張鈺

(安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽 安慶 246133)

0 引言

在激光應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)精度實(shí)驗(yàn)中，是需要極其穩(wěn)定的輸出激光，因?yàn)楣β什▌?dòng)大小往往會(huì)決定這些實(shí)驗(yàn)最終能達(dá)到什么樣的靈敏度，例如在材料激光加工中，為了獲得更好的金屬切割性能，需要高度穩(wěn)定的激光輸出功率[1]；又例如在痕量氣體探測(cè)系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)nL/L 級(jí)別的高精度測(cè)量，激光長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定輸出是其中關(guān)鍵一環(huán)[2]，諸如此類的實(shí)驗(yàn)都證明了激光功率穩(wěn)定的重要性。造成功率不穩(wěn)定的原因有很多，激光器內(nèi)部泵浦源或外部的因素都會(huì)影響激光器輸出，而目前世界上所有的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)中，穩(wěn)定程度較好的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)[3-6]都是對(duì)激光器外部輸出激光進(jìn)行反饋控制，利用光與電、磁、聲的物理反應(yīng)，對(duì)輸出光進(jìn)行幅度調(diào)制，成功實(shí)現(xiàn)了激光功率穩(wěn)定度的提升。三種調(diào)制器相比較而言，電光調(diào)制器需要的電壓高、功耗大，而磁光調(diào)制器對(duì)激光功率波動(dòng)信號(hào)中的高頻部分沒有抑制能力，且其產(chǎn)品種類少，致使其應(yīng)用場(chǎng)合少，同時(shí)又由于聲光調(diào)制器較快的響應(yīng)時(shí)間、衍射效率高（使得激光利用率高）等等優(yōu)點(diǎn)，所以聲光調(diào)制器在關(guān)于激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)的研究應(yīng)用廣泛，因此本文著重針對(duì)基于聲光調(diào)制器的激光功率穩(wěn)定方法，綜述激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究和進(jìn)展。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理

1.1 系統(tǒng)基本工作原理

激光功率穩(wěn)定過(guò)程是一個(gè)反饋控制過(guò)程，系統(tǒng)核心的框圖如圖1，激光器輸出激光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器被分成兩束光路（0 級(jí)和1 級(jí)），其中1 級(jí)光路被擋光板濾除，0 級(jí)光經(jīng)過(guò)分光器件再次被分成輸出光（被穩(wěn)定）和反饋信號(hào)光（進(jìn)入反饋回路），反饋信號(hào)光被光電探測(cè)器所接收并產(chǎn)生實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)顯示當(dāng)前的光功率大小，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入控制器與設(shè)定好的參考信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，誤差信號(hào)代入PID 反饋控制算法公式中運(yùn)算得出實(shí)時(shí)的控制電壓信號(hào)，聲光驅(qū)動(dòng)器根據(jù)不同的電壓信號(hào)控制聲光調(diào)制器的射頻功率來(lái)改變0 級(jí)光（被穩(wěn)定）的功率大小，從而實(shí)現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。

圖1 基于聲光調(diào)制器的激光功率穩(wěn)定框圖

激光功率穩(wěn)定程度相關(guān)的計(jì)算方法有很多，在國(guó)際上常用的有兩種，艾倫（Allan）方差和相對(duì)功率噪聲（RPN）。艾倫方差有效地闡述了待研究的誤差時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度上的波動(dòng)水平（不穩(wěn)定性），并可根據(jù)不同時(shí)間尺度上的艾倫方差值所構(gòu)成的曲線的形狀特征來(lái)辨識(shí)其中包含的隨機(jī)過(guò)程模型，定義如下：

2 國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)

國(guó)內(nèi)相關(guān)大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域研究雖然起步比較晚，但因?yàn)槠溲芯砍晒芏啵园l(fā)展速度非?？臁?000 年劉玉玲博士基于極坐標(biāo)激光直寫系統(tǒng)曝光光功率的穩(wěn)定控制需要，對(duì)腔外調(diào)制控制激光光功率輸出進(jìn)行反饋控制的理論進(jìn)行深入的研究，研制了以聲光調(diào)制器作為執(zhí)行器的激光光功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)期望的光功率穩(wěn)定程度出發(fā)，辨識(shí)了聲光調(diào)制器的傳遞函數(shù)模型，設(shè)計(jì)出了精準(zhǔn)的控制器，最后光強(qiáng)穩(wěn)定程度為0.1%[7]，這個(gè)控制效果已經(jīng)算是非常優(yōu)良的了，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，像模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、減法器這樣簡(jiǎn)單的功能都各自需要一個(gè)單獨(dú)芯片進(jìn)行工作，所以整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。近些年來(lái)，隨著集成電路芯片的快速發(fā)展，一個(gè)小小的單片微控制器，將一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，能完成眾多復(fù)雜的邏輯功能。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。2015 年西安電子科技大學(xué)的高苗使用FPGA 作為主控芯片，配合使用增量式PID 算法，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)，完成了對(duì)激光功率控制的功能[8]，具體功能構(gòu)成如圖，但這個(gè)系統(tǒng)只能穩(wěn)定在一個(gè)固定的功率值，不可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，2016 年中國(guó)計(jì)量大學(xué)的張樞根據(jù)銫原子光晶格鐘實(shí)驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用邏輯電平信號(hào)控制輸入電壓，從而時(shí)序性地輸出可調(diào)范圍內(nèi)任意功率的激光穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠使激光在不同的時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定在不同的功率上，且穩(wěn)定程度保持在0.01%左右[9]。

圖2 激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)框圖[8]

芯片功能的發(fā)展使得控制器的功能越來(lái)越來(lái)集成，而計(jì)算機(jī)上仿真軟件的進(jìn)步又為控制器的算法設(shè)計(jì)提供了便捷。中北大學(xué)的李營(yíng)營(yíng)用matlab 對(duì)AOM 進(jìn)行了系統(tǒng)辨識(shí)，在simulink 環(huán)境下進(jìn)行了控制系統(tǒng)仿真，為在labview 開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)PID 控制器提供了輔助，在一小時(shí)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，不穩(wěn)定度從1.67%降到了閉環(huán)后的0.19%，且分析了由于激光偏振擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致分束器分光比有波動(dòng)，若是能解決這個(gè)問(wèn)題，激光功率不穩(wěn)定度有望進(jìn)一步降低[10]。為了驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題，王春用simulink 仿真了如果分束器分光比有波動(dòng)，對(duì)激光功率穩(wěn)定程度會(huì)有多大的影響，并提出了解決方案[11]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)防科大的課題小組設(shè)計(jì)了一款高穩(wěn)定性、高分裂比的非偏振板分束器（NPPBS），并測(cè)試了激光功率大小、偏振、溫度對(duì)分束比的影響，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)好的NPPBS 具有良好的去偏振特性和對(duì)功率溫度的不敏感，這個(gè)設(shè)計(jì)可以適用于任何需要激光功率穩(wěn)定的系統(tǒng)[12]。

除了功率穩(wěn)定性的極限，穩(wěn)定速度也是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。2021 年中國(guó)科學(xué)院的歐陽(yáng)鑫川針對(duì)傳統(tǒng)PID 的超調(diào)，和難以對(duì)聲光調(diào)制器辨識(shí)數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，研究了一種基于模糊控制的嵌入式激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)PID 的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)比，穩(wěn)定過(guò)程基本沒有超調(diào)，且穩(wěn)定所需要的時(shí)間從4.7ms 縮短至1.8ms，而且該功率穩(wěn)定技術(shù)可以實(shí)時(shí)改變穩(wěn)定后的激光功率，適用于一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要改變激光功率的特定場(chǎng)合[13]。除了使用智能控制算法能夠加快控制速度，也有人嘗試使用不同的控制器來(lái)提升效果。華中光電技術(shù)研究所的熊家豪采用混頻器對(duì)聲光調(diào)制器射頻驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行控制，經(jīng)測(cè)量和對(duì)比，使用傳統(tǒng)的壓控衰減器進(jìn)行射頻信號(hào)輸出時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為15 微秒，而混頻器僅需26 納秒，極大地壓縮了系統(tǒng)穩(wěn)定控制的時(shí)間[14]。

整個(gè)激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)成本昂貴，所以在能達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定性等主要目的之外，為了避免造成功能過(guò)剩，如何降低系統(tǒng)復(fù)雜度是個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。西北大學(xué)的張樹宏則對(duì)聲光調(diào)制器的衍射光使用進(jìn)行了分析，分析了以前的實(shí)驗(yàn)為什么都采用0 級(jí)光作為被控制和穩(wěn)定的對(duì)象，是因?yàn)? 級(jí)光是不會(huì)帶來(lái)頻率移動(dòng)，而在研制高性能原子鐘的實(shí)驗(yàn)中需要頻率移動(dòng)，所以張樹宏采用1 級(jí)光作為被控制的對(duì)象，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，進(jìn)一步提升了功率穩(wěn)定性，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了頻移，這對(duì)以后不考慮頻移動(dòng)類似的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了啟發(fā)[15]。中科院的李菡在實(shí)現(xiàn)預(yù)期穩(wěn)定效果的前提下（4000s 秒進(jìn)入10-5量級(jí)），簡(jiǎn)化了整個(gè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3，通過(guò)測(cè)試零級(jí)光和一級(jí)光相對(duì)功率噪聲譜在不同射頻功率狀態(tài)下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)聲光調(diào)制器具有最佳射頻功率點(diǎn)，在該點(diǎn)零級(jí)光和一級(jí)光的相對(duì)功率噪聲譜最低，且如果改變?nèi)肷渎暪庹{(diào)制器的光偏振態(tài)，也會(huì)改變0 級(jí)光的相對(duì)功率噪聲譜大小[16]。

圖3 基于聲光調(diào)制器的激光功率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)裝置[16]

3 國(guó)外動(dòng)態(tài)

國(guó)外對(duì)于激光功率穩(wěn)定研究起步較早，且都是針對(duì)引力波探測(cè)器、原子鐘等這種對(duì)激光功率穩(wěn)定度極其苛刻的實(shí)驗(yàn)，所以他們對(duì)于功率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)做了很多的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，早在上個(gè)世紀(jì)就實(shí)現(xiàn)了很高的穩(wěn)定水平。為了進(jìn)一步提升穩(wěn)定水平，以適應(yīng)更多的激光應(yīng)用領(lǐng)域，他們對(duì)已有的成果進(jìn)行大量的理論分析，例如2007 年巴黎大學(xué)的激光物理實(shí)驗(yàn)室提出了聲光調(diào)制器會(huì)將射頻功率噪聲添加到光束中，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)噪聲功率檢測(cè)模型，這個(gè)模型適用于系統(tǒng)計(jì)算各種經(jīng)典和量子噪聲對(duì)光束和光電流的影響[17]。韓國(guó)的Dong lk Kim 等人對(duì)現(xiàn)存的激光功率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)分析了在低頻段非常難以實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定的情況，這在以往的文章也多次驗(yàn)證過(guò)[18-21]，還有光電二極管對(duì)于溫度的敏感性會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性變差等問(wèn)題，他們提出如果在光路中加入空間和時(shí)間濾波器來(lái)降低空間光束指向穩(wěn)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測(cè)光束質(zhì)量，但是對(duì)于空氣中的細(xì)微擾動(dòng)并沒有考慮到。2006 年德國(guó)的阿爾伯特愛因斯坦研究所和漢諾威大學(xué)合作開展一項(xiàng)針對(duì)第二代引力波探測(cè)器的激光功率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，他們分析了溫度波動(dòng)、散射光和電流中低頻過(guò)量噪聲等噪聲源，以及穩(wěn)定激光系統(tǒng)中不同的因素觀測(cè)結(jié)果，如激光頻率、偏振或指向。認(rèn)為在低頻段要獲得更低的相對(duì)功率噪聲，關(guān)鍵問(wèn)題在檢測(cè)方案的改進(jìn)[23]，用了一個(gè)預(yù)模清潔器，減少了光束幾何波動(dòng)和指向，并將整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)放在一個(gè)真空倉(cāng)內(nèi)從而防止空氣擾動(dòng)，如圖4 所示，最后實(shí)現(xiàn)了Nd:YAG 激光器在10hz低頻相對(duì)功率噪聲為5×10-9Hz-1/2，這個(gè)結(jié)果已經(jīng)非常接近當(dāng)時(shí)先進(jìn)的LIGO 探測(cè)器的要求（2×10-9Hz-1/2）[24]。2017 年他們通過(guò)使用光電二極管陣列作為傳感器和控制回路的低噪聲電子器件，盡可能地減少實(shí)驗(yàn)環(huán)境中光束指向和功率噪聲之間的耦合，在100Hz 到1kHz 實(shí)現(xiàn)了1.8×10-9Hz-1/2相對(duì)功率噪聲水平[25]。2021 年又和美國(guó)LIGO 實(shí)驗(yàn)室合作展開了一項(xiàng)新型穩(wěn)定功率探測(cè)方法的研究，將調(diào)制光束的波動(dòng)通過(guò)入射到一面鏡子上產(chǎn)生的輻射壓力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行來(lái)感知，鏡像的位置以及波動(dòng)由邁克爾遜干涉儀和一束弱輔助光束進(jìn)行探測(cè)，從而形成了反饋控制系統(tǒng)的環(huán)內(nèi)傳感器，代替了傳統(tǒng)的光電探測(cè)器，這種方法他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可以得到更高的探測(cè)靈敏度，在穩(wěn)定低溫環(huán)境下（鏡面的熱噪聲影響），低頻10Hz 是可以產(chǎn)生10-10Hz-1/2極低的相對(duì)功率噪聲，這對(duì)未來(lái)的引力波探測(cè)器研究至關(guān)重要[26]。

圖4 改進(jìn)的功率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)的功率波動(dòng)檢測(cè)部分示意圖[23]

對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)能在最大程度上提高功率穩(wěn)定極限，但這一方法成本非常高，整個(gè)系統(tǒng)極其復(fù)雜，普通的實(shí)驗(yàn)室難以對(duì)其復(fù)現(xiàn)，于是他們探索在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，激光穩(wěn)定性的極限能達(dá)到哪里。2013 年莫斯科國(guó)立大學(xué)的V.I.Balakshy 等人對(duì)聲光調(diào)制器的工作狀態(tài)進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出了一個(gè)描述整個(gè)激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程和其他各種工作狀態(tài)的方程，得出結(jié)論，穩(wěn)定系數(shù)取決取決于反饋電路的傳遞系數(shù)和工作點(diǎn)的位置對(duì)聲光相互作用的振幅特性的影響[27]。并在以二氧化碲晶體制備的聲光調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)中，15 到180hz的頻段內(nèi)測(cè)量到的最大穩(wěn)定系數(shù)為78[28]。2018 年法國(guó)巴黎天文臺(tái)針對(duì)原子鐘內(nèi)部緊湊的需要，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)如圖5 所示，證明了使用幾個(gè)簡(jiǎn)單的器件就可以實(shí)現(xiàn)高功率的穩(wěn)定性（在1Hz 到100kHz 范圍內(nèi)達(dá)到了2.2×10-8Hz-1/2的較好相對(duì)功率噪聲水平），分析了長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性增加的現(xiàn)象，是因?yàn)锳OM、半波板、PBS 對(duì)溫度的敏感性。普通的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)更適合研究這種簡(jiǎn)單的方案，以便他們知道在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，頻域和時(shí)域可以取到什么樣的極限結(jié)果，以及會(huì)碰到什么樣的問(wèn)題，更具有參考性[29]。

圖5 穩(wěn)定激光功率的實(shí)驗(yàn)裝置[29]

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了常用的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，以聲光調(diào)制器為核心器件綜述了腔外調(diào)制激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和需求，深入研究分析了現(xiàn)有反饋控制系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)在實(shí)際激光功率穩(wěn)定過(guò)程中的運(yùn)用結(jié)果，從系統(tǒng)最終穩(wěn)定程度、通用性、復(fù)雜程度、實(shí)時(shí)控制、穩(wěn)定速度等方面綜合評(píng)價(jià)，可知現(xiàn)存功率穩(wěn)定系統(tǒng)尚存一定缺陷。例如德國(guó)愛因斯坦研究所，基于引力波探測(cè)器的需要，他們對(duì)激光功率穩(wěn)定這個(gè)課題研究長(zhǎng)達(dá)十幾年，對(duì)功率探測(cè)系統(tǒng)不斷改進(jìn)，雖然穩(wěn)定程度達(dá)到了世界頂尖水平，但同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜程度、器材成本也不斷增加，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的靈活性也大大地削弱了，很難應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和普通的實(shí)驗(yàn)室。法國(guó)巴黎天文臺(tái)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單、緊湊功率穩(wěn)定系統(tǒng)，達(dá)到的較高功率穩(wěn)定結(jié)果，給其他課題的研究提供了一個(gè)很好的示例，設(shè)計(jì)相似的方案可以在時(shí)域和頻域取到一個(gè)什么樣的結(jié)果，以及可能會(huì)碰到什么樣的問(wèn)題。除了追求更高的功率穩(wěn)定性，有部分學(xué)者對(duì)如何提高穩(wěn)定的速度也做出很多的研究，主要是針對(duì)PID 算法的改進(jìn)，使用了增量式、位置式、模糊控制等等算法，這在具有眾多智能算法的今天，顯然是不夠的，可以嘗試使用更多智能反饋控制算法應(yīng)用在激光功率穩(wěn)定這個(gè)領(lǐng)域，得到穩(wěn)定速度更快、更好的結(jié)果。

激光功率穩(wěn)定是激光應(yīng)用的重要領(lǐng)域，因?yàn)楣に囁较拗疲F(xiàn)有激光器的功率穩(wěn)定性是無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)的需求，所以對(duì)于激光功率穩(wěn)定的研究在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都是非常重要的，且會(huì)在激光應(yīng)用領(lǐng)域中不斷推廣。功率穩(wěn)定的最終目的是服務(wù)于其他原子物理、光學(xué)傳感器或計(jì)量等各個(gè)實(shí)驗(yàn)，所以在針對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)適合的激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，在達(dá)到期望的穩(wěn)定效果之外，還需要考慮到整個(gè)系統(tǒng)的成本、復(fù)雜程度、操作是否便捷等因素，可以從控制器設(shè)計(jì)、合適的智能算法、魯棒性好的光器件等方面進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)激光應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需要。