对包括激光器和腔体的光学装置进行伺服控制使得可以补偿由相位调制器引入的幅度调制的方法与流程

本发明涉及将激光器光频率伺服控制到谐振光学腔体或者将谐振光学腔体伺服控制到激光器光频率的领域。

背景技术：

1、在许多应用(陀螺测试仪、重力干涉测量法或者甚至计量学)中，需要具有以高度稳定的光频率发射辐射的激光源。为了提高激光器的光频率的稳定性，已知将激光器伺服控制到谐振光学腔体的谐振。

2、最常用于实现这种伺服控制的方法是已知的庞德·德雷弗·霍尔(pound dreverhall)方法，该方法以其发明者的名字命名。图1示意性地示出了用于执行该方法的装置。该装置尤其包括在中心频率fc附近表现出谐振的腔体c和被设计成生成激光束ll的激光器l。然后，激光束的光频率被声光调制器aom(可选部件)移动到所述谐振内的频率f＝ω/2π。然后，激光束由相位调制器pm通过处于调制频率fmod＝ωmod/2π和调制幅度m的相位进行调制。调制频率由本地振荡器ol施加。

3、通过谐波展开，可以证明注入到腔体中的经相位调制的光束的幅度einj为：其中j为贝塞尔函数，该方程通过将展开限制到第一边带而对于低m值有效。

4、该方程使得可以观察到相位调制器pm创建了横向频率分量或边带，这些横向频率分量与初始频率f分开由振荡器ol经由pm施加的调制频率fmod的倍数。如果可能的话，该调制频率被选择为大于腔体的谐振宽度，使得边带不与腔体谐振。在下文中，仅考虑f±fmod处的两个边带。

5、然后，激光束被注入到腔体c中。所述腔体具有反射模式传递函数，表示为fr，其将入射电场的幅度和反射电场的幅度联系起来。光环行器co(通常基于位于两个偏振分裂器立方体之间的法拉第旋转器)将腔体反射的激光束引导到表示为pdr的光电二极管上。然后由包括混合器mix0的解调系统dem0来解调由光电二极管生成的信号si，该混合器将信号si乘以具有解调相位的施加到pm的调制信号。然后，低通滤波器lp0使得可以只保留解调信号的dc分量，其幅度vε(称为误差信号)与激光器的频率f和腔体的谐振频率fc之间的差值成比例。事实上，误差信号的幅度为：其中pc和ps分别是基波和边带分量的功率，g是接收到的光功率与光电二极管提供的电压之间的转换增益。

6、当调制频率足够高并且当激光辐射的频率与谐振的中心频率之间的差值δν足够小时，则可以证明：其中δfc是谐振的谱线宽度(对于高精细度的fabry-pérot腔体)。

7、当激光器的频率f与腔体的谐振频率稍微偏离时，两个边带不变(如果它们确实脱离谐振)，而频率f处的光束的相位和幅度发生变化(因为它不再处于谐振状态)。然后，激光束的三个光谱分量之间的相干属性使得测量这些波动成为可能，这些波动导致解调信号的这种线性变化，因此可以用作频率误差信号vε，当激光辐射与腔体的模式谐振时该误差信号被抵消。

8、然后，处理器ut被配置为使用常规的伺服控制方法(例如但不限于利用pi或pid(比例积分微分)反馈电子器件，这里指的是反馈电子器件对误差信号的三种作用模式)、经由反馈电子器件来利用该误差信号v∈执行伺服控制。这种使误差信号朝零值收敛的反馈在自动化领域是众所周知的。

9、关于要应用于pm的调制频率的选择，如果腔体的精细度很大，则腔体的谐振宽度与自由光谱范围相比将较小，并且与腔体的谐振峰的频率宽度相比，调制频率可以选择得非常大。对于该伺服控制，这将是与上述解释相对应的最佳情形。另一方面，如果腔体的精细度不是非常大，则调制频率将接近腔体的谐振峰的频率宽度。当频率f偏离谐振并且伺服控制效果较差值时，边带会被部分修改。

10、伺服环路例如经由供应到激光器的dc电压(例如，在半导体激光器的情况下)对激光器进行反作用，以便将激光器f的频率维持或保持在腔体的谐振频率处。作为替代，对腔体的长度进行伺服控制，激光器的频率保持固定。更准确地说，该装置包括压电平移台(图1中未示出)，例如，腔体的反射镜之一固定到该压电平移台，以便控制腔体的长度或者伸长或缩短腔体的一部分(如果是光纤腔体)。最后一种选择包括经由aom的激励频率对aom进行伺服控制。

11、从理论上讲，这种技术非常有效。然而，在实践中，它有一个重大缺点。事实上，大多数相位调制器是基于电光晶体(例如由铌酸锂制成的电光晶体)并引入了与相位调制相关联的幅度调制(残余幅度调制，ram)。事实上，由于所使用的介质是双折射的，因此这种调制是由于激光辐射的入射偏振没有与所使用的晶轴完美对准这一事实。在调制器的输出端处，电场包括与入射电场在晶体的两个轴上的投影的大小相关的两个分量。此外，在相位调制器的输出端处，常见的是，在路径上包含或多或少完美的偏振器(因为在相位调制器后面插入了耦合器或隔离器或者环行器，或者因为必须针对与实验相关的需求很好地定义偏振态，然后引入了偏振器)。在投影到偏振器的通过方向上之后，这两个分量的混合引起与相位调制相关联的幅度调制。

12、问题在于这两个相位和幅度调制处于相同的频率fmod。因此，上面解释的解调过程不能将它们分开，并且幅度调制导致误差信号的偏差。当伺服控制系统使用该误差信号时，该偏差会导致激光器锁定在腔体谐振或吸收峰附近。此外，这种偏差可能会变化，因为它对温度敏感，这是因为它取决于晶体的自然双折射。

13、为了校正ram，最常规的方法包括在相位调制器pm的输出端处使用分裂器板lsp对经相位调制的激光束ll的一部分进行采样并使用称为ram控制光电二极管的光电二极管pdram(见图1)对其进行检测。通过以调制频率进行解调，可以生成与引起的偏差成比例的信号。该信号用于通过除了调制电压之外还向晶体施加dc电压或作为偏差的波动的函数缓慢变化的电压而经由处理器ut对晶体起到反作用。该dc电压产生与晶体的自然双折射相反的双折射。因此，该光电二极管pdram上的偏差被正确地抵消。

14、该方法的主要缺点在于，该光电二极管pdram不是使得可以将激光器l伺服控制到腔体c的光电二极管pdr。然而，如果组件在相位调制器pm之后包括其他双折射部件(光纤、环行器、耦合器、等)，那么抵消光电二极管pdram上的调制幅度并不能保证它在光电二极管pdr上被抵消。

15、图2在非限制性示例中更详细地例示了该问题。在此图中，装置在相位调制器pm之前的输入端处包含偏振器pol，其后是耦合到两根偏振维持性光纤的1x2耦合器。一根光纤被朝着pdram重定向(图2中未示出)，另一根光纤fmp通过包括偏振器的环行器co被朝着腔体c重定向。例如，co的偏振器使得可以很好地设定场入射在腔体上的偏振态，以避免由于因错误偏振的激励导致的谐振变形而引入偏差或不稳定性。离开相位调制器的场被写成(寻常轴沿y轴，非寻常轴沿z轴)：

16、其中是相位调制器施加的相位

17、

18、其中no,e是分别沿寻常轴和非寻常轴的索引，vdc是施加到相位调制器的dc电压，其中l,d是相位调制器的尺寸，vrf是施加到相位调制器的ac电压，fmod＝ωmod/2π是调制频率。

19、应当记得，对于pound-drever-hall伺服控制，最佳调制深度m＝δe约为1rad，并且考虑到no＝2.2108、ne＝2.1373、ro＝8.6pm/v、re＝30.8pm/v的值，给出

20、

21、令β′为相位调制器的晶体的轴z与光纤fmp的轴z'之间的角度，使得：

22、

23、

24、

25、在经过光纤fmp之后，由沿着z轴的索引nslow和沿着y轴的索引nfast表征

26、

27、其中φf,s是由光纤fmp分别沿着y轴和z轴引起的相移，

28、然后，在从z'轴以γ′定向的co的偏振器之后，场eco被写为：

29、

30、通过写为

31、

32、方程1：

33、

34、通过引入

35、

36、

37、ram控制光电二极管上的强度则为：

38、

39、其中，

40、通过写成：

41、

42、通过谐波分解，然后通过选择一次谐波并通过在解调相位被选择为零的情况下以ωmod解调由系统dem生成的信号，这给出了要被抵消的ram误差信号vram，其具有以下值：

43、vram＝-2|a′||b′||e0|2j1(m)sin(δφ+δφdc+φb′-φa′)，其中j1是一阶贝塞尔函数。

44、因此，要施加到相位调制器的dc电压vdc修改δφdc并且必须校正晶体的双折射和光纤的双折射(φb′-φa′)使得vram＝0，也就是说sin(δφ+δφdc+φb′-φa′)＝sin(δφram)＝(2k+1)π/2。这当然是可能的，因为校正是模2π，但问题是在耦合器的另一根光纤中朝向腔体传播的光束部分会经历其他波动。因此，对ram控制光电二极管的校正无法实现对另一光束的校正。这种分析可以在其他情况下进行，例如，如果相位调制器与光纤之间存在偏振器。它们会导致相同的条件sin(δφ+δφdc+φb′-φa′)＝kπ，定义φb′-φa′取决于组件。因此，结论是相同的：在组件的一个臂上进行抵消并不能保证在另一臂上进行抵消，除非可能在没有偏振元件的自由空间模式下。对于一个光电二极管专用于控制ram而另一光电二极管专用于锁定激光器和腔体的自由空间或光纤组件而言，常见的另一个限制是解调相位。事实上，为了从ram的抵消中获得最佳效益，用于生成用于锁定激光器的误差信号的解调相位必须与ram控制光电二极管上用于抵消ram的解调相位相同。如果不是这种情况，则解调过程会产生与ram相关的分量。在实践中，保证这种相位相等并不容易。事实上，根据同步检测进行调整的解调相位会校正由电子器件(光电二极管输出放大器、电缆中的传播、同步检测中等)造成的延迟，并且这些相位可能会漂移。

45、本发明旨在克服现有技术的一些上述问题。更具体地，本发明涉及一种校正与用于将激光器光频率伺服控制到腔体的谐振的光电二极管相同的光电二极管上的ram的方法。因此，该方法使得可以克服由在相位调制器之后引入的部件的双折射引入的误差。

技术实现思路

1、为此，本发明的一个主题是一种用于光学装置的伺服控制的方法，所述光学装置包括在中心频率fc附近表现出谐振的腔体、激光器和相位调制器，所述方法被设计成将所述腔体伺服控制到所述激光器或者将所述激光器伺服控制到所述腔体，并且补偿由所述相位调制器引入的幅度调制，所述方法包括以下步骤：

2、-使用所述激光器以处于所述谐振内的光频率f生成激光辐射，

3、-改变所述激光辐射的所述光频率与所述中心频率之间的差值δv，使得所述光频率扫描所述谐振，所述差值由所述装置的元件的参数控制，并且针对各个差值δvi

4、ο利用所述相位调制器通过调制相位φmod以调制频率fmod调制所述激光辐射的相位，

5、ο将经相位调制的辐射注入到所述腔体中，

6、ο使用光电二极管来检测由所述腔体反射或透射的辐射并且生成代表所检测到的辐射的强度的电信号，

7、ο通过以下方式以所述调制频率fmod解调所述电信号：分别在第一解调相位φdem,1和不同于所述第一相位的第二调制相位φdem,2φdem,2≈φdem,1k，k∈[0；2π]处同步地生成代表经解调的电信号的第一解调信号和第二解调信号，并且对所述第一信号和所述第二信号进行滤波，以便仅保留所述第一解调信号的称为误差信号1的dc分量v∈1和所述第二解调信号的称为误差信号2的dc分量v∈2，

8、c.针对所述第一解调相位的给定值，计算分别表示作为所述差值的函数的所述误差信号1的变化和所述误差信号2的变化的函数1f2和函数2f2，

9、d.通过在每次重复之间改变所述第一解调相位来重复步骤b)和c)，直到针对所述第一解调相位的被称为解耦相位的值φdem,1＝φdec，所述函数1或所述函数2在所述差值的包括0的部分值上具有平台(plateau)，所述函数1或函数2中具有所述平台的函数称为pl函数，不具有所述平台的函数称为sp函数；

10、e.在所述解耦相位处，改变所述差值以便观察由所述光电二极管检测到的光辐射的所述强度的极值，即，所谓的零差值，并且将所述元件伺服控制到所述参数的使得可以维持该强度极值的值，

11、f.在所述解耦相位处，利用所述相位调制器(pm)使用除了处于所述调制频率fmod的信号之外的、处于所谓的附加调制频率fadd的所谓的附加周期信号来调制所述激光辐射的相位；

12、g.针对所述sp函数，通过改变所述第一解调相位来最小化所述附加信号的一次谐波的幅度，该最小值在所谓的第一附加解调相位φdem,1＝φdec2的情况下达到，并且在所述附加相位处，将所述元件伺服控制到所述参数的使得可以维持该强度极值的值，

13、h.在所述解耦相位φdem,1＝φdec处并且在所述零差值处，改变所述第一调制相位直到所述pl函数被抵消，并且通过伺服控制所述相位调制器来维持所述pl函数的抵消。

14、根据本发明的方法的一个特定实施方式，步骤h)包括将所述相位调制器的电压vdc,pm改变至使得可以抵消所述pl函数的所谓的ram电压值，并且将所述相位调制器伺服控制到所述ram电压。

15、根据与前述实施方式兼容的本发明方法的另一特定实施方式，在步骤iii)中，所述光电二极管检测由所述腔体透射的辐射，并且所述方法在步骤d)之后且在步骤e)之前包括步骤d1)，该步骤包括通过针对各个调制频率重复步骤d来改变所述调制频率直到所述sp函数的斜率在所述部分值上处于最大值。

16、根据与之前两个实施方式兼容的本发明方法的另一特定实施方式，所述附加频率fadd比所述调制频率fmod低10倍。

17、本发明的另一主题是一种光学装置，所述光学装置包括在中心频率fc附近表现出谐振的腔体以及激光器，所述激光器被设计成以处于所述谐振内的光频率f生成激光辐射，所述装置包括：

18、-元件，所述元件被设计成改变所述激光辐射的所述光频率与所述中心频率之间的差值δv，使得所述光频率扫描所述谐振，所述差值由所述元件的参数控制，

19、-相位调制器，所述相位调制器被配置为通过调制相位φmod以调制频率fmod调制所述激光辐射的相位并且被设计成改变所述调制相位，经相位调制的辐射被注入到所述腔体中，

20、-光电二极管，所述光电二极管被设计成检测由所述腔体透射或反射的辐射并且被配置为生成代表所检测到的辐射的强度的电信号，

21、-解调系统，所述解调系统被设计成针对各个差值δvi以所述调制频率fmod通过以下方式解调所述电信号：

22、ο分别在第一解调相位φdem,1和不同于所述第一解调相位的第二调制相位φdem,2处同步地生成代表经解调的电信号的第一解调信号和第二解调信号，使得φdem,2≈φdem,1±k，k∈[0；2π]，

23、ο对所述第一信号和所述第二信号进行滤波，以便仅保留所述第一解调信号的称为误差信号1的dc分量v∈1和所述第二解调信号的称为误差信号2的dc分量v∈2，

24、-处理器，所述处理器连接到所述调制系统并且被设计成：

25、ο针对所述第一解调相位的给定值，计算分别表示作为所述差值δv的函数的所述误差信号1的变化和所述误差信号2的变化的函数1和函数2，

26、ο确定所述第一解调相位的被称为解耦相位的值φdem,1＝φdec，针对该解耦相位，所述函数1或所述函数2在所述差值的包括0的部分值上具有平台，所述函数x或函数y中具有所述平台的函数称为pl函数，不具有所述平台的函数称为sp函数

27、ο在所述解耦相位处确定被称为零差值的差值，针对该差值，由所述光电二极管检测到的光辐射的所述强度达到极值，并且将所述元件伺服控制到所述参数的使得可以维持该强度极值的值，01、1

28、ο在所述解耦相位处，利用所述相位调制器使用除了处于所述调制频率fmod的信号之外的、处于所谓的附加调制频率fadd的所谓的附加周期信号来调制所述激光辐射的相位；

29、ο针对所述sp函数，通过改变所述第二解调相位来最小化所述附加信号的一次谐波的幅度，该最小值在所谓的第二附加解调相位的情况下达到，并且在所述附加相位处，将所述元件伺服控制到所述参数的使得可以维持该强度极值的值，

30、ο在所述解耦相位处并且在所述零差值处，确定所述调制相位的使所述pl函数被抵消的值，并且伺服控制所述相位调制器以便维持所述pl函数的抵消。

31、根据本发明的装置的一个特定实施方式，所述元件是所述激光器，并且所述参数是供应到所述激光器的dc电压vdc,l。

32、根据本发明的装置的另一特定实施方式，所述元件是声光调制器，所述声光调制器被配置为在所述激光辐射被所述相位调制器进行相位调制之前改变所述激光辐射的所述光频率，所述参数是所述声光调制器的激励频率faom。

33、根据本发明的装置的另一特定实施方式，所述元件是压电平移台，所述腔体的部件固定到所述压电平移台，所述压电平移台被设计成改变所述腔体的长度，所述参数是所述腔体的长度。

34、根据与本发明的所有实施方式兼容的本发明的装置的一个特定实施方式，所述腔体是环形腔体，所述环形腔体包括光纤以及被配置为将注入到所述腔体中的所述辐射与所述光纤耦合的第一耦合装置和第二耦合装置，所述第一耦合装置和所述第二耦合装置包括反射镜或光纤耦合器。

35、根据本发明装置的上述特定实施方式的一种变型，所述装置包括：

36、-光分裂器，所述光分裂器被设计成将所述激光辐射分裂成第一光通道和第二光通道，以便将所述激光辐射沿第一方向和第二方向注入到所述腔体中，

37、所述第一光通道包括所述相位调制器和位于所述相位调制器之后的光环行器，

38、所述第二光通道包括附加相位调制器和位于所述附加相位调制器之后的附加光环行器，

39、所述光环行器和所述附加光环行器被设计成分别将沿所述第二方向和所述第一方向注入然后由所述腔体反射的激光辐射朝着附加反射光电二极管以及朝着所述光电二极管引导，

40、所述第一光通道的第一光路和所述第二光通道的第二光路，所述第一光路在所述相位调制器与所述腔体之间，所述第二光路在所述附加相位调制器与所述腔体之间，所述第一光路和所述第二光路分别具有导光配置。