實(shí)驗(yàn)名稱：馬赫-增德爾干涉儀穩(wěn)定功率和抑制激光噪聲的實(shí)驗(yàn)研究

測試設(shè)備：電壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、光電探測器、分束器、壓電陶瓷等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：利用MZI改善1550nm激光性能的實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)中所用MZI由兩個(gè)分束器（BS1、BS2）和平面反射鏡（M1、M2）組成，兩個(gè)平面反射鏡（M1、M2）鍍有高反射率膜。將MZI中的BS1、BS2和M1、M2放置在菱形四個(gè)角上，壓電陶瓷PZT3粘在M1的后面，通過電壓放大器（HV）來控制PZT3就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MZI的位相的控制。實(shí)驗(yàn)中為了控制1550nm激光經(jīng)過MZI輸出后光束方向與輸入MZI前的方向不發(fā)生改變，輸入和輸出MZI分別放置兩個(gè)22.5度平面反射鏡。經(jīng)過MZI輸出的1550nm光場利用半波片(HWP)和偏振分束器(PBS)組成的光學(xué)分束器分成兩束，功率較大的一束光場可以用來后續(xù)測量和制備1550nm非經(jīng)典光場。并在后續(xù)使用的光路上放置光學(xué)分束器，這樣可以提取一小部分光分作為鎖定MZI的位相的誤差信號(hào)。接下來通過改變搭建MZI分束器的分束比來研究其對(duì)1550nm激光強(qiáng)度噪聲的影響。

實(shí)驗(yàn)中通過信號(hào)發(fā)生器(signalgenerator,SG)產(chǎn)生一個(gè)65Hz三角波來掃描MZI中的PZT3，利用光電探測器來對(duì)MZI輸出光電流變化進(jìn)行探測，將探測到的信號(hào)輸入示波器中，并記錄MZI干涉信號(hào)最低處和最高處在示波器上的示數(shù)，參考示波器的示數(shù)來調(diào)整比例積分微分控制器(PID)的參數(shù)，就可以將MZI鎖定在不同的透射率。探測器PD輸出的光電流信號(hào)的經(jīng)過PID和電壓放大器（HV）放大后，將其加載在MZI中的PZT3上可以鎖定MZI的兩臂相對(duì)位相。PD輸出直流信號(hào)電壓的變化也會(huì)改變MZI的TMZ，實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置PID參數(shù)將MZI鎖定不同的透射率Tlock下，來研究其對(duì)1550nm激光強(qiáng)度噪聲的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)首先研究了利用MZI對(duì)1550nm激光功率穩(wěn)定性影響，實(shí)驗(yàn)中首先用功率計(jì)測量了1550nm激光經(jīng)過未鎖定MZI運(yùn)轉(zhuǎn)5h的功率波動(dòng)；接下來又測量了將MZI鎖定在最佳工作點(diǎn)，1550nm激光通過后運(yùn)轉(zhuǎn)5h的功率波動(dòng)。

圖2：1550nm激光的5h功率波動(dòng)：圖(a)為1550nm激光經(jīng)過未鎖定MZI時(shí)，圖(b)為1550nm激光MZI控制環(huán)路閉合時(shí)。

如圖2所示，圖2（a）和（b）分別表示為在未鎖定MZI前和鎖定MZI后激光器運(yùn)轉(zhuǎn)5h的輸出功率，計(jì)算可知1550nm激光的功率波動(dòng)由±0.20%減少到±0.09%。由2圖可以看出經(jīng)過鎖定MZI后1550nm激光的功率穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了提高。

接下來深入研究了MZI中R=90%附近不同分束比對(duì)抑制1550nm激光強(qiáng)度噪聲的影響，實(shí)驗(yàn)用了3組不同分束比為R=90.9%，92.5%和95%的分束器，分別測量并比較了3組鎖定MZI后隨著分析頻率的變化輸出1550nm激光的強(qiáng)度噪聲變化的曲線。

圖3：在不同分束器分束比下，1550nm激光經(jīng)過MZI的強(qiáng)度噪聲與分析頻率的關(guān)系曲線。

如圖3中曲線(i)表示為在10kHz-50kHz范圍內(nèi)1550nm激光經(jīng)過未鎖定MZI后，輸出的光電流相加后利用SA測得的強(qiáng)度噪聲譜線，圖3中曲線(ii)、(iii)和(iv)分別表示為R為95%，92.5%和90.9%時(shí)在10kHz-50kHz范圍內(nèi)1550nm激光經(jīng)過鎖定MZI后的強(qiáng)度噪聲譜線。從圖3可以得出，在10kHz-35kHz的范圍內(nèi)，3組不同的MZI都在不同程度上降低了1550nm激光的強(qiáng)度噪聲。但是在大于35kHz后，3組不同的MZI都沒有降低1550nm激光的強(qiáng)度噪聲。3組不同的MZI中，效果最佳的是R=90.9%的分束器搭建的MZI，在15kHz處，降低了約8dB。此時(shí)MZI鎖定在Tlock為85%。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得知R=90.9%搭建的MZI抑制噪聲效果最佳，因此接著又研究了1550nm激光經(jīng)過R=90.9%的MZI鎖定在Tlock為45%，65%和85%下，輸出1550nm激光的強(qiáng)度噪聲的變化。利用SA來測量了將MZI鎖定在不同的Tlock下的強(qiáng)度噪聲功率譜。

圖4：在不同MZI透射率下，1550nm激光強(qiáng)度噪聲與分析頻率的關(guān)系曲線。

如圖4所示曲線(i)是在10kHz-50kHz范圍內(nèi)1550nm激光經(jīng)過未鎖定MZI后輸出的光電流相加后測得的強(qiáng)度噪聲譜線，曲線(ii)、(iii)和(iv)分別表示在10kHz-50kHz范圍內(nèi)將R=90.9%的MZI鎖定在Tlock為45%，65%和85%時(shí)輸出1550nm激光的強(qiáng)度噪聲譜線。從圖中可以看出，在10kHz-35kHz范圍內(nèi)，3組不同透過率的MZI都在不同程度上抑制了1550nm激光強(qiáng)度噪聲，當(dāng)Tlock為85%時(shí)的抑制效果最佳。在15kHz處，Tlock=85%和Tlock=45%相比之下，噪聲低6dB左右。

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圖：ATA-2168高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇