實驗名稱：基于伺服系統的激光控制研究

測試目的：全固態單頻激光器的噪聲低、相干性好，是產生連續變量量子壓縮態光場的必備激光光源。在制備壓縮態光場的過程中需要使用高精度的光學相位鎖定技術，它不但可以實現對光學系統的高精度調節和穩定，從而保證壓縮態光場的制備精度和穩定性。而且，相位鎖定技術可以對光學系統進行實時調節和控制，從而實現對壓縮態光場壓縮角和測量分量的實時調控和優化。因此，研究相位鎖定技術具有重要的理論研究價值，并且可以以其為參考，將鎖定理論拓展到頻率鎖定、功率鎖定等相關的鎖定技術之中。以1064nm全固態單頻連續激光器為光源，通過對激光分束后產生的兩光束的相位差進行0、π/2、π的相位鎖定，提高兩光束相對相位的長期穩定性。基于伺服系統的相位鎖定技術可進一步推廣至連續變量量子壓縮態光場的制備工作中。

測試設備：電壓放大器、示波器、光電探測器等。

實驗過程：

搭建嵌入式伺服反饋控制系統，利用自行研制的808nm半導體二極管為泵浦源的輸出功率10W，輸出波長1064nm的全固態單頻連續波激光器搭建了相位鎖定實驗裝置。激光器的諧振腔結構如圖1所示。

圖1：1064nm激光器諧振腔內原理圖

該諧振腔腔長為676.7mm。從左側入射的即為808nm泵浦光，在經過f1與f2兩塊焦距分別為30mm與80mm的凸透鏡整形后，透過曲率半徑為1500mm的凸面腔鏡M1，即可在Nd：YVO4晶體內部聚焦光斑。Nd：YVO4晶體是一種自然雙折射晶體，其吸收系數高，受激發射截面大，吸收帶寬，吸收峰約808nm，吸收系數比另一種常用晶體Nd：YAG大四倍，可以穩定釋放出1064nm的熒光譜線，所以常用其作為1064nm激光器的工作物質。

1064nm激光從激光器中輸出后由一個偏振片和一個偏振分光棱鏡PBS將激光分成兩束。其中一束激光經過一個1064nm的高反鏡與另一束經過一個粘連壓電陶瓷的1064nm高反鏡的激光在50%透射50%反射鏡上耦合產生干涉，再經過一個聚焦透鏡聚焦后，注入到探測器當中，探測器采集到干涉信號后分為兩路，一路信號輸入到示波器用于觀測，另一路信號連接到MCU的輸入模塊，經過處理程序計算后，由輸出模塊輸出反饋信號，并經電壓放大器放大后作用到壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的伸縮改變光程，從而實現兩束光的相對相位鎖定。鎖定實驗結構圖如圖2所示。

圖2：相位鎖定實驗結構圖

根據伺服反饋控制邏輯，我們以如圖3所示的邏輯，將相位鎖定系統布置在了運行速率為33M的MCU之上。其中，被控對象即是1064nm激光的干涉系統，控制器則是我們開發的基于MCU的伺服反饋控制系統，傳感器為我們自行設計的光電探測器，通過光電二極管將接收到的光信號轉變為電信號，并傳遞到MCU中。

圖3：實驗中搭建的伺服反饋控制邏輯

實驗結果：

圖4：干涉掃描信號示波器波形圖

通過調整偏振片使兩束光在50%透射50%反射鏡處發生干涉后，使用三角波對壓電陶瓷進行掃描，采集到的信號圖像如圖4所示，藍色圖線為輸入的三角波掃描信號，而紅色的圖線為在三角波信號掃描下的干涉信號光強電壓值變化。可以看到干涉信號的光強電壓值在掃描信號的作用下，呈現周期性的上下波動。波峰處即為發生干涉相長時的電壓幅度，波谷處即為發生干涉相消時的電壓幅度。將示波器上的光強電壓值輸入到控制系統中，再由控制系統進行反饋，利用壓電陶瓷對干涉系統中兩束光的其中一束的相位進行反饋控制，最終可實現將光強電壓控制在一個固定值，即兩束光的相位差保持固定，實現相位鎖定。

實驗中，我們將比例參數設定為0.2，計算所經過的時鐘周期數設定為10，而采集間隔延時設置為50個指令周期，分別將干涉信號鎖定在最小值、最大值以及中間固定值（對應相位差為0、π、π/2）的結果如圖5、6、7所示。鎖定在最小值的波動為干涉相位峰峰值差值的2.12%、鎖定最大值的穩定性波動為峰峰值差值的1.76%，鎖定中間固定值的穩定性波動為峰峰值差值的2.35%，滿足相位鎖定的要求。

圖5：相位鎖定最小值結果圖

圖6：相位鎖定最大值示意圖

圖7：相位鎖定平均值（中間固定值）結果圖

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審核編輯 黃宇