电压放大器在光学滤波腔中的应用
实验名称：光学滤波腔中的应用
测试设备：高压放大器、光学隔离器、光电探测器、相位调制器、频谱分析仪等。
实验过程：
图1：光学滤波腔输出场音频段噪声特性分析实验装置图。OI：光学隔离器；EOM：电光相位调制器；BS：分束镜；PBS：偏振分束器；MC：模式清洁器；PD1-3：光电探测器；HV：高压放大器；SA：频谱分析仪；ADC：模拟数字转换；DAC：数字模拟转换；FPGA：现场可编程门阵列。
图1为实验装置图，光纤激光器输出的1550nm激光经过光学隔离器OI和自制的相位调制器EOM后分为两束，反射光经过光电探测器PD3进行强度噪声分析，透射光入射至模式清洁器MC。MC为三镜环形腔，两面平面镜对1550nm激光透射率为1%，凹面镜对该激光完全反射(＞99.95%)，其精细度为275，线宽为2.5MHz，采用PDH稳频法锁定腔长后，功率透射率接近90%。PDH控制环路中，信号发生器产生的两路34.3MHz高频信号，一路用于驱动EOM，一路经混频器与共振型光电探测器PD1输出信号进行混频，经低通滤波器解调后，得到反馈控制的误差信号，依次经过基于FPGA的数字PID控制器和高压放大器后，反馈至MC的压电陶瓷，实现腔长锁定。MC输出激光经过功率衰减后直接进入光电探测器PD2，进行强度噪声分析，实验中PD2和PD3输入功率维持1mW不变。
实验结果：
图2：激光的本底强度噪声（橙色曲线）和MC腔长锁定后输出光场的强度噪声（其它颜色曲线）。(a)分析频率3-300kHz范围内的功率噪声谱，RBW：10kHz，VBW：50Hz；(b)分析频率＜3kHz范围内的功率噪声谱，RBW：10Hz，VBW：1Hz
如图2所示为1mW激光功率的功率噪声谱。进一步研究表明，噪声耦合主要通过两种途径引入：(1)PDH锁定环路引入额外噪声；(2)MC将入射光束相位噪声转换为强度噪声。针对两个噪声耦合问题，开展了如下研究工作。
结合临界比例度法，总结了优化MC中PI控制参数的具体实施方案。（1）首先，粗略对比例增益kP和积分增益kI赋一个初始值，如图2(b)曲线a所示；（2）然后，逐渐增大kP，通过传递函数测试过程或者MC输出场噪声谱观察环路工作状态，直至环路出现明显的振荡；（3）随后，逐渐减小kP，直至控制环路振荡刚好消失，记录此时的kP值，并将其设定为记录值的45%-70%，如图2(b)曲线b所示；（4）下一步，逐渐增大kI，直至环路出现振荡；⑸逐渐减小kI到振荡消失，记录此时kI值，并设定为记录值的10%-30%，如图2(b)曲线c所示；（6）最后，通过观察PD2输出的功率噪声谱，在（5）设定值附近搜索最佳的PI参数，直至噪声水平达到最低，此时再调节PI参数，噪声会增加，则实现了最优的PI参数设置，如图2(b)曲线d所示。此时，环路增益达到最优值，响应速度可快速修正系统误差并达到稳定状态，从而抑制了曲线a-c的周期性低频振荡信号。
在PI参数调试过程中，当分析频率＞3kHz时，PI参数的变化不会影响强度噪声的幅度，如图2(a)；当分析频率＜3kHz时，随着PI参数接近最优值，光场强度噪声逐渐接近最低的噪声水平，如图2(b)。经过对控制环路传递函数进行测试，我们发现在优化PI参数的过程中，由开环传递函数测试结果可知（如图3所示），环路反馈控制带宽逐渐从290Hz提高至2kHz（最佳带宽）；由闭环传递函数测试结果可知（如图4所示），控制环路低频抑噪水平提高了约30dB，详细参数如表1所示。
表1：实验的参数
图3：系统开环传递函数的幅度和相位图
图4：闭环系统传递函数的幅度图
然而，由图2(a)和(b)可知，即使在最优的反馈控制参数条件下，MC输出场的低频噪声（＜100kHz）仍高于激光的本底噪声，其主要原因是，MC输出场的强度噪声由输入场的强度噪声和位相噪声同时决定，而光纤激光器位相噪声高于强度噪声，因此，输入场的相位噪声通过MC耦合至输出场的强度噪声中，从而输出场强度噪声增大。同时，激光指向噪声也会通过MC转化为强度噪声，恶化了输出场的强度噪声。在今后的工作中，将采用高精细度超稳光学谐振腔作为参考基准，通过将激光锁定在超稳腔上，实现相位噪声的抑制；通过采用隔振平台、对装置加装屏蔽外壳、对装置整体控温、将空间传输的激光光束耦合进光纤等方法，实现指向噪声的抑制。通过对相位噪声和指向噪声的抑制，将MC输出光场的强度噪声抑制到本底噪声。
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