[发明专利]基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统

说明书

一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，突破了传统同频率激光偏振合成方案中不能应用外差探测的限制，采用光相位调制技术的方法，将两路光拍频相位信息转变到幅度调制，从而进行光外差偏振相位探测和线性锁相控制，实现了两路同频率激光光束的偏振合成。本发明结构简单，易于实现，能达到同频率激光的外差锁相和偏振合成，且控制带宽达到近百kHz，剩余相位噪声低于以该方法为基础，稳定的偏振光束合成的路数可拓展至多路，获得极高亮度窄线宽的激光，应用于前沿科学领域。

技术领域

本发明涉及一种相干偏振合成锁相控制方法，尤其是一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统。

背景技术

单频窄线宽光纤激光器由于其良好的性能，特别是相位噪声低、相干长度长、结构紧凑等优点，在引力波探测、非线性频率转换、高频精密光谱和相干光束合成等领域得到了广泛的应用。然而，激光在光纤放大和传输过程中受到受激布里渊散射等非线性效应影响，单频窄线宽激光器的输出亮度很难得到大幅度提升。

激光相干偏振合成是获得高亮度单频窄线宽线偏振激光输出的有效方法。偏振合束主要方法是利用偏振分光镜将两路正交偏振的线偏振光进行光束合束，再通过偏振锁相方法将合束激光的相位锁定，保证其相对相位差为nπ(n为整数)，使得组合光束的偏振态仍是线性偏振的，从而可以进一步进行多路级联合成。目前主动偏振合束的主动相位控制方法主要采用SPGD、LOCSET、抖动法等自适应控制算法进行锁相控制。但是基于这些算法的自适应控制系统存在收敛速度和硬件计算能力有限的问题，反馈控制的带宽较窄。

采用线性控制技术能有效提升锁相控制带宽和噪声抑制能力，而对偏振相位信息提出了较高的要求，需要实现偏振信息到电信号的线性变换，且具有较高的噪声免疫能力。由于激光偏振合束的两路激光需要完全的同频率才能合成，微小的频率差就能形成光学拍频，无法让光束合成为新的线偏振激光。因而光零差拍频探测是最直接检测合束激光的频率或相位噪声的技术，但是该技术将功率噪声叠加到相位误差信号中，容易受到单路激光功率和偏振扰动的影响，十分影响锁相性能。外差锁相则能克服上述缺点，实现稳定的锁相，但是由于合束的激光不能存在频率差，需要提出新的方案改进措施才能用于偏振光束合成。

发明内容

为解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，该系统可实现高带宽低残余相位噪声的偏振合束。

本发明采用激光相位调制转化为幅度调制的具体思路如下：首先对一路激光(参考光)进行相位调制，获得激光边带；然后利用参考光的边带与另一路激光进行拍频，将相位调制转化为幅度调制，进而经过交流耦合的高速光电探测器探测，获取外差锁相的误差信号。探测到的外差信号在混频器处与本地振荡混频解调，获得包含激光偏振相位信息的误差信号。该误差信号经过低通滤波器滤波、控制器，形成反馈执行信号用于驱动压控振荡器，实时改变声光调制器的移频量。由于相位为频率对时间的积分，通过反馈控制激光的频率能到达两路激光锁相，且具有很大的执行动态范围，保证锁相的稳定性。当两路激光相位差精确锁定到nπ(n为整数)时，合束输出的激光的偏振态为线偏振态，可以用于多束激光的级联偏振合成。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光外差锁相的激光偏振光束控制与合成系统，特点在于其构成是：

沿激光种子源输出的窄线宽线偏振单频激光方向依次是前置保偏掺Yb光纤放大器、保偏耦合器，该保偏耦合器将输入光分成1、2两路光：

所述的1路光进入电光相位调制器，第二正弦信号发生器第一输出端输出的正弦信号输入所述的电光相位调制器进行电光相位调制，引入边带形成参考光输出，沿该参考光方向依次是第一声光相位调制器、第一保偏放大器、第一准直器、第一半波片、第一偏振分光棱镜，该第一偏振分光棱镜将入射光分为s光和p光，在所述的s光方向依次是四分之一波片、第三半波片；沿所述的p光方向依次是第四半波片、偏振分光棱镜和高速光电探测器；