电压放大器在马赫-增德尔干涉仪研究中的应用

实验名称：马赫-增德尔干涉仪稳定功率和抑制激光噪声的实验研究

测试设备：电压放大器、信号发生器、示波器、光电探测器、分束器、压电陶瓷等。

实验过程：

图1：利用MZI改善1550nm激光性能的实验装置图

实验中所用MZI由两个分束器（BS1、BS2）和平面反射镜（M1、M2）组成，两个平面反射镜（M1、M2）镀有高反射率膜。将MZI中的BS1、BS2和M1、M2放置在菱形四个角上，压电陶瓷PZT3粘在M1的后面，通过电压放大器（HV）来控制PZT3就可以实现对MZI的位相的控制。实验中为了控制1550nm激光经过MZI输出后光束方向与输入MZI前的方向不发生改变，输入和输出MZI分别放置两个22.5度平面反射镜。经过MZI输出的1550nm光场利用半波片(HWP)和偏振分束器(PBS)组成的光学分束器分成两束，功率较大的一束光场可以用来后续测量和制备1550nm非经典光场。并在后续使用的光路上放置光学分束器，这样可以提取一小部分光分作为锁定MZI的位相的误差信号。接下来通过改变搭建MZI分束器的分束比来研究其对1550nm激光强度噪声的影响。

实验中通过信号发生器(signalgenerator,SG)产生一个65Hz三角波来扫描MZI中的PZT3，利用光电探测器来对MZI输出光电流变化进行探测，将探测到的信号输入示波器中，并记录MZI干涉信号最低处和最高处在示波器上的示数，参考示波器的示数来调整比例积分微分控制器(PID)的参数，就可以将MZI锁定在不同的透射率。探测器PD输出的光电流信号的经过PID和电压放大器（HV）放大后，将其加载在MZI中的PZT3上可以锁定MZI的两臂相对位相。PD输出直流信号电压的变化也会改变MZI的TMZ，实验中通过设置PID参数将MZI锁定不同的透射率Tlock下，来研究其对1550nm激光强度噪声的影响。

实验结果：

实验首先研究了利用MZI对1550nm激光功率稳定性影响，实验中首先用功率计测量了1550nm激光经过未锁定MZI运转5h的功率波动；接下来又测量了将MZI锁定在最佳工作点，1550nm激光通过后运转5h的功率波动。

图2：1550nm激光的5h功率波动：图(a)为1550nm激光经过未锁定MZI时，图(b)为1550nm激光MZI控制环路闭合时。

如图2所示，图2（a）和（b）分别表示为在未锁定MZI前和锁定MZI后激光器运转5h的输出功率，计算可知1550nm激光的功率波动由±0.20%减少到±0.09%。由2图可以看出经过锁定MZI后1550nm激光的功率稳定性实现了提高。

接下来深入研究了MZI中R=90%附近不同分束比对抑制1550nm激光强度噪声的影响，实验用了3组不同分束比为R=90.9%，92.5%和95%的分束器，分别测量并比较了3组锁定MZI后随着分析频率的变化输出1550nm激光的强度噪声变化的曲线。

图3：在不同分束器分束比下，1550nm激光经过MZI的强度噪声与分析频率的关系曲线。

如图3中曲线(i)表示为在10kHz-50kHz范围内1550nm激光经过未锁定MZI后，输出的光电流相加后利用SA测得的强度噪声谱线，图3中曲线(ii)、(iii)和(iv)分别表示为R为95%，92.5%和90.9%时在10kHz-50kHz范围内1550nm激光经过锁定MZI后的强度噪声谱线。从图3可以得出，在10kHz-35kHz的范围内，3组不同的MZI都在不同程度上降低了1550nm激光的强度噪声。但是在大于35kHz后，3组不同的MZI都没有降低1550nm激光的强度噪声。3组不同的MZI中，效果最佳的是R=90.9%的分束器搭建的MZI，在15kHz处，降低了约8dB。此时MZI锁定在Tlock为85%。

从上述实验结果中可以得知R=90.9%搭建的MZI抑制噪声效果最佳，因此接着又研究了1550nm激光经过R=90.9%的MZI锁定在Tlock为45%，65%和85%下，输出1550nm激光的强度噪声的变化。利用SA来测量了将MZI锁定在不同的Tlock下的强度噪声功率谱。

图4：在不同MZI透射率下，1550nm激光强度噪声与分析频率的关系曲线。

如图4所示曲线(i)是在10kHz-50kHz范围内1550nm激光经过未锁定MZI后输出的光电流相加后测得的强度噪声谱线，曲线(ii)、(iii)和(iv)分别表示在10kHz-50kHz范围内将R=90.9%的MZI锁定在Tlock为45%，65%和85%时输出1550nm激光的强度噪声谱线。从图中可以看出，在10kHz-35kHz范围内，3组不同透过率的MZI都在不同程度上抑制了1550nm激光强度噪声，当Tlock为85%时的抑制效果最佳。在15kHz处，Tlock=85%和Tlock=45%相比之下，噪声低6dB左右。

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审核编辑 黄宇