基于声光调制器的激光功率稳定研究及进展

张钰

(安庆师范大学电子工程与智能制造学院，安徽 安庆 246133)

0 引言

在激光应用领域的相关精度实验中，是需要极其稳定的输出激光，因为功率波动大小往往会决定这些实验最终能达到什么样的灵敏度，例如在材料激光加工中，为了获得更好的金属切割性能，需要高度稳定的激光输出功率[1]；又例如在痕量气体探测系统中，要实现nL/L 级别的高精度测量，激光长时间的稳定输出是其中关键一环[2]，诸如此类的实验都证明了激光功率稳定的重要性。造成功率不稳定的原因有很多，激光器内部泵浦源或外部的因素都会影响激光器输出，而目前世界上所有的激光功率稳定系统中，稳定程度较好的几个实验[3-6]都是对激光器外部输出激光进行反馈控制，利用光与电、磁、声的物理反应，对输出光进行幅度调制，成功实现了激光功率稳定度的提升。三种调制器相比较而言，电光调制器需要的电压高、功耗大，而磁光调制器对激光功率波动信号中的高频部分没有抑制能力，且其产品种类少，致使其应用场合少，同时又由于声光调制器较快的响应时间、衍射效率高（使得激光利用率高）等等优点，所以声光调制器在关于激光功率稳定系统的研究应用广泛，因此本文着重针对基于声光调制器的激光功率稳定方法，综述激光功率稳定系统在国内外的研究和进展。

1 系统基本结构和原理

1.1 系统基本工作原理

激光功率稳定过程是一个反馈控制过程，系统核心的框图如图1，激光器输出激光经过声光调制器被分成两束光路（0 级和1 级），其中1 级光路被挡光板滤除，0 级光经过分光器件再次被分成输出光（被稳定）和反馈信号光（进入反馈回路），反馈信号光被光电探测器所接收并产生实时数字信号显示当前的光功率大小，数字信号进入控制器与设定好的参考信号进行比较产生误差信号，误差信号代入PID 反馈控制算法公式中运算得出实时的控制电压信号，声光驱动器根据不同的电压信号控制声光调制器的射频功率来改变0 级光（被稳定）的功率大小，从而实现激光功率的稳定。

图1 基于声光调制器的激光功率稳定框图

激光功率稳定程度相关的计算方法有很多，在国际上常用的有两种，艾伦（Allan）方差和相对功率噪声（RPN）。艾伦方差有效地阐述了待研究的误差时间序列在不同时间尺度上的波动水平（不稳定性），并可根据不同时间尺度上的艾伦方差值所构成的曲线的形状特征来辨识其中包含的随机过程模型，定义如下：

2 国内动态

国内相关大学及研究机构在该领域研究虽然起步比较晚，但因为其研究成果很多，所以发展速度非常快。2000 年刘玉玲博士基于极坐标激光直写系统曝光光功率的稳定控制需要，对腔外调制控制激光光功率输出进行反馈控制的理论进行深入的研究，研制了以声光调制器作为执行器的激光光功率闭环控制系统，并从系统期望的光功率稳定程度出发，辨识了声光调制器的传递函数模型，设计出了精准的控制器，最后光强稳定程度为0.1%[7]，这个控制效果已经算是非常优良的了，但由于当时的技术水平限制，像模数转换、数模转换、减法器这样简单的功能都各自需要一个单独芯片进行工作，所以整个系统结构非常复杂。近些年来，随着集成电路芯片的快速发展，一个小小的单片微控制器，将一个计算机系统集成到一个芯片上，能完成众多复杂的逻辑功能。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。2015 年西安电子科技大学的高苗使用FPGA 作为主控芯片，配合使用增量式PID 算法，设计了简洁明了的系统，完成了对激光功率控制的功能[8]，具体功能构成如图，但这个系统只能稳定在一个固定的功率值，不可实时调节。针对这个问题，2016 年中国计量大学的张枢根据铯原子光晶格钟实验的需要，设计了一个利用逻辑电平信号控制输入电压，从而时序性地输出可调范围内任意功率的激光稳定系统，能够使激光在不同的时间段内稳定在不同的功率上，且稳定程度保持在0.01%左右[9]。

图2 激光功率稳定控制系统框图[8]

芯片功能的发展使得控制器的功能越来越来集成，而计算机上仿真软件的进步又为控制器的算法设计提供了便捷。中北大学的李营营用matlab 对AOM 进行了系统辨识，在simulink 环境下进行了控制系统仿真，为在labview 开发环境设计PID 控制器提供了辅助，在一小时的测量时间内，不稳定度从1.67%降到了闭环后的0.19%，且分析了由于激光偏振扰动，会导致分束器分光比有波动，若是能解决这个问题，激光功率不稳定度有望进一步降低[10]。为了验证这个问题，王春用simulink 仿真了如果分束器分光比有波动，对激光功率稳定程度会有多大的影响，并提出了解决方案[11]。针对这个问题，国防科大的课题小组设计了一款高稳定性、高分裂比的非偏振板分束器（NPPBS），并测试了激光功率大小、偏振、温度对分束比的影响，验证了设计好的NPPBS 具有良好的去偏振特性和对功率温度的不敏感，这个设计可以适用于任何需要激光功率稳定的系统[12]。

除了功率稳定性的极限，稳定速度也是整个系统的关键。2021 年中国科学院的欧阳鑫川针对传统PID 的超调，和难以对声光调制器辨识数学模型的问题，研究了一种基于模糊控制的嵌入式激光功率稳定系统，与使用传统PID 的激光功率稳定系统对比，稳定过程基本没有超调，且稳定所需要的时间从4.7ms 缩短至1.8ms，而且该功率稳定技术可以实时改变稳定后的激光功率，适用于一些实验过程中需要改变激光功率的特定场合[13]。除了使用智能控制算法能够加快控制速度，也有人尝试使用不同的控制器来提升效果。华中光电技术研究所的熊家豪采用混频器对声光调制器射频驱动功率进行控制，经测量和对比，使用传统的压控衰减器进行射频信号输出时，响应时间为15 微秒，而混频器仅需26 纳秒，极大地压缩了系统稳定控制的时间[14]。

整个激光功率稳定系统成本昂贵，所以在能达到预期稳定性等主要目的之外，为了避免造成功能过剩，如何降低系统复杂度是个关键的问题。西北大学的张树宏则对声光调制器的衍射光使用进行了分析，分析了以前的实验为什么都采用0 级光作为被控制和稳定的对象，是因为0 级光是不会带来频率移动，而在研制高性能原子钟的实验中需要频率移动，所以张树宏采用1 级光作为被控制的对象，在不增加系统复杂度的情况下，进一步提升了功率稳定性，且同时实现了频移，这对以后不考虑频移动类似的实验带来了启发[15]。中科院的李菡在实现预期稳定效果的前提下（4000s 秒进入10-5量级），简化了整个整个实验装置，如图3，通过测试零级光和一级光相对功率噪声谱在不同射频功率状态下的表现，发现声光调制器具有最佳射频功率点，在该点零级光和一级光的相对功率噪声谱最低，且如果改变入射声光调制器的光偏振态，也会改变0 级光的相对功率噪声谱大小[16]。

图3 基于声光调制器的激光功率稳定实验装置[16]

3 国外动态

国外对于激光功率稳定研究起步较早，且都是针对引力波探测器、原子钟等这种对激光功率稳定度极其苛刻的实验，所以他们对于功率稳定实验做了很多的改进实验，早在上个世纪就实现了很高的稳定水平。为了进一步提升稳定水平，以适应更多的激光应用领域，他们对已有的成果进行大量的理论分析，例如2007 年巴黎大学的激光物理实验室提出了声光调制器会将射频功率噪声添加到光束中，于是设计了一个噪声功率检测模型，这个模型适用于系统计算各种经典和量子噪声对光束和光电流的影响[17]。韩国的Dong lk Kim 等人对现存的激光功率稳定实验分析了在低频段非常难以实现功率稳定的情况，这在以往的文章也多次验证过[18-21]，还有光电二极管对于温度的敏感性会导致稳定性变差等问题，他们提出如果在光路中加入空间和时间滤波器来降低空间光束指向稳定性，能得到更好的效果[22]。

上述方案能在一定程度增加了探测光束质量，但是对于空气中的细微扰动并没有考虑到。2006 年德国的阿尔伯特爱因斯坦研究所和汉诺威大学合作开展一项针对第二代引力波探测器的激光功率稳定实验，他们分析了温度波动、散射光和电流中低频过量噪声等噪声源，以及稳定激光系统中不同的因素观测结果，如激光频率、偏振或指向。认为在低频段要获得更低的相对功率噪声，关键问题在检测方案的改进[23]，用了一个预模清洁器，减少了光束几何波动和指向，并将整个探测系统放在一个真空仓内从而防止空气扰动，如图4 所示，最后实现了Nd:YAG 激光器在10hz低频相对功率噪声为5×10-9Hz-1/2，这个结果已经非常接近当时先进的LIGO 探测器的要求（2×10-9Hz-1/2）[24]。2017 年他们通过使用光电二极管阵列作为传感器和控制回路的低噪声电子器件，尽可能地减少实验环境中光束指向和功率噪声之间的耦合，在100Hz 到1kHz 实现了1.8×10-9Hz-1/2相对功率噪声水平[25]。2021 年又和美国LIGO 实验室合作展开了一项新型稳定功率探测方法的研究，将调制光束的波动通过入射到一面镜子上产生的辐射压力驱动运行来感知，镜像的位置以及波动由迈克尔逊干涉仪和一束弱辅助光束进行探测，从而形成了反馈控制系统的环内传感器，代替了传统的光电探测器，这种方法他们通过实验验证是可以得到更高的探测灵敏度，在稳定低温环境下（镜面的热噪声影响），低频10Hz 是可以产生10-10Hz-1/2极低的相对功率噪声，这对未来的引力波探测器研究至关重要[26]。

图4 改进的功率稳定实验的功率波动检测部分示意图[23]

对探测系统的改进能在最大程度上提高功率稳定极限，但这一方法成本非常高，整个系统极其复杂，普通的实验室难以对其复现，于是他们探索在不增加系统复杂度的情况下，激光稳定性的极限能达到哪里。2013 年莫斯科国立大学的V.I.Balakshy 等人对声光调制器的工作状态进行了理论分析，推导出了一个描述整个激光功率稳定系统中的动态过程和其他各种工作状态的方程，得出结论，稳定系数取决取决于反馈电路的传递系数和工作点的位置对声光相互作用的振幅特性的影响[27]。并在以二氧化碲晶体制备的声光调制器的实验中，15 到180hz的频段内测量到的最大稳定系数为78[28]。2018 年法国巴黎天文台针对原子钟内部紧凑的需要，设计了一种简单反馈控制系统如图5 所示，证明了使用几个简单的器件就可以实现高功率的稳定性（在1Hz 到100kHz 范围内达到了2.2×10-8Hz-1/2的较好相对功率噪声水平），分析了长时间会出现不稳定性增加的现象，是因为AOM、半波板、PBS 对温度的敏感性。普通的实验室和工业生产更适合研究这种简单的方案，以便他们知道在不增加系统复杂度的情况下，频域和时域可以取到什么样的极限结果，以及会碰到什么样的问题，更具有参考性[29]。

图5 稳定激光功率的实验装置[29]

4 总结

本文详细介绍了常用的激光功率稳定系统，以声光调制器为核心器件综述了腔外调制激光功率稳定系统的设计特点和需求，深入研究分析了现有反馈控制系统的原理及特点，结合系统在实际激光功率稳定过程中的运用结果，从系统最终稳定程度、通用性、复杂程度、实时控制、稳定速度等方面综合评价，可知现存功率稳定系统尚存一定缺陷。例如德国爱因斯坦研究所，基于引力波探测器的需要，他们对激光功率稳定这个课题研究长达十几年，对功率探测系统不断改进，虽然稳定程度达到了世界顶尖水平，但同时系统复杂程度、器材成本也不断增加，对整个系统的灵活性也大大地削弱了，很难应用在工业生产和普通的实验室。法国巴黎天文台设计的简单、紧凑功率稳定系统，达到的较高功率稳定结果，给其他课题的研究提供了一个很好的示例，设计相似的方案可以在时域和频域取到一个什么样的结果，以及可能会碰到什么样的问题。除了追求更高的功率稳定性，有部分学者对如何提高稳定的速度也做出很多的研究，主要是针对PID 算法的改进，使用了增量式、位置式、模糊控制等等算法，这在具有众多智能算法的今天，显然是不够的，可以尝试使用更多智能反馈控制算法应用在激光功率稳定这个领域，得到稳定速度更快、更好的结果。

激光功率稳定是激光应用的重要领域，因为工艺水平限制，现有激光器的功率稳定性是无法满足实验室和工业的需求，所以对于激光功率稳定的研究在未来很长一段时间都是非常重要的，且会在激光应用领域中不断推广。功率稳定的最终目的是服务于其他原子物理、光学传感器或计量等各个实验，所以在针对一个实验设计一个适合的激光功率稳定系统，在达到期望的稳定效果之外，还需要考虑到整个系统的成本、复杂程度、操作是否便捷等因素，可以从控制器设计、合适的智能算法、鲁棒性好的光器件等方面进行优化，以适应激光应用和工业生产的发展需要。