基于VIPA标准具的电光调制深度实时测控系统及方法与流程

基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统及方法
技术领域
1.本发明涉及激光调制技术领域，具体是一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统及方法。


背景技术：

2.电光调制器(eom)是利用晶体电光效应工作的光学调制器，通过晶体折射率的变化引起光波特性变化，最终实现对输入光的相位、幅值、强度和偏振状态的控制。典型电光调制器，如相位调制器和强度调制器，均是通过对光学载波施加射频调制，进而在光频域内产生载波之外的等间隔边带，各边带之间的频率间隔等于调制信号的频率，且各边带功率大小关系符合既定的函数模型。理想情况下，如果eom的半波电压一定，那么所加调制信号的电压幅值便决定了各光学频率成分的功率比值，即调制深度，这一规律在单边带调制下也成立。但由于单个eom的半波电压都略有差别，且半波电压大小也会因环境存在漂移问题，因此器件的半波电压值并非恒定，恒定的电光调制功率并不能让调制深度保持不变，载波和边带的功率所占比重会发生波动。当面对一些载波与边带光强之比有严格要求的应用需求时，如原子干涉拉曼光的功率比值需要恒定来消除跃迁频率抖动误差，必须对调制深度进行精确的反馈控制。
3.要对调制深度进行准确的反馈控制，一种传统的解决思路是利用扫描f
‑
p腔法，通过改变f
‑
p腔的腔长逐次选出各光频成分，并用同一探测器各频率光进行分时探测，这种方法虽然能分别实现各频率成分的功率探测，但必须时分复用f
‑
p腔，并不能实现调制深度的实时锁定，且f
‑
p腔的扫描时间也会严重制约锁定带宽。另一种思路是利用高色散分光器件，将各光频成分在空间上进行区分探测。但是，由于eom的射频驱动信号频率一般为0.5ghz～20ghz之间，光栅和棱镜等传统色散元件很难将各频率成分空间分开。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统及方法，用于克服现有eom载波边带功率比难以准确测量、调制深度无法精确控制的问题，具有较强的技术创新性和实用化价值。
5.虚拟成像相位阵列(virtually imaged phasedarray，vipa)是一种高色散标准具，可将具有一定频率差的光谱分开，具有对偏振不敏感、结构简单、光谱分辨率高等优点，主要应用于色散补偿、光通信、脉冲压缩整形和光谱探测等领域。本发明将vipa的高色散分光作用于eom或类似的电光调制器件，可直接将ghz间隔的载波和边带在空间上分开为不同光束，并进行实时光强探测，该方法可对eom调制深度进行实时测量和反馈控制，且能快速准确实现eom调制光束频率成分的功率比测控。
6.本发明的技术方案具体如下：
7.一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统，包括单频激光器、电光调制器、vipa色散分光模块、光束分隔器件、探测器阵列和反馈控制模块；
8.所述单频激光器用于产生单频线偏振光，所述单频线偏振光输入至电光调制器，经电光调制后输出由载波和边带组成的多频率复合光；所述多频率复合光输入至色散分光模块，不同频率的边带光在空间上被分隔成间距为毫米量级的多个光束；间距为毫米量级的多个光束通过光束分隔器件将所需要的几种频率成分的光分离开，并同时分别输入至探测器阵列中；探测器阵列将光强信号转化为电信号，输入至反馈控制模块中，通过反馈控制模块实现对电光调制深度的实时测控；
9.其中，所述vipa色散分光模块包括准直器、柱透镜、虚拟成像相位阵列和聚焦透镜；经电光调制后输出的多频率复合光依次通过准直器、柱透镜、虚拟成像相位阵列和聚焦透镜后，将不同频率的边带光在空间上被分隔成毫米量级的多个光束。
10.进一步的，所述虚拟成像相位阵列由两块相互平行的光学镀膜平板组成；靠近入射光的平板为前面板，所述前面板的底部设有窗口区域，窗口区域涂有增透膜，非窗口区域涂有反射率为100％的反射膜；远离入射光的平板为后面板，后面板涂有反射率为95％～98％的部分透射膜。
11.进一步的，所述虚拟成像相位阵列与入射光之间有入射角，入射光通过虚拟成像相位阵列的窗口区域射入，经过多次来回反射，并在后面板的透射侧产生多个不同输出角度的平行光束；不同输出角度的平行光束通过聚焦透镜在空间上被分隔成间距为毫米量级的多个光束。
12.进一步的，所述聚焦透镜与所述光束分隔器件之间的距离为聚焦透镜的一倍焦距。
13.进一步的，所述光束分隔器件包括光阑和分光棱镜；间距为毫米量级的多个光束先经过光阑将不需要的光束遮挡，再通过分光棱镜将所需要的几种频率成分的光分离开。
14.进一步的，所述分光棱镜为刀锋棱镜；所述刀锋棱镜的两个反射镜面交汇所形成的刀锋设置在靠近入射光一侧，用于将含有两种不同频率成分的光分离开。
15.进一步的，所述反馈控制模块包括信号处理器、pid控制电路、衰减器和微波信号源；
16.所述信号处理器与探测器阵列相连，所述探测器阵列将光信号转化为电信号输入至所述信号处理器中得到处理后的电信号，处理后的电信号经过pid控制电路后输出控制信号来控制衰减器的大小；所述衰减器的输入端与为电光调制器提供驱动信号的微波信号源相连，衰减器的输出端接至电光调制器电光调制器的驱动接口，用于通过衰减器调节驱动信号功率，实现对电光调制器调制深度的调节控制。
17.本发明还提供了一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控方法，包括以下步骤：
18.由单频激光器产生的单频线偏振光作为激光源输入至电光调制器，经电光调制后输出由载波和边带组成的多频率复合光；
19.所述多频率复合光输入至色散分光模块，先依次通过准直器和柱透镜，后射入虚拟成像相位阵列的窗口区域，经过多次反射输出多个不同输出角度的平行光束，再通过聚焦透镜在距离聚焦透镜一倍焦距处形成在空间上被分隔成间距为毫米量级的多个光束；
20.间距为毫米量级的多个光束通过光束分隔器件将所需要的几种频率成分的光分离开，并同时分别输入到探测器阵列中；探测器阵列将光强信号转化为电信号，输入到反馈
控制模块中，通过反馈控制模块实现对电光调制深度的实时测控。
21.进一步的，所述反馈控制模块包括信号处理器、pid控制电路、衰减器和微波信号源；
22.所述信号处理器与探测器阵列相连，所述探测器阵列将光信号转化为电信号输入至所述信号处理器中得到处理后的电信号，处理后的电信号经过pid控制电路后输出控制信号来控制衰减器的大小；所述衰减器的输入端与为电光调制器提供驱动信号的微波信号源相连，衰减器的输出端接至电光调制器电光调制器的驱动接口，用于通过衰减器调节驱动信号功率，实现对电光调制器调制深度的调节控制。
23.本发明还提供了上述的基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统的应用，所述系统用于拉曼光功率比的实时高精度测量和反馈控制、冷却光和回泵光功率成分的操控。
24.本发明具有以下有益效果：
25.本发明提供的一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统通过将eom调制输出光利用vipa标准具在空间中进行分光并探测，对探测结果进行采集处理，可实现在光功率采集处理基础上通过反馈控制来实现对调制深度的精确控制。本发明所涉及的激光控制技术将可直接对eom调制深度的高精度和长时稳定控制，对原子干涉、相干光的频率合成、原子分子物理和量子信息技术等领域具有重要工程实用价值。
26.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1是基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统的结构示意图。
29.图2是eom调制边带功率与调制深度关系图；其中，(a)为单频光经过eom调制后产生相干的多频率复合光的示意图，(b)为随着调制相移(对应调制深度)增加时，载波和各边带成分所对应的相对功率值的变化(百分比表示)。
30.图3是本发明中vipa色散分光模块的原理图。
31.图4是本发明优选实施例1中的eom调制深度反馈控制模块图。
32.图5是本发明优选实施例2中的eom调制深度反馈控制模块图。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
34.如图1所示，本发明提供了一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统，包括单频激光器、电光调制器、vipa色散分光模块、光束分隔器件、探测器阵列和反馈控制模块；
35.所述单频激光器用于产生单频线偏振光，所述单频线偏振光输入至电光调制器，经电光调制后输出由载波和边带组成的多频率复合光；所述多频率复合光输入至色散分光
模块，不同频率的边带光在空间上被分隔成间距为毫米量级的多个光束；间距为毫米量级的多个光束通过光束分隔器件将所需要的几种频率成分的光分离开，并同时分别输入至探测器阵列中；探测器阵列将光强信号转化为电信号，输入至反馈控制模块中，通过反馈控制模块实现对电光调制深度的实时测控；
36.其中，所述vipa色散分光模块包括准直器、柱透镜、虚拟成像相位阵列和聚焦透镜；经电光调制后输出的多频率复合光依次通过准直器、柱透镜、虚拟成像相位阵列和聚焦透镜后，将不同频率的边带光在空间上被分隔成毫米量级的多个光束。
37.根据上述基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统，本发明还提供了基于vipa标准具的电光调制深度实时测控方法。首先，由单频激光器产生的单频线偏振光作为激光源输入至电光调制器eom之后，会根据eom驱动信号(信号频率在ghz量级)的频率和幅值产生一定边带；然后将光束通过以vipa器件为核心的色散分光模块，不同频率的边带光会在空间上被分隔开来毫米量级(该参数与色散分光模块器件选型有关)；之后再通过光束分隔器件将所需要的几种成分光分别输入到光学探测器阵列中；探测器pd将光强信号转化为电信号，输入到反馈控制模块中，通过反馈控制模块实现对电光调制深度的实时测控。
38.当对eom调制深度进行实时测控时，需要依托于基于pid模块进行反馈控制，通过设定eom输出所需的边带成分比例，与探测器探测值进行计算，将偏差大小转化为反馈控制信号，再输入到eom的驱动信号端，形成闭合回路，就实现了eom输出边带光强的稳定实时控制。具体的，所述反馈控制模块包括信号处理器、pid控制电路和衰减器vca；所述信号处理器与探测器阵列相连，所述探测器阵列将光信号转化为电信号输入至所述信号处理器中得到处理后的电信号，处理后的电信号经过pid控制电路后输出控制信号来控制衰减器的大小；所述衰减器的输入端与为电光调制器提供驱动信号的微波信号源相连，衰减器的输出端接至电光调制器电光调制器的驱动接口，用于通过衰减器调节驱动信号功率，实现对电光调制器调制深度的调节控制。
39.利用eom相位调制器产生边带光的原理示意图如图2所示，其中，图2中(a)为单频光经过eom调制后产生相干的多频率复合光的示意图，载波光频率为f0，一定调制深度下对应的相对功率为p0；边带光的频率为f
i
，一定调制深度下对应的相对功率为p
i
，i为
±
1、
±
2和
±
3。图2中(b)为随着调制相移(对应调制深度)增加时，载波和各边带成分所对应的相对功率值的变化(百分比表示)。各成分边带相对强度与调制深度(对应相移)之间遵循贝塞尔函数，不同调制深度会导致各成分边带光所处的强度不同。设0级光对应的光频为v0，相位调制器的微波驱动频率f
m
为边带光的间隔，则k级光对应的光频为ν
±
k
，且大小为ν
±
k
＝ν0±
k
·
f
m
。
40.由于eom的射频驱动信号频率一般为0.5ghz～20ghz之间，光栅和棱镜等传统色散元件很难将等间隔的各频率成分在空间分开，如何将载波和边带分离测量是一大难点。而vipa器件恰好弥补了这一缺点，它提供了一种将频率不同的复合光进行空间分离的能力，使用基于vipa的色散分光组件，即可实现各频率成分光功率的分离测量。
41.vipa虚拟成像相位阵列作为一种新型的光谱色散器件，它由两块相互平行的镀膜的高质量光学平板组成，可称为前面板和后面板。其中，靠近入射光的平板为前面板，远离入射光的平板为后面板。后面板的内侧或反射面涂有部分投射膜(反射率为95％以上，优选95％～98％)，目的是使每次入射到后面板的光将会有一小部分能透过vipa平行输出；前面
板的内侧或光反射一侧被涂上反射率几乎为100％的反射膜。同时，在前面板的底部设计了一个入射窗口(也称窗口区域)，窗口的表面(涂覆增透膜)几乎与前面板齐平，表面上还专门设计了一道狭窄的细缝，入射光只有压窄后才能顺利通过，并以较小的入射倾角照射到后面板内侧进入vipa，而后进入到在两个光学平板之间循环反射的状态模式。基于vipa的色散分光模块包括：准直器、柱透镜、vipa和聚焦透镜，如图3所示。首先，准直器将光束以小光斑直径准直传播，然后用柱透镜进一步将光束尺寸在vipa标准具窗口方向压缩，从而更易于射入vipa狭小的窗口；激光束会经历多次来回反射，每次反射都会从后面的非全反射光学平板产生一个较弱输出光束，这样多次反射后会从后面板的透射侧输出多个平行光束，同时由于各边带成分的频率不同，不同频率光所输出平行光束的角度有差别，因此会形成不同输出角度的平行光束；最后在vipa输出光束后端放置聚焦透镜，在透镜一倍焦距处附近即可看到不同频率成分的光分布于空间中不同位置，ghz频率间隔的复合光最后分束后的空间距离可达mm量级。
42.通过vipa并通过聚焦透镜汇聚后，在焦平面上的输出光场可以表示为：
[0043][0044][0045]
其中，i
out
为输出光强，e
out
激光的电场强度，δ表示光程差的变量，t为vipa厚度(即前面板和后面板之间的距离)，w为柱面透镜之前准直光束的半径，r和r分别为vipa前后面板的反射率，f和f分别为柱透镜和聚焦透镜的焦距，θ为光线进入vipa的入射角，x
f
为聚焦透镜一倍焦距处垂直光路方向的坐标，λ是激光波长。
[0046]
当一定频率的光经过eom产生边带，以二级边带为例，当三种波长成分的光强度相等时，通过仿真，输出光场强度分布如图3最右侧透镜一倍焦距处所示，经过vipa系统后，中心光及各级边带能够在空间中被分开一定距离。通过仿真实验分析，光场最强处三种成分光被分开的间隔可以通过调节系统参数进行优化。系统可调节的参数有vipa入射角、聚焦透镜焦距、柱透镜焦距、光束直径、vipa厚度，其中对边带分开距离有明显影响的是vipa入射角和聚焦透镜焦距这两个参数，且入射角越小(有最小角度限制，角度过小会导致光的削弱)、聚焦透镜焦距越长，可分开的距离越大。
[0047]
具体的，所述光束分隔器件包括光阑和分光棱镜。在上一步使用vipa色散分光模块将边带光分隔开一定距离后，利用光阑将不需要的光束遮挡，再利用分光棱镜使得所需要的不同频率成分光分开更大距离，更利于下一步光电探测器准确高效探测各成分光。
[0048]
优选的，所述分光棱镜为刀锋棱镜；所述刀锋棱镜的两个反射镜面交汇所形成的刀锋设置在靠近入射光一侧，用于将含有两种不同频率成分的光分离开。刀锋棱镜的两个互相垂直的反射面之间有一道极细的相交面(不到毫米)，好似刀锋，入射光迎着这道刀锋照射到刀锋棱镜上，光被刀锋分开打在左侧和右侧反光面上。
[0049]
本发明提供的基于vipa标准具的电光调制深度实时测控方法，具体包括以下步骤：
[0050]
由单频激光器产生的单频线偏振光作为激光源输入至电光调制器，经电光调制后输出由载波和边带组成的多频率复合光；
[0051]
所述多频率复合光输入至vipa色散分光模块，先依次通过准直器和柱透镜，后射入虚拟成像相位阵列的窗口区域，经过多次反射输出多个不同输出角度的平行光束，再通过聚焦透镜在距离聚焦透镜一倍焦距处形成在空间上被分隔成间距为毫米量级的多个光束；
[0052]
间距为毫米量级的多个光束通过光束分隔器件将所需要的几种频率成分的光分离开，并同时分别输入到探测器阵列中；探测器阵列将光强信号转化为电信号，输入到反馈控制模块中，通过反馈控制模块实现对电光调制深度的实时测控。
[0053]
在分光之后，针对两种不同功能，具体的实施方案有所不同。具体如下：
[0054]
实施例1：
[0055]
实施例1采用空间色散分光探测和反馈控制方法来实现eom调制深度的精确稳定实时控制，具体设计方案如图4所示。单频激光器产生的单频激光经光纤eom调制后，通过准直器、柱透镜、vipa和聚焦透镜组成的vipa色散分光模块将不同频率光分束聚焦，通过光阑只让在单个自由光谱范围(free spectral range，fsr)内0级光和1级光通过，透过光束由于mm级空间距离再用刀锋棱镜分开，并分别经光电探测器后，将光功率信号转化为电信号，然后将信号处理结果输入到pid控制电路中。通过计算0级光和1级光功率比值，与设定所需的比值进行对比，将误差控制的电压信号作为反馈信号，输入到衰减器vca的电压控制端，而vca的微波输入端连接为eom提供驱动信号的微信号源，vca的输出接到eom的微波驱动信号接口上；这样便可通过控制vca的衰减大小来对该eom的驱动信号进行调节控制，从而实现对eom调制深度的调控，而且通过闭环反馈控制可完成调制深度的反馈控制，最终可将eom输出载波和边带光稳定在所需的功率比上。
[0056]
实施例2：
[0057]
如图5所示，实施例2与实施例1的不同在于，通过前方的vipa色散分光模块之后，方案1通过光阑和刀锋棱镜只得到两个空间分开的光束(0级光和1级光)，方案2通过光阑和光束变向棱镜对光束角度及光斑在焦平面附近的位置进行局部调整，然后直接用光束有效探测位置合理设计的阵列探测器对载波和多个目标边带都同时进行探测，且所采用的阵列探测器各单元的感光面大小、间隔均相等；阵列探测器输出光功率转换的电压信号，然后同时采集多个电信号进行信号处理，并利用这些电信号精确产生误差控制的电压信号作为反馈信号，输入到衰减器vca的电压控制端，而vca的微波输入端连接为eom提供驱动信号的微信号源，vca的输出接到eom的微波驱动信号接口上；这样，便可通过控制vca的衰减大小来对该eom的驱动信号进行调节控制，从而实现对eom调制深度的调控，而且通过闭环反馈控制可完成调制深度的反馈控制，最终可将eom输出载波和边带光精准地锁定在所需的功率比上。
[0058]
综上所述，本发明提供的一种基于vipa标准具的电光调制深度实时测控系统通过将eom调制输出光利用vipa标准具在空间中进行分光并探测，对探测结果进行采集处理，可实现在光功率采集处理基础上通过反馈控制来实现对调制深度的精确控制。本发明所涉及的激光控制技术将可直接对eom调制深度的高精度和长时稳定控制，对原子干涉、相干光的频率合成、原子分子物理和量子信息技术等领域具有重要工程实用价值。具体的，该系统可直接用于原子干涉过程中拉曼光功率比的实时高精度测量和反馈控制、冷却光和回泵光功率成分的操控；此外，还可用于相干光的频率合成和功率控制、原子分子物理和量子信息技
术中对相干操控光的实时监测和精确控制等。
[0059]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。