實驗名稱：基于伺服系統(tǒng)的激光控制研究

　　測試目的：全固態(tài)單頻激光器的噪聲低,、相干性好,，是產生連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的激光光源,。在制備壓縮態(tài)光場的過程中需要使用高精度的光學相位鎖定技術,，它不但可以實現(xiàn)對光學系統(tǒng)的高精度調節(jié)和穩(wěn)定,，從而保證壓縮態(tài)光場的制備精度和穩(wěn)定性,。而且,，相位鎖定技術可以對光學系統(tǒng)進行實時調節(jié)和控制,，從而實現(xiàn)對壓縮態(tài)光場壓縮角和測量分量的實時調控和優(yōu)化,。因此,，研究相位鎖定技術具有重要的理論研究價值，并且可以以其為參考,，將鎖定理論拓展到頻率鎖定,、功率鎖定等相關的鎖定技術之中。以1064nm全固態(tài)單頻連續(xù)激光器為光源,，通過對激光分束后產生的兩光束的相位差進行0,、π/2、π的相位鎖定,，提高兩光束相對相位的長期穩(wěn)定性,。基于伺服系統(tǒng)的相位鎖定技術可進一步推廣至連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的制備工作中,。

　　測試設備：電壓放大器,、示波器、光電探測器等,。

　　實驗過程：

　　搭建嵌入式伺服反饋控制系統(tǒng),，利用自行研制的808nm半導體二極管為泵浦源的輸出功率10W，輸出波長1064nm的全固態(tài)單頻連續(xù)波激光器搭建了相位鎖定實驗裝置,。激光器的諧振腔結構如圖1所示,。

　　圖1：1064nm激光器諧振腔內原理圖

　　該諧振腔腔長為676.7mm。從左側入射的即為808nm泵浦光,，在經過f1與f2兩塊焦距分別為30mm與80mm的凸透鏡整形后,，透過曲率半徑為1500mm的凸面腔鏡M1，即可在Nd：YVO4晶體內部聚焦光斑,。Nd：YVO4晶體是一種自然雙折射晶體,，其吸收系數(shù)高，受激發(fā)射截面大,，吸收帶寬,，吸收峰約808nm，吸收系數(shù)比另一種常用晶體Nd：YAG大四倍,，可以穩(wěn)定釋放出1064nm的熒光譜線,，所以常用其作為1064nm激光器的工作物質。

　　1064nm激光從激光器中輸出后由一個偏振片和一個偏振分光棱鏡PBS將激光分成兩束,。其中一束激光經過一個1064nm的高反鏡與另一束經過一個粘連壓電陶瓷的1064nm高反鏡的激光在50%透射50%反射鏡上耦合產生干涉,，再經過一個聚焦透鏡聚焦后，注入到探測器當中,，探測器采集到干涉信號后分為兩路,，一路信號輸入到示波器用于觀測，另一路信號連接到MCU的輸入模塊,，經過處理程序計算后,，由輸出模塊輸出反饋信號,，并經電壓放大器放大后作用到壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的伸縮改變光程,，從而實現(xiàn)兩束光的相對相位鎖定,。鎖定實驗結構圖如圖2所示。

　　圖2：相位鎖定實驗結構圖

　　根據伺服反饋控制邏輯,，我們以如圖3所示的邏輯，將相位鎖定系統(tǒng)布置在了運行速率為33M的MCU之上,。其中,，被控對象即是1064nm激光的干涉系統(tǒng)，控制器則是我們開發(fā)的基于MCU的伺服反饋控制系統(tǒng),，傳感器為我們自行設計的光電探測器,，通過光電二極管將接收到的光信號轉變?yōu)殡娦盘枺鬟f到MCU中,。

　　圖3：實驗中搭建的伺服反饋控制邏輯

　　實驗結果：

　　圖4：干涉掃描信號示波器波形圖

　　通過調整偏振片使兩束光在50%透射50%反射鏡處發(fā)生干涉后,，使用三角波對壓電陶瓷進行掃描，采集到的信號圖像如圖4所示,，藍色圖線為輸入的三角波掃描信號,，而紅色的圖線為在三角波信號掃描下的干涉信號光強電壓值變化?？梢钥吹礁缮嫘盘柕墓鈴婋妷褐翟趻呙栊盘柕淖饔孟?，呈現(xiàn)周期性的上下波動。波峰處即為發(fā)生干涉相長時的電壓幅度,，波谷處即為發(fā)生干涉相消時的電壓幅度,。將示波器上的光強電壓值輸入到控制系統(tǒng)中，再由控制系統(tǒng)進行反饋,，利用壓電陶瓷對干涉系統(tǒng)中兩束光的其中一束的相位進行反饋控制,，最終可實現(xiàn)將光強電壓控制在一個固定值，即兩束光的相位差保持固定,，實現(xiàn)相位鎖定,。

　　實驗中，我們將比例參數(shù)設定為0.2,，計算所經過的時鐘周期數(shù)設定為10,，而采集間隔延時設置為50個指令周期，分別將干涉信號鎖定在最小值,、最大值以及中間固定值（對應相位差為0,、π、π/2）的結果如圖5,、6,、7所示,。鎖定在最小值的波動為干涉相位峰峰值差值的2.12%、鎖定最大值的穩(wěn)定性波動為峰峰值差值的1.76%,，鎖定中間固定值的穩(wěn)定性波動為峰峰值差值的2.35%,，滿足相位鎖定的要求。

　　圖5：相位鎖定最小值結果圖

　　圖6：相位鎖定最大值示意圖

　　圖7：相位鎖定平均值（中間固定值）結果圖

　　電壓放大器推薦：ATA-2082

　　圖：ATA-2082高壓放大器指標參數(shù)

　　本資料由Aigtek安泰電子整理發(fā)布,，更多案例及產品詳情請持續(xù)關注我們,。西安安泰電子Aigtek已經成為在業(yè)界擁有廣泛產品線，且具有相當規(guī)模的儀器設備供應商,，樣機都支持免費試用,。