位鎖定技術(shù)，它不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的高精度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定，從而保證壓縮態(tài)光場的制備精度和穩(wěn)定性。而且，相位鎖定技術(shù)可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮態(tài)光場壓縮角和測量分量的實(shí)時(shí)調(diào)控和優(yōu)化。因此，研究相位鎖定技術(shù)具有重要的理論研究價(jià)值，并且可以以其為參考，將鎖定理論拓展到頻率鎖定、功率鎖定等相關(guān)的鎖定技術(shù)之中。以1064nm全固態(tài)單頻連續(xù)激光器為光源，通過對(duì)激光分束后產(chǎn)生的兩光束的相位差進(jìn)行0、π/2、π的相位鎖定，提高兩光束相對(duì)相位的長期穩(wěn)定性。基于伺服系統(tǒng)的相位鎖定技術(shù)可進(jìn)一步推廣至連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的制備工作中。

測試設(shè)備：電壓放大器、示波器、光電探測器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

搭建嵌入式伺服反饋控制系統(tǒng)，利用自行研制的808nm半導(dǎo)體二極管為泵浦源的輸出功率10W，輸出波長1064nm的全固態(tài)單頻連續(xù)波激光器搭建了相位鎖定實(shí)驗(yàn)裝置。激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：1064nm激光器諧振腔內(nèi)原理圖

該諧振腔腔長為676.7mm。從左側(cè)入射的即為808nm泵浦光，在經(jīng)過f1與f2兩塊焦距分別為30mm與80mm的凸透鏡整形后，透過曲率半徑為1500mm的凸面腔鏡M1，即可在Nd：YVO4晶體內(nèi)部聚焦光斑。Nd：YVO4晶體是一種自然雙折射晶體，其吸收系數(shù)高，受激發(fā)射截面大，吸收帶寬，吸收峰約808nm，吸收系數(shù)比另一種常用晶體Nd：YAG大四倍，可以穩(wěn)定釋放出1064nm的熒光譜線，所以常用其作為1064nm激光器的工作物質(zhì)。

1064nm激光從激光器中輸出后由一個(gè)偏振片和一個(gè)偏振分光棱鏡PBS將激光分成兩束。其中一束激光經(jīng)過一個(gè)1064nm的高反鏡與另一束經(jīng)過一個(gè)粘連壓電陶瓷的1064nm高反鏡的激光在50%透射50%反射鏡上耦合產(chǎn)生干涉，再經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡聚焦后，注入到探測器當(dāng)中，探測器采集到干涉信號(hào)后分為兩路，一路信號(hào)輸入到示波器用于觀測，另一路信號(hào)連接到MCU的輸入模塊，經(jīng)過處理程序計(jì)算后，由輸出模塊輸出反饋信號(hào)，并經(jīng)電壓放大器放大后作用到壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的伸縮改變光程，從而實(shí)現(xiàn)兩束光的相對(duì)相位鎖定。鎖定實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2：相位鎖定實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)伺服反饋控制邏輯，我們以如圖3所示的邏輯，將相位鎖定系統(tǒng)布置在了運(yùn)行速率為33M的MCU之上。其中，被控對(duì)象即是1064nm激光的干涉系統(tǒng)，控制器則是我們開發(fā)的基于MCU的伺服反饋控制系統(tǒng)，傳感器為我們自行設(shè)計(jì)的光電探測器，通過光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并傳遞到MCU中。

圖3：實(shí)驗(yàn)中搭建的伺服反饋控制邏輯

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖4：干涉掃描信號(hào)示波器波形圖

通過調(diào)整偏振片使兩束光在50%透射50%反射鏡處發(fā)生干涉后，使用三角波對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行掃描，采集到的信號(hào)圖像如圖4所示，藍(lán)色圖線為輸入的三角波掃描信號(hào)，而紅色的圖線為在三角波信號(hào)掃描下的干涉信號(hào)光強(qiáng)電壓值變化?？梢钥吹礁缮嫘盘?hào)的光強(qiáng)電壓值在掃描信號(hào)的作用下，呈現(xiàn)周期性的上下波動(dòng)。波峰處即為發(fā)生干涉相長時(shí)的電壓幅度，波谷處即為發(fā)生干涉相消時(shí)的電壓幅度。將示波器上的光強(qiáng)電壓值輸入到控制系統(tǒng)中，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋，利用壓電陶瓷對(duì)干涉系統(tǒng)中兩束光的其中一束的相位進(jìn)行反饋控制，最終可實(shí)現(xiàn)將光強(qiáng)電壓控制在一個(gè)固定值，即兩束光的相位差保持固定，實(shí)現(xiàn)相位鎖定。

實(shí)驗(yàn)中，我們將比例參數(shù)設(shè)定為0.2，計(jì)算所經(jīng)過的時(shí)鐘周期數(shù)設(shè)定為10，而采集間隔延時(shí)設(shè)置為50個(gè)指令周期，分別將干涉信號(hào)鎖定在最小值、最大值以及中間固定值（對(duì)應(yīng)相位差為0、π、π/2）的結(jié)果如圖5、6、7所示。鎖定在最小值的波動(dòng)為干涉相位峰峰值差值的2.12%、鎖定最大值的穩(wěn)定性波動(dòng)為峰峰值差值的1.76%，鎖定中間固定值的穩(wěn)定性波動(dòng)為峰峰值差值的2.35%，滿足相位鎖定的要求。

圖5：相位鎖定最小值結(jié)果圖

圖6：相位鎖定最大值示意圖

圖7：相位鎖定平均值（中間固定值）結(jié)果圖

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圖：ATA-2082高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇