光功率穩(wěn)定裝置中分光器件的影響分析及抑制方法研究?

王春羅濤

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

光功率穩(wěn)定裝置中分光器件的影響分析及抑制方法研究?

王春羅濤

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

激光光功率穩(wěn)定裝置中分光器件的分光比存在不穩(wěn)定性，論文從理論上定量分析了分光比的波動(dòng)對(duì)環(huán)外光功率穩(wěn)定效果的影響，并提出了一種抑制分光比波動(dòng)影響的方案。通過(guò)理論分析及仿真，證明了該方案可以有效抑制分光器件分光比的不穩(wěn)定性帶來(lái)的環(huán)外功率波動(dòng)。

光功率穩(wěn)定；分光比；反饋控制

C lassNum ber TN247

1 引言

光功率穩(wěn)定是一項(xiàng)非常重要的激光技術(shù)。對(duì)于很多依賴于激光的精密測(cè)量?jī)x器而言，光功率的波動(dòng)會(huì)極大地限制測(cè)量靈敏度，因此在諸多領(lǐng)域激光功率穩(wěn)定得到了廣泛的應(yīng)用，如引力波探測(cè)［1～3］、精密光譜測(cè)量［4～5］、光纖陀螺儀［6～7］等。

目前采用反饋控制電路配合執(zhí)行器件進(jìn)行光功率穩(wěn)定可以將光源的功率波動(dòng)降低到可以忽略的水平［8～9］。但光功率穩(wěn)定裝置能進(jìn)行有效穩(wěn)定的是處于反饋環(huán)內(nèi)的激光，而環(huán)外的激光功率噪聲來(lái)源并不與環(huán)內(nèi)激光相同，一個(gè)重要的因素就是分光器件的不穩(wěn)定性［10～11］帶來(lái)的環(huán)外光功率漂移。

2 分光器件穩(wěn)定性影響分析

典型的光功率穩(wěn)定裝置［12～13］如圖1所示。其中Attenuator為電壓控制的光衰減器件，Splitter為分光器件，PD為光電探測(cè)器，Vref為參考電壓，servo為控制電路。圖中實(shí)線代表光路，虛線代表電信號(hào)。

圖1 光功率穩(wěn)定裝置示意圖

從圖1可以看出，激光功率穩(wěn)定需采用分光器件將激光分為兩路，一路用于閉環(huán)反饋控制（環(huán)內(nèi)），另一路（環(huán)外）輸出用于測(cè)量等應(yīng)用，對(duì)激光實(shí)施功率穩(wěn)定最根本的目的是要實(shí)現(xiàn)環(huán)外激光功率的穩(wěn)定。然而此種類型激光功率穩(wěn)定裝置直接穩(wěn)定的是環(huán)內(nèi)的光功率，反饋控制系統(tǒng)對(duì)激光光源的噪聲進(jìn)行了有效地抑制，但對(duì)分光器件分光比的漂移帶來(lái)的環(huán)外激光光功率的波動(dòng)卻無(wú)能為力。

光功率穩(wěn)定裝置框圖如圖2所示。P為光源光功率，R為分光器件反射系數(shù)，T為分光器件透射系數(shù)，Gp為環(huán)內(nèi)光電探測(cè)器增益，GS為servo增益。

圖2 光功率穩(wěn)定裝置框圖

設(shè)進(jìn)入分光器件前光功率為 f，則有

可解出

則環(huán)內(nèi)（反射）光功率為

由上式可以看出，在此反饋系統(tǒng)中，盡量提高servo增益Gs，可有效壓制光源功率P波動(dòng)的影響。若Gs→∞，則，PR→Vref/Gp，可見(jiàn)系統(tǒng)控制的效果就是讓PD1輸出的電信號(hào)牢牢地鎖在參考電壓上，從而實(shí)現(xiàn)光功率的穩(wěn)定。對(duì)于環(huán)外，則有

若Gs→∞，則 PT→TVref/RGp?？梢?jiàn)，提高環(huán)路增益可以提高環(huán)內(nèi)激光功率的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性主要受參考電壓影響，而環(huán)外激光功率還受分光器件穩(wěn)定性的影響。

分光器件的分光比通常會(huì)受激光波長(zhǎng)、環(huán)境溫度、激光到分光元件的入射角度等因素的影響。由于分光器件還有損耗，T=1-R-L，其中L為損耗系數(shù)。為了方便估計(jì)分光比穩(wěn)定性對(duì)環(huán)外光功率的影響，可以忽略影響較小的損耗部分，T≈1-R；另外設(shè)Gs增益足夠大，可以忽略光源功率波動(dòng)的影響。此時(shí)

可以看出，在環(huán)路增益足夠大的時(shí)候，環(huán)外光功率的相對(duì)波動(dòng)與分光器件的反射系數(shù)波動(dòng)成正比，比例系數(shù)為-1/RT。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于光功率有限，通常會(huì)使R較小，以保證環(huán)外有較大的光功率供測(cè)量等使用。舉個(gè)例子，若R/T=0.1/0.9，波動(dòng)值為0.01，根據(jù)式（6），環(huán)外功率波動(dòng)可達(dá)11%。使用反饋控制系統(tǒng)，可以很容易將光源的功率波動(dòng)抑制到0.1%以下，此時(shí)分光器件的穩(wěn)定性成為限制環(huán)外光功率穩(wěn)定的主要因素。

3 抑制方法研究

為抑制分光器件穩(wěn)定性對(duì)環(huán)外光功率的影響，本文提出了基于輔助激光的控制系統(tǒng)方案，如圖3所示。

圖3 基于輔助激光的光功率穩(wěn)定裝置示意圖

其中Laser 0為待穩(wěn)定的激光光源；Laser 1為輔助激光，功率為P1；PD3及PD4分別接收輔助激光經(jīng)同一分光器件反射及透射的激光。

按照前述方式分析此系統(tǒng)，仍設(shè)待穩(wěn)定激光進(jìn)入分光器件前光功率為f，則有

由式（10）可以看出當(dāng)Gs→∞，PT→Vref/Gp，環(huán)外光功率與分光器件的反射、透射系數(shù)無(wú)關(guān)。

4 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)上述方案，采用Simulink建立光功率穩(wěn)定裝置模型，模型如圖4所示。

圖4 原始光功率穩(wěn)定方案（Scheme1）

Laser 0為光源，平均功率為0.02W，功率波動(dòng)幅度為0.01W，波動(dòng)頻率為1Hz；Gp為光電探測(cè)器，增益為-1000V/W；servo為伺服控制電路，增益為105W/V；Splitter為分光器件，分光比為2/8，其模型如圖5所示，其中“SineWave”模塊表達(dá)式為y=0.2+A*sin（wt+F），可以調(diào)節(jié)分光比，以及分光比的波動(dòng)。

圖5 分光器件模型

若將“SineWave”模塊表達(dá)式中A設(shè)置為0，即y為常數(shù)0.2，則構(gòu)成一個(gè)分光比固定的分光模塊；若在常數(shù)上加一個(gè)正弦波動(dòng)，則可模擬反射系數(shù)在0.2上下波動(dòng)的分光模塊。

首先仿真了固定分光比（dR=0）的情形，在反饋控制的作用下環(huán)外功率波動(dòng)幅度約為4×10-10W。然后修改分光模塊“SineWave”表達(dá)式，使A=0.01，w=0.3*2p，F(xiàn)=0，即反射系數(shù)在1.99～2.01之間以0.3Hz的頻率波動(dòng)。此時(shí)仿真結(jié)果顯示環(huán)外功率波動(dòng)幅度約為6.2×10-4W，即相對(duì)功率波動(dòng)為6.2%，與理論分析結(jié)果一致。這個(gè)例子中，分光比的微小變化導(dǎo)致環(huán)外功率穩(wěn)定效果差了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

進(jìn)一步仿真了基于輔助激光的光功率穩(wěn)定方案，仿真模型見(jiàn)圖6。

圖6 基于輔助激光的光功率穩(wěn)定方案（Scheme2）

模型中Laser 1為輔助激光，其輸出沒(méi)有特殊要求，本模型中設(shè)置為一帶偏置的正弦函數(shù)。分光模塊仍然保持dR=0.01的波動(dòng)。Laser 1與Laser 0經(jīng)過(guò)同一分光模塊，經(jīng)光電探測(cè)器將相應(yīng)光功率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后作相應(yīng)的乘除法操作，然后與參考信號(hào)作差后輸出伺服控制電路。這里乘除法模塊后增加了一個(gè)0.25的增益，是為了保證與原始方案（Scheme1）反饋控制環(huán)路增益一致而便于比較。經(jīng)仿真，本模型輸出的環(huán)外功率波動(dòng)幅度約為4×10-10W，與原始方案中分光器件分光比固定的情況近似一致。

上述三種情況下的仿真結(jié)果如圖7所示。穩(wěn)定后的功率平均值均為0.01W，這是由參考電壓決定的。從圖中可以看出，原始方案中分光器件dR=0.01時(shí)，環(huán)外功率相對(duì)波動(dòng)達(dá)到了6.2%，這樣的功率穩(wěn)定效果在精密測(cè)量中是不可接受的。

圖7 環(huán)外光功率穩(wěn)定仿真結(jié)果

為了更清楚地展示改進(jìn)方案抑制分光器件分光比波動(dòng)影響的效果，將原始方案中分光比固定情況下的功率穩(wěn)定結(jié)果與改進(jìn)方案中分光比波動(dòng)情況下的功率穩(wěn)定結(jié)果放大對(duì)比，如圖8所示，可以看出，兩條曲線基本重合，這說(shuō)明基于輔助激光的改進(jìn)方案抑制分光比波動(dòng)影響的效果非常明顯。

圖8 環(huán)外光功率穩(wěn)定仿真結(jié)果（放大圖）

5 結(jié)語(yǔ)

本文從理論上分析了光功率穩(wěn)定裝置中分光器件對(duì)環(huán)外光功率的影響，提出了一種抑制該影響的方案，通過(guò)分析與仿真驗(yàn)證，表明該方案可有效抑制分光器件分光比的不穩(wěn)定性帶來(lái)的環(huán)外功率波動(dòng)。

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Analysisof the Im pactof the Sp litter in Optical Intensity Stabilization and Study on the Suppression Method

WANG Chun LUO Tao
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064）

The splitting ratio of splitter in optical intensity stabilization is not exactly stable.The impact of the splitting ratio on effect of optical intensity stabilization out of the loop is analyzed quantificationally，and the suppression method is proposed in this article.Bymeans of theoretical analysisand simulation，the proposed scheme is proved effective to suppress the influence introduced by splitting ratio on the powerstabilization outof the loop.

optical intensity stabilization，splitting ratio，feedback control

TN247

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.030

2017年3月11日，

2017年4月30日

王春，男，博士，工程師，研究方向：光電子及艦船導(dǎo)航技術(shù)。羅濤，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船導(dǎo)航技術(shù)。