王在淵 王潔浩 李宇航? 柳強(qiáng)?

1) (清華大學(xué)精密儀器系,北京 100084)

2) (清華大學(xué),光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,北京 100084)

3) (陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校,武漢 430075)

低噪聲單頻激光器是空間引力波探測系統(tǒng)中的核心器件,其噪聲性能直接影響空間引力波探測器的靈敏度.本文報道了一種面向空間引力波探測的低噪聲單頻激光器,利用全保偏光纖結(jié)構(gòu)的功率放大器對低功率、窄線寬、低噪聲的非平面環(huán)形振蕩器輸出激光進(jìn)行放大.為降低激光的強(qiáng)度噪聲,比較了不同泵浦源的輸出特性,為光纖放大器選用波長鎖定的泵浦源,降低泵浦光波長隨溫度漂移對輸出功率的影響,利用光電負(fù)反饋控制技術(shù)抑制輸出激光的強(qiáng)度噪聲,結(jié)合主動精確控溫技術(shù)抑制關(guān)鍵器件的熱噪聲,實現(xiàn)了毫赫茲頻段強(qiáng)度噪聲的抑制.利用自主搭建的4 通道相對強(qiáng)度噪聲測量系統(tǒng),測得反饋控制后的激光器相對強(qiáng)度噪聲在1 mHz—1 Hz 頻段內(nèi)低于—60 dBc/Hz,在1 mHz 和1 Hz 處分別為—63.4 dBc/Hz 和—105.8 dBc/Hz.研究結(jié)果表明,通過放大器泵浦電流的反饋控制和關(guān)鍵器件的溫度控制可以有效地抑制激光器在毫赫茲頻段的強(qiáng)度噪聲,為進(jìn)一步提高低頻段強(qiáng)度噪聲性能奠定基礎(chǔ).

1 引言

低噪聲單頻激光器是激光干涉儀空間引力波探測系統(tǒng)中的核心器件,其噪聲性能直接影響引力波探測器的靈敏度[1].由于空間引力波探測系統(tǒng)的探測目標(biāo)是0.1 mHz—1 Hz 頻段內(nèi)的引力波,所以這對激光器在毫赫茲頻段的噪聲性能提出嚴(yán)苛的要求[2].例如,在發(fā)展最久、成熟度最高的激光干涉儀空間天線(laser interferometer space antenna,LISA)項目中,要求激光器在2 W 輸出時的相對強(qiáng)度噪聲 (relative intensity noise,RIN) 不大于2×10—4/Hz1/2@0.1 mHz—1 Hz[3].主控振蕩器-功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)結(jié)合低噪聲種子源和高性能放大器的優(yōu)點(diǎn),具有光學(xué)性能優(yōu)越、易于實現(xiàn)等特點(diǎn)[4,5],因此可用于空間引力波探測系統(tǒng).一般而言,高性能種子源可以在大于弛豫振蕩峰的頻率范圍獲得低強(qiáng)度噪聲,但是由于泵浦噪聲和環(huán)境因素等影響[6,7],在低于弛豫振蕩峰的頻段,尤其是在mHz—Hz 頻段內(nèi),其噪聲性能迅速劣化,難以滿足引力波探測需求.如何有效地抑制毫赫茲頻段的強(qiáng)度噪聲是研制面向空間引力波探測激光器的關(guān)鍵問題之一.

以LISA 項目為牽引,國外研究人員對低噪聲單頻激光器開展了諸多研究并已取得了重要的進(jìn)展.2005 年,德國漢諾威激光中心研制了Nd:YAG 非平面環(huán)形振蕩器(non-planar ring oscillator,NPRO)注入到光纖放大器的MOPA 激光器,輸出功率為1 W,RIN 為3×10—3/Hz1/2@1 mHz—1 Hz[8].2014年,歐洲航天局(European space agency,ESA)為下一代引力任務(wù)(next generation gravity mission,NGGM)研制了高穩(wěn)定性激光器,種子激光器采用經(jīng)過空間驗證的NPRO,注入功率為25 mW,放大器輸出功率＞500 mW.在該激光器中,采用光電反饋控制技術(shù)穩(wěn)定激光功率,對泵浦激光二極管(laser diode,LD)和光纖器件進(jìn)行溫度控制,獲得了滿足NGGM 要求的低噪聲激光[9].2018 年,Dahl 等[10]為LISA 研制了平面波導(dǎo)外腔激光器(planar-waveguide external cavity laser,PW-ECL)注入的MOPA 激光器,種子激光經(jīng)半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)預(yù)放大后,注入光纖放大器的激光功率約300 mW,放大后得到2.1 W 的輸出功率,但是低于3 mHz 頻段內(nèi)的RIN 不滿足LISA 的要求.2019 年,Numata 等[1]研究了微型NPRO(m-NPRO)的性能,結(jié)果表明,m-NPRO比NPRO 更具優(yōu)勢,采用m-NPRO 注入光纖放大器的MOPA 激光器是LISA 中低噪聲激光器的最優(yōu)方案.近年來,國內(nèi)也部署了空間引力波探測任務(wù).2015 年,中山大學(xué)啟動了“天琴計劃”[11,12];2016 年,中國科學(xué)院啟動了“太極計劃”[13,14],其探測頻段覆蓋LISA 的1 mHz—1 Hz.空間引力波探測的相關(guān)研究迅速成為國內(nèi)熱點(diǎn)內(nèi)容,但是,國內(nèi)關(guān)于毫赫茲頻段低噪聲單頻激光器的研究和報道較少.

本文采用低噪聲、窄線寬NPRO 激光器作為主控振蕩器,結(jié)合低噪聲全保偏光纖放大技術(shù),利用光電負(fù)反饋回路控制放大器的泵浦電流,從而對輸出激光的強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制,獲得了毫赫茲頻段的低噪聲激光輸出,在輸出激光功率為2.13 W 時測得1 mHz—1 Hz 頻段內(nèi)的RIN 均低于—60 dBc/Hz,在1 mHz 和1 Hz 處的RIN 分別為—63.4 dBc/Hz和—105.8 dBc/Hz.

2 激光器設(shè)計與研制

圖1 為低噪聲單頻激光器的示意圖,激光器采用MOPA 結(jié)構(gòu),包括主控振蕩器、全保偏光纖放大器和反饋控制回路三部分.主控振蕩器采用窄線寬單頻NPRO 激光器,輸出功率最大達(dá)500 mW,線寬約為1 kHz;全保偏光纖放大器由泵浦LD,(2+1)×1 保偏光纖合束器、2.1 m 長的雙包層摻鐿增益光纖(PLMA-YDF-10/125-VIII,Nufern)、包層功率剝除器(cladding power stripper,CPS)以及光纖分束器等組成;反饋控制回路由光纖衰減器、光電探測器以及比例-積分-微分(proportionalintegral-derivative,PID)控制器組成.主控振蕩器輸出的信號光經(jīng)保偏光纖隔離器后與泵浦光合束,共同注入到保偏增益光纖中進(jìn)行功率放大,輸出激光經(jīng)過CPS 剝除包層中的殘余泵浦光功率,保證只有1064 nm 的信號光輸出.保偏光纖分束器(分光比為1/99) 1%端的光束進(jìn)入反饋控制回路,經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,與PID 控制器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行比較,得到誤差信號,利用該誤差信號實時調(diào)整泵浦LD 的驅(qū)動電流,通過調(diào)整泵浦功率實時改變放大器的輸出激光功率,實現(xiàn)輸出激光強(qiáng)度噪聲的抑制.

圖1 低噪聲單頻激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of the low-noise single-frequency laser system.

對于MOPA 結(jié)構(gòu)的激光器,光纖放大器中泵浦LD 的功率波動是造成輸出激光RIN 在低頻段劣化的主要因素之一,因而降低泵浦LD 的功率波動是抑制激光RIN 的重要途徑[15,16].由于摻鐿增益光纖在976 nm 附近的吸收系數(shù)對泵浦波長敏感,因此,激光器的強(qiáng)度噪聲與泵浦LD 的波長穩(wěn)定性有關(guān).通過實驗比較了不同溫度下的兩種泵浦LD 的光譜,結(jié)果如圖2 所示,圖2(a)為不鎖波長泵浦LD 的光譜,隨著工作溫度的升高,其波長向長波方向漂移;圖2(b)為鎖波長泵浦LD 的光譜,隨溫度變化漂移較小,波長穩(wěn)定性高.因此,為了降低泵浦源的噪聲,選用波長鎖定的泵浦LD.

圖2 不同溫度下泵浦LD 的光譜 (a) 不鎖波長LD 的光譜;(b) 鎖波長LD 的光譜Fig.2.Optical spectra of 976 nm pump laser diodes at different temperature: (a) Wavelength-unlocked;(b) wavelength-locked.

3 激光器測試與討論

3.1 相對強(qiáng)度噪聲測試方法

激光器輸出功率的波動情況在時域上用功率穩(wěn)定性描述,在頻域上用強(qiáng)度噪聲描述.在分析激光器的強(qiáng)度噪聲性能時,通常采用RIN 來衡量,定義為

式中,Sp(f) 為輸出激光功率波動的功率譜密度;為激光器輸出的平均功率[17].

在評估RIN 時,通常采用低噪聲光電探測器和頻譜分析儀直接測量[18].把輸出激光衰減到合適的功率水平,經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號,通過頻譜分析儀測量電信號的功率譜密度.受限于現(xiàn)有測量儀器的頻率分辨率、測量范圍和計算能力,在測量低頻段的RIN 時,測量時間長,數(shù)據(jù)量大,且需要分頻段測量后進(jìn)行拼接,操作繁瑣.因此,對于毫赫茲及更低頻段的RIN 評估,一般采用數(shù)字萬用表(digital multimeter,DMM)或高精度數(shù)字采集卡長時間記錄電信號,通過計算獲得所測電信號的功率譜密度[19].為此,設(shè)計和研制了高精度的4 通道RIN 測量系統(tǒng),采用24 bit 的數(shù)據(jù)采集卡,采樣率最高為204.8 kS/s,測量頻率范圍為2 μHz—102.4 kHz,滿足毫赫茲頻段RIN 的測量需求.

圖3 所示為激光RIN 測量示意圖,分為內(nèi)環(huán)(in-loop)和外環(huán)(out-of-loop)兩路,其中,內(nèi)環(huán)電信號也作為激光器強(qiáng)度噪聲抑制的輸入信號.在激光器的內(nèi)環(huán)控制回路中,光信號和電信號的轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜,經(jīng)過“信號光→電信號→泵浦光→信號光”后,各環(huán)節(jié)中的光學(xué)器件和電學(xué)器件均會引入噪聲,相當(dāng)于在內(nèi)環(huán)鏈路中引入多個技術(shù)噪聲源,其噪聲經(jīng)過光纖放大器后疊加到外環(huán)的光信號上,因此,采用光電負(fù)反饋控制的激光器的內(nèi)、外環(huán)強(qiáng)度噪聲存在較大的差別,實測的外環(huán)噪聲性能要比內(nèi)環(huán)差[20].

圖3 RIN 測量示意圖Fig.3.Experimental setup of RIN measurement.

3.2 RIN 測試結(jié)果

測試采用銦鎵砷光電探測器(DET01 CFC/M,Thorlabs)和動態(tài)信號采集卡(PXI4462,NI)進(jìn)行長時間的記錄,并利用LPSD(logarithmic frequency axis power spectral density)算法得到對數(shù)坐標(biāo)上平滑的功率譜密度[21].在室溫條件((23±0.5) ℃)下,當(dāng)激光器輸出功率為2.13 W 時,分別測得種子激光、放大器自由運(yùn)轉(zhuǎn)和反饋抑制時的信號,結(jié)果如圖4 所示.

圖4 0.1 mHz—10 Hz 頻段內(nèi)的RIN 測量結(jié)果Fig.4.Measured RIN in the frequency of 0.1 mHz—10 Hz.

圖4 中曲線(a)為RIN 測量系統(tǒng)的噪底,在1 mHz—1 Hz 內(nèi),噪底低于—90 dBc/Hz;曲線(b)和曲線(c)分別為種子激光和放大器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時的RIN.在低于50 mHz 的頻段內(nèi),輸出激光的RIN 開始劣化,10 mHz 處劣化達(dá)10 dB,在低于1 mHz 頻段劣化更為嚴(yán)重,最大可達(dá)30 dB 以上.當(dāng)反饋回路工作時,測得內(nèi)環(huán)和外環(huán)的RIN 如曲線(d)和曲線(e)所示,在低于0.1 Hz 頻段,內(nèi)、外環(huán)的RIN 并不相同,且內(nèi)環(huán)明顯優(yōu)于外環(huán),隨著頻率的降低,內(nèi)外環(huán)的差別增大.與自由運(yùn)轉(zhuǎn)時的RIN 相 比,外環(huán)的RIN 得到了有效的抑制,在10 mHz 處RIN 抑制了約10 dB,在1 mHz 處RIN抑制了約20 dB.但是,在低于4 mHz 頻段,外環(huán)RIN 依然大于—60 dBc/Hz.

3.3 溫度對相對強(qiáng)度噪聲的影響

利用紅外熱成像儀(T540,FLIR)對光纖放大器內(nèi)部進(jìn)行拍照測溫,在放大器工作2 h 后觀察內(nèi)部熱分布情況,結(jié)果如圖5 所示.其中,測溫點(diǎn)①為泵浦LD,測得LD 的表面溫度(26.2 ℃)高于設(shè)定的TEC 控制溫度(25 ℃).測溫點(diǎn)②為輸出光纖分束器,其溫度隨著輸出激光功率的增大而升高,在輸出功率為2.13 W 時,測得溫度為27.5 ℃.測溫點(diǎn)③為光纖放大器內(nèi)部殼體,溫度為23 ℃,與水冷板的水溫設(shè)置值相同.

圖5 放大器內(nèi)部的紅外熱像圖Fig.5.Infrared thermal image inside the fiber amplifier.

由于泵浦LD 和輸出光纖分束器的溫度與放大器內(nèi)部的溫度差別較大,存在熱交換,影響泵浦LD 的泵浦功率和光纖分束器分光比的穩(wěn)定性,從而增大輸出激光的RIN.為降低溫度對低頻段RIN 的影響,對泵浦LD 和光纖分束器設(shè)計了包裹更為嚴(yán)密、散熱性能更好的紫銅夾具,并對泵浦LD 和光纖分束器進(jìn)行主動精確控溫.在不同的工作溫度下,分別測量外環(huán)的RIN,得到圖6 所示的RIN 曲線.從圖6 可知,外環(huán)RIN 受泵浦LD、光纖分束器和放大器內(nèi)部溫度的影響較大,尤其是低頻段的RIN 更為嚴(yán)重.因此,精確控制關(guān)鍵器件溫度和環(huán)境溫度對進(jìn)一步提高毫赫茲頻段的強(qiáng)度噪聲性能很關(guān)鍵.通過實驗測試和分析,設(shè)置泵浦LD和光纖分束器的溫度為27 ℃,與長時間工作后放大器的內(nèi)部溫度十分接近,在這種情況下,測得外環(huán)RIN 最低,1 Hz 處達(dá)—105.8 dBc/Hz(5×10—6/Hz1/2),1 mHz 處達(dá)—63.4 dBc/Hz(6.8×10—4/Hz1/2).

圖6 不同溫度下的外環(huán)RIN 測量結(jié)果Fig.6.RIN measurement results of the out-of-loop at the different temperatures.

3.4 功率穩(wěn)定性、光譜和附加線寬

圖7(a)是光纖放大器在輸出功率為2.13 W時的功率穩(wěn)定性.當(dāng)泵浦LD 的注入電流為4.2 A,泵浦光功率為6 W 時,光纖放大器的輸出功率為2.13 W,輸出激光在4 h 內(nèi)的功率波動＜ 0.13%.圖7(b)是種子激光和保偏光纖放大器輸出激光的光譜圖,可以看出,種子激光和放大器輸出激光的中心波長都是1064.35 nm,信噪比均大于70 dB.圖7(c)是利用馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)測量的2.13 W 輸出功率下光纖放大器的附加線寬[22,23].由圖7(c)可知,光纖放大器產(chǎn)生的附加線寬在20 dB 處約為1.9 Hz,因此光纖放大器對種子激光線寬的展寬非常小,可忽略不計.

圖7 2.13 W 輸出時的功率穩(wěn)定性 (a)、放大前后的光譜(b)和放大器的附加線寬(c)Fig.7.Power stability (a),optical spectra (b) and additional linewidth (c) at 2.13 W output,respectively.

4 結(jié)論

本文報道了一種面向空間引力波探測用的低強(qiáng)度噪聲單頻激光器.激光器采用MOPA 結(jié)構(gòu),其中主控振蕩器采用低噪聲、窄線寬的NPRO激光器,放大器采用抗外界擾動能力強(qiáng)的全保偏光纖放大器.通過光電負(fù)反饋和對泵浦LD 與輸出光纖分束器的溫度控制,實現(xiàn)了低強(qiáng)度噪聲的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn).通過自主搭建的基于高分辨率數(shù)據(jù)采集卡的強(qiáng)度噪聲測量系統(tǒng),測得激光器RIN 在1 mHz—1 Hz頻段內(nèi)低于—60 dBc/Hz,在1 mHz 和1 Hz 處分別為—63.4 dBc/Hz 和—105.8 dBc/Hz.研究結(jié)果表明,通過光電負(fù)反饋控制光纖放大器的泵浦電流可以有效地抑制輸出激光的RIN.另外,在低于毫赫茲頻段,溫度漂移是RIN 劣化的主要原因.因此,對泵浦LD、光纖分束器等關(guān)鍵器件和環(huán)境溫度進(jìn)行更為精確的溫度控制,可以進(jìn)一步提高激光器低頻段的RIN 性能.