實(shí)驗(yàn)名稱：基于光纖干涉儀的低頻段頻率噪聲抑制研究

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：光纖干涉儀作為一種可以精細(xì)鑒別激光相位的結(jié)構(gòu)裝置，被廣泛地應(yīng)用于激光相位噪聲的測(cè)試測(cè)量工作。運(yùn)用逆向思維，利用光纖干涉儀輸出的攜帶激光相位信息的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)特定設(shè)計(jì)的信號(hào)處理模塊，將反饋信號(hào)加載在激光器的調(diào)頻端口上，即可鎖定輸出激光的頻率，從而有效降低頻率噪聲。本節(jié)采用自主研制的帶有壓電陶瓷（PZT）的單頻光纖激光器，結(jié)合非平衡光纖干涉儀的鑒頻機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)輸出激光低頻段的頻率噪聲有效抑制。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、光纖干涉儀、示波器、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器、PZT等。

圖1：基于非平衡光纖干涉儀的低頻頻率噪聲抑制實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

選定延遲光纖的長(zhǎng)度為500m，對(duì)應(yīng)的干涉儀臂差即為1km。從光纖干涉儀的增益?zhèn)鬟f函數(shù)來(lái)看，1km臂差對(duì)應(yīng)的3dB控制帶寬為120kHz。然而從相位傳遞函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，大于20kHz的頻段出現(xiàn)了快速的相位變化，預(yù)計(jì)給閉環(huán)控制將帶來(lái)一定難度，因此重點(diǎn)考察20kHz以內(nèi)的頻率噪聲抑制結(jié)果。

為了減小外界環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)和氣流擾動(dòng)影響，整個(gè)光纖干涉儀安置于鋪墊有隔振海綿的有機(jī)玻璃密封盒中。光纖干涉儀的兩束返回光在50:50Coupler處發(fā)生干涉，然后輸入到帶寬為17MHz的低噪聲光電探測(cè)器（PD）中。隨后，轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)3dB帶寬為100kHz的低通濾波器（LPF）過(guò)濾高頻雜散噪聲，獲得頻率變化誤差信號(hào)。比例積分微分（PID）模塊處理頻率誤差信號(hào)后，得到的反饋信號(hào)幅度較小，此電壓范圍為0~5V。為了實(shí)現(xiàn)良好的頻率控制效果，引入了電壓放大器（HV），從而提升加載到PZT上的反饋信號(hào)電壓幅度范圍至0~50V，有利于提高反饋控制能力，獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的頻率噪聲抑制效果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，LD的泵浦電流設(shè)定為250mA，從70%端口輸出的功率為10.5mW，進(jìn)入光纖干涉儀的功率約為4mW，進(jìn)入PD的功率約為1mW。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

在進(jìn)行頻率噪聲抑制實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)這個(gè)1550nm激光器的頻率穩(wěn)定性和PZT調(diào)諧性能進(jìn)行了測(cè)試。利用掃描F-P腔結(jié)合示波器型采集卡（型號(hào)：PXI-5122，帶寬為100M，采集位數(shù)14bit）對(duì)激光單個(gè)縱模信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，具體結(jié)果如圖2（a）所示。在24h的連續(xù)測(cè)試過(guò)程中，輸出激光中心頻率的漂移量為419.63MHz，等效波長(zhǎng)變化量為3.36pm。

圖2：（a）頻率穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果；（b）激光波長(zhǎng)調(diào)制變化與加載在PZT上電壓的關(guān)系

圖2（b）展示了激光波長(zhǎng)調(diào)制變化與加載在PZT上的電壓關(guān)系，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器結(jié)合電壓放大器對(duì)PZT施加調(diào)制信號(hào)，在0~48V的調(diào)制電壓變化范圍內(nèi)，激光的中心波長(zhǎng)從1550.0834nm變化至1550.0907nm，變化幅度為7.3pm。

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審核編輯 黃宇