基于聲光調制器的激光功率穩(wěn)定研究及進展

張鈺

(安慶師范大學電子工程與智能制造學院，安徽 安慶 246133)

0 引言

在激光應用領域的相關精度實驗中，是需要極其穩(wěn)定的輸出激光，因為功率波動大小往往會決定這些實驗最終能達到什么樣的靈敏度，例如在材料激光加工中，為了獲得更好的金屬切割性能，需要高度穩(wěn)定的激光輸出功率[1]；又例如在痕量氣體探測系統(tǒng)中，要實現(xiàn)nL/L 級別的高精度測量，激光長時間的穩(wěn)定輸出是其中關鍵一環(huán)[2]，諸如此類的實驗都證明了激光功率穩(wěn)定的重要性。造成功率不穩(wěn)定的原因有很多，激光器內部泵浦源或外部的因素都會影響激光器輸出，而目前世界上所有的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)中，穩(wěn)定程度較好的幾個實驗[3-6]都是對激光器外部輸出激光進行反饋控制，利用光與電、磁、聲的物理反應，對輸出光進行幅度調制，成功實現(xiàn)了激光功率穩(wěn)定度的提升。三種調制器相比較而言，電光調制器需要的電壓高、功耗大，而磁光調制器對激光功率波動信號中的高頻部分沒有抑制能力，且其產品種類少，致使其應用場合少，同時又由于聲光調制器較快的響應時間、衍射效率高（使得激光利用率高）等等優(yōu)點，所以聲光調制器在關于激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)的研究應用廣泛，因此本文著重針對基于聲光調制器的激光功率穩(wěn)定方法，綜述激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)在國內外的研究和進展。

1 系統(tǒng)基本結構和原理

1.1 系統(tǒng)基本工作原理

激光功率穩(wěn)定過程是一個反饋控制過程，系統(tǒng)核心的框圖如圖1，激光器輸出激光經過聲光調制器被分成兩束光路（0 級和1 級），其中1 級光路被擋光板濾除，0 級光經過分光器件再次被分成輸出光（被穩(wěn)定）和反饋信號光（進入反饋回路），反饋信號光被光電探測器所接收并產生實時數(shù)字信號顯示當前的光功率大小，數(shù)字信號進入控制器與設定好的參考信號進行比較產生誤差信號，誤差信號代入PID 反饋控制算法公式中運算得出實時的控制電壓信號，聲光驅動器根據(jù)不同的電壓信號控制聲光調制器的射頻功率來改變0 級光（被穩(wěn)定）的功率大小，從而實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。

圖1 基于聲光調制器的激光功率穩(wěn)定框圖

激光功率穩(wěn)定程度相關的計算方法有很多，在國際上常用的有兩種，艾倫（Allan）方差和相對功率噪聲（RPN）。艾倫方差有效地闡述了待研究的誤差時間序列在不同時間尺度上的波動水平（不穩(wěn)定性），并可根據(jù)不同時間尺度上的艾倫方差值所構成的曲線的形狀特征來辨識其中包含的隨機過程模型，定義如下：

2 國內動態(tài)

國內相關大學及研究機構在該領域研究雖然起步比較晚，但因為其研究成果很多，所以發(fā)展速度非常快。2000 年劉玉玲博士基于極坐標激光直寫系統(tǒng)曝光光功率的穩(wěn)定控制需要，對腔外調制控制激光光功率輸出進行反饋控制的理論進行深入的研究，研制了以聲光調制器作為執(zhí)行器的激光光功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)期望的光功率穩(wěn)定程度出發(fā)，辨識了聲光調制器的傳遞函數(shù)模型，設計出了精準的控制器，最后光強穩(wěn)定程度為0.1%[7]，這個控制效果已經算是非常優(yōu)良的了，但由于當時的技術水平限制，像模數(shù)轉換、數(shù)模轉換、減法器這樣簡單的功能都各自需要一個單獨芯片進行工作，所以整個系統(tǒng)結構非常復雜。近些年來，隨著集成電路芯片的快速發(fā)展，一個小小的單片微控制器，將一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上，能完成眾多復雜的邏輯功能。它的體積小、質量輕、價格便宜，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。2015 年西安電子科技大學的高苗使用FPGA 作為主控芯片，配合使用增量式PID 算法，設計了簡潔明了的系統(tǒng)，完成了對激光功率控制的功能[8]，具體功能構成如圖，但這個系統(tǒng)只能穩(wěn)定在一個固定的功率值，不可實時調節(jié)。針對這個問題，2016 年中國計量大學的張樞根據(jù)銫原子光晶格鐘實驗的需要，設計了一個利用邏輯電平信號控制輸入電壓，從而時序性地輸出可調范圍內任意功率的激光穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠使激光在不同的時間段內穩(wěn)定在不同的功率上，且穩(wěn)定程度保持在0.01%左右[9]。

圖2 激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)框圖[8]

芯片功能的發(fā)展使得控制器的功能越來越來集成，而計算機上仿真軟件的進步又為控制器的算法設計提供了便捷。中北大學的李營營用matlab 對AOM 進行了系統(tǒng)辨識，在simulink 環(huán)境下進行了控制系統(tǒng)仿真，為在labview 開發(fā)環(huán)境設計PID 控制器提供了輔助，在一小時的測量時間內，不穩(wěn)定度從1.67%降到了閉環(huán)后的0.19%，且分析了由于激光偏振擾動，會導致分束器分光比有波動，若是能解決這個問題，激光功率不穩(wěn)定度有望進一步降低[10]。為了驗證這個問題，王春用simulink 仿真了如果分束器分光比有波動，對激光功率穩(wěn)定程度會有多大的影響，并提出了解決方案[11]。針對這個問題，國防科大的課題小組設計了一款高穩(wěn)定性、高分裂比的非偏振板分束器（NPPBS），并測試了激光功率大小、偏振、溫度對分束比的影響，驗證了設計好的NPPBS 具有良好的去偏振特性和對功率溫度的不敏感，這個設計可以適用于任何需要激光功率穩(wěn)定的系統(tǒng)[12]。

除了功率穩(wěn)定性的極限，穩(wěn)定速度也是整個系統(tǒng)的關鍵。2021 年中國科學院的歐陽鑫川針對傳統(tǒng)PID 的超調，和難以對聲光調制器辨識數(shù)學模型的問題，研究了一種基于模糊控制的嵌入式激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)PID 的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)對比，穩(wěn)定過程基本沒有超調，且穩(wěn)定所需要的時間從4.7ms 縮短至1.8ms，而且該功率穩(wěn)定技術可以實時改變穩(wěn)定后的激光功率，適用于一些實驗過程中需要改變激光功率的特定場合[13]。除了使用智能控制算法能夠加快控制速度，也有人嘗試使用不同的控制器來提升效果。華中光電技術研究所的熊家豪采用混頻器對聲光調制器射頻驅動功率進行控制，經測量和對比，使用傳統(tǒng)的壓控衰減器進行射頻信號輸出時，響應時間為15 微秒，而混頻器僅需26 納秒，極大地壓縮了系統(tǒng)穩(wěn)定控制的時間[14]。

整個激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)成本昂貴，所以在能達到預期穩(wěn)定性等主要目的之外，為了避免造成功能過剩，如何降低系統(tǒng)復雜度是個關鍵的問題。西北大學的張樹宏則對聲光調制器的衍射光使用進行了分析，分析了以前的實驗為什么都采用0 級光作為被控制和穩(wěn)定的對象，是因為0 級光是不會帶來頻率移動，而在研制高性能原子鐘的實驗中需要頻率移動，所以張樹宏采用1 級光作為被控制的對象，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，進一步提升了功率穩(wěn)定性，且同時實現(xiàn)了頻移，這對以后不考慮頻移動類似的實驗帶來了啟發(fā)[15]。中科院的李菡在實現(xiàn)預期穩(wěn)定效果的前提下（4000s 秒進入10-5量級），簡化了整個整個實驗裝置，如圖3，通過測試零級光和一級光相對功率噪聲譜在不同射頻功率狀態(tài)下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)聲光調制器具有最佳射頻功率點，在該點零級光和一級光的相對功率噪聲譜最低，且如果改變入射聲光調制器的光偏振態(tài)，也會改變0 級光的相對功率噪聲譜大小[16]。

圖3 基于聲光調制器的激光功率穩(wěn)定實驗裝置[16]

3 國外動態(tài)

國外對于激光功率穩(wěn)定研究起步較早，且都是針對引力波探測器、原子鐘等這種對激光功率穩(wěn)定度極其苛刻的實驗，所以他們對于功率穩(wěn)定實驗做了很多的改進實驗，早在上個世紀就實現(xiàn)了很高的穩(wěn)定水平。為了進一步提升穩(wěn)定水平，以適應更多的激光應用領域，他們對已有的成果進行大量的理論分析，例如2007 年巴黎大學的激光物理實驗室提出了聲光調制器會將射頻功率噪聲添加到光束中，于是設計了一個噪聲功率檢測模型，這個模型適用于系統(tǒng)計算各種經典和量子噪聲對光束和光電流的影響[17]。韓國的Dong lk Kim 等人對現(xiàn)存的激光功率穩(wěn)定實驗分析了在低頻段非常難以實現(xiàn)功率穩(wěn)定的情況，這在以往的文章也多次驗證過[18-21]，還有光電二極管對于溫度的敏感性會導致穩(wěn)定性變差等問題，他們提出如果在光路中加入空間和時間濾波器來降低空間光束指向穩(wěn)定性，能得到更好的效果[22]。

上述方案能在一定程度增加了探測光束質量，但是對于空氣中的細微擾動并沒有考慮到。2006 年德國的阿爾伯特愛因斯坦研究所和漢諾威大學合作開展一項針對第二代引力波探測器的激光功率穩(wěn)定實驗，他們分析了溫度波動、散射光和電流中低頻過量噪聲等噪聲源，以及穩(wěn)定激光系統(tǒng)中不同的因素觀測結果，如激光頻率、偏振或指向。認為在低頻段要獲得更低的相對功率噪聲，關鍵問題在檢測方案的改進[23]，用了一個預模清潔器，減少了光束幾何波動和指向，并將整個探測系統(tǒng)放在一個真空倉內從而防止空氣擾動，如圖4 所示，最后實現(xiàn)了Nd:YAG 激光器在10hz低頻相對功率噪聲為5×10-9Hz-1/2，這個結果已經非常接近當時先進的LIGO 探測器的要求（2×10-9Hz-1/2）[24]。2017 年他們通過使用光電二極管陣列作為傳感器和控制回路的低噪聲電子器件，盡可能地減少實驗環(huán)境中光束指向和功率噪聲之間的耦合，在100Hz 到1kHz 實現(xiàn)了1.8×10-9Hz-1/2相對功率噪聲水平[25]。2021 年又和美國LIGO 實驗室合作展開了一項新型穩(wěn)定功率探測方法的研究，將調制光束的波動通過入射到一面鏡子上產生的輻射壓力驅動運行來感知，鏡像的位置以及波動由邁克爾遜干涉儀和一束弱輔助光束進行探測，從而形成了反饋控制系統(tǒng)的環(huán)內傳感器，代替了傳統(tǒng)的光電探測器，這種方法他們通過實驗驗證是可以得到更高的探測靈敏度，在穩(wěn)定低溫環(huán)境下（鏡面的熱噪聲影響），低頻10Hz 是可以產生10-10Hz-1/2極低的相對功率噪聲，這對未來的引力波探測器研究至關重要[26]。

圖4 改進的功率穩(wěn)定實驗的功率波動檢測部分示意圖[23]

對探測系統(tǒng)的改進能在最大程度上提高功率穩(wěn)定極限，但這一方法成本非常高，整個系統(tǒng)極其復雜，普通的實驗室難以對其復現(xiàn)，于是他們探索在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，激光穩(wěn)定性的極限能達到哪里。2013 年莫斯科國立大學的V.I.Balakshy 等人對聲光調制器的工作狀態(tài)進行了理論分析，推導出了一個描述整個激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)中的動態(tài)過程和其他各種工作狀態(tài)的方程，得出結論，穩(wěn)定系數(shù)取決取決于反饋電路的傳遞系數(shù)和工作點的位置對聲光相互作用的振幅特性的影響[27]。并在以二氧化碲晶體制備的聲光調制器的實驗中，15 到180hz的頻段內測量到的最大穩(wěn)定系數(shù)為78[28]。2018 年法國巴黎天文臺針對原子鐘內部緊湊的需要，設計了一種簡單反饋控制系統(tǒng)如圖5 所示，證明了使用幾個簡單的器件就可以實現(xiàn)高功率的穩(wěn)定性（在1Hz 到100kHz 范圍內達到了2.2×10-8Hz-1/2的較好相對功率噪聲水平），分析了長時間會出現(xiàn)不穩(wěn)定性增加的現(xiàn)象，是因為AOM、半波板、PBS 對溫度的敏感性。普通的實驗室和工業(yè)生產更適合研究這種簡單的方案，以便他們知道在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，頻域和時域可以取到什么樣的極限結果，以及會碰到什么樣的問題，更具有參考性[29]。

圖5 穩(wěn)定激光功率的實驗裝置[29]

4 總結

本文詳細介紹了常用的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，以聲光調制器為核心器件綜述了腔外調制激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)的設計特點和需求，深入研究分析了現(xiàn)有反饋控制系統(tǒng)的原理及特點，結合系統(tǒng)在實際激光功率穩(wěn)定過程中的運用結果，從系統(tǒng)最終穩(wěn)定程度、通用性、復雜程度、實時控制、穩(wěn)定速度等方面綜合評價，可知現(xiàn)存功率穩(wěn)定系統(tǒng)尚存一定缺陷。例如德國愛因斯坦研究所，基于引力波探測器的需要，他們對激光功率穩(wěn)定這個課題研究長達十幾年，對功率探測系統(tǒng)不斷改進，雖然穩(wěn)定程度達到了世界頂尖水平，但同時系統(tǒng)復雜程度、器材成本也不斷增加，對整個系統(tǒng)的靈活性也大大地削弱了，很難應用在工業(yè)生產和普通的實驗室。法國巴黎天文臺設計的簡單、緊湊功率穩(wěn)定系統(tǒng)，達到的較高功率穩(wěn)定結果，給其他課題的研究提供了一個很好的示例，設計相似的方案可以在時域和頻域取到一個什么樣的結果，以及可能會碰到什么樣的問題。除了追求更高的功率穩(wěn)定性，有部分學者對如何提高穩(wěn)定的速度也做出很多的研究，主要是針對PID 算法的改進，使用了增量式、位置式、模糊控制等等算法，這在具有眾多智能算法的今天，顯然是不夠的，可以嘗試使用更多智能反饋控制算法應用在激光功率穩(wěn)定這個領域，得到穩(wěn)定速度更快、更好的結果。

激光功率穩(wěn)定是激光應用的重要領域，因為工藝水平限制，現(xiàn)有激光器的功率穩(wěn)定性是無法滿足實驗室和工業(yè)的需求，所以對于激光功率穩(wěn)定的研究在未來很長一段時間都是非常重要的，且會在激光應用領域中不斷推廣。功率穩(wěn)定的最終目的是服務于其他原子物理、光學傳感器或計量等各個實驗，所以在針對一個實驗設計一個適合的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，在達到期望的穩(wěn)定效果之外，還需要考慮到整個系統(tǒng)的成本、復雜程度、操作是否便捷等因素，可以從控制器設計、合適的智能算法、魯棒性好的光器件等方面進行優(yōu)化，以適應激光應用和工業(yè)生產的發(fā)展需要。