?實驗名稱：馬(ma)赫-增(zeng)德爾(er)干涉儀(yi)穩(wen)定功率(lv)和(he)抑制激光噪聲的實驗研究

　　測試設備：電壓放大器、信號(hao)發生器、示波(bo)器、光電探測(ce)器、分(fen)束器、壓(ya)電陶(tao)瓷等(deng)。

　　實驗過程：

　　圖1：利用MZI改善1550nm激光(guang)性能(neng)的實驗裝置圖

　　實(shi)驗(yan)中所用(yong)MZI由兩個分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)器（BS1、BS2）和(he)(he)平(ping)面(mian)反射(she)鏡(jing)(jing)（M1、M2）組(zu)成(cheng)(cheng)，兩個平(ping)面(mian)反射(she)鏡(jing)(jing)（M1、M2）鍍(du)有高反射(she)率膜(mo)。將MZI中的(de)(de)BS1、BS2和(he)(he)M1、M2放(fang)置在(zai)菱形(xing)四個角(jiao)上(shang)，壓電(dian)陶瓷PZT3粘在(zai)M1的(de)(de)后(hou)面(mian)，通過(guo)電(dian)壓放(fang)大器（HV）來控(kong)制(zhi)PZT3就可(ke)以實(shi)現對MZI的(de)(de)位相的(de)(de)控(kong)制(zhi)。實(shi)驗(yan)中為(wei)了控(kong)制(zhi)1550nm激光(guang)經(jing)過(guo)MZI輸(shu)出(chu)(chu)后(hou)光(guang)束(shu)(shu)(shu)方(fang)向(xiang)與輸(shu)入MZI前的(de)(de)方(fang)向(xiang)不發生改變，輸(shu)入和(he)(he)輸(shu)出(chu)(chu)MZI分(fen)(fen)別放(fang)置兩個22.5度平(ping)面(mian)反射(she)鏡(jing)(jing)。經(jing)過(guo)MZI輸(shu)出(chu)(chu)的(de)(de)1550nm光(guang)場(chang)利用(yong)半波(bo)片(pian)(HWP)和(he)(he)偏振分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)器(PBS)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)光(guang)學分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)器分(fen)(fen)成(cheng)(cheng)兩束(shu)(shu)(shu)，功率較大的(de)(de)一束(shu)(shu)(shu)光(guang)場(chang)可(ke)以用(yong)來后(hou)續(xu)測量和(he)(he)制(zhi)備1550nm非經(jing)典光(guang)場(chang)。并在(zai)后(hou)續(xu)使用(yong)的(de)(de)光(guang)路上(shang)放(fang)置光(guang)學分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)器，這樣可(ke)以提取一小部分(fen)(fen)光(guang)分(fen)(fen)作為(wei)鎖定MZI的(de)(de)位相的(de)(de)誤差信(xin)號。接下來通過(guo)改變搭建(jian)MZI分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)器的(de)(de)分(fen)(fen)束(shu)(shu)(shu)比來研究其對1550nm激光(guang)強度噪聲的(de)(de)影響。

　　實驗中通過信號發生器(qi)(signalgenerator,SG)產生一個(ge)65Hz三角波來(lai)掃描MZI中的(de)(de)PZT3，利(li)用光(guang)電探測(ce)(ce)器(qi)來(lai)對MZI輸出光(guang)電流變(bian)化(hua)(hua)進行(xing)探測(ce)(ce)，將探測(ce)(ce)到(dao)的(de)(de)信號輸入示波器(qi)中，并記錄MZI干涉信號最低處(chu)和最高處(chu)在示波器(qi)上的(de)(de)示數(shu)(shu)(shu)，參(can)考示波器(qi)的(de)(de)示數(shu)(shu)(shu)來(lai)調整比例積分微(wei)分控制(zhi)器(qi)(PID)的(de)(de)參(can)數(shu)(shu)(shu)，就可以將MZI鎖(suo)(suo)(suo)定在不(bu)同的(de)(de)透(tou)射(she)率。探測(ce)(ce)器(qi)PD輸出的(de)(de)光(guang)電流信號的(de)(de)經過PID和電壓放大器(qi)（HV）放大后，將其加載在MZI中的(de)(de)PZT3上可以鎖(suo)(suo)(suo)定MZI的(de)(de)兩臂相對位相。PD輸出直流信號電壓的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)也會(hui)改變(bian)MZI的(de)(de)TMZ，實驗中通過設置PID參(can)數(shu)(shu)(shu)將MZI鎖(suo)(suo)(suo)定不(bu)同的(de)(de)透(tou)射(she)率Tlock下，來(lai)研究其對1550nm激光(guang)強度噪聲的(de)(de)影響。

　　實驗結果：

　　實(shi)(shi)驗首(shou)先研(yan)究了利用MZI對(dui)1550nm激光功率(lv)穩定(ding)性(xing)影響，實(shi)(shi)驗中(zhong)首(shou)先用功率(lv)計測量了1550nm激光經過(guo)未鎖(suo)定(ding)MZI運轉(zhuan)5h的功率(lv)波動；接(jie)下(xia)來又測量了將MZI鎖(suo)定(ding)在最佳(jia)工作點，1550nm激光通過(guo)后運轉(zhuan)5h的功率(lv)波動。

　　圖2：1550nm激光的5h功率波動：圖(a)為1550nm激光經過(guo)未鎖定(ding)MZI時，圖(b)為1550nm激光MZI控制環路閉合時。

　　如圖(tu)2所示(shi)，圖(tu)2（a）和(he)（b）分別表示(shi)為在(zai)未鎖(suo)定(ding)MZI前和(he)鎖(suo)定(ding)MZI后激光(guang)(guang)器運(yun)轉5h的輸(shu)出(chu)功率(lv)，計(ji)算可知1550nm激光(guang)(guang)的功率(lv)波(bo)動由±0.20%減少到±0.09%。由2圖(tu)可以看(kan)出(chu)經過鎖(suo)定(ding)MZI后1550nm激光(guang)(guang)的功率(lv)穩定(ding)性實現了提高。

　　接下來深入研(yan)究(jiu)了MZI中(zhong)R=90%附近不同分(fen)(fen)束(shu)比(bi)對抑制1550nm激(ji)光強度噪聲(sheng)的影響，實(shi)驗用了3組(zu)(zu)不同分(fen)(fen)束(shu)比(bi)為(wei)R=90.9%，92.5%和95%的分(fen)(fen)束(shu)器(qi)，分(fen)(fen)別測量并比(bi)較(jiao)了3組(zu)(zu)鎖定MZI后隨著分(fen)(fen)析頻率的變化輸出1550nm激(ji)光的強度噪聲(sheng)變化的曲線。

　　圖3：在不同分(fen)束器(qi)分(fen)束比下，1550nm激光經過MZI的強度噪(zao)聲與分(fen)析頻率的關系曲(qu)線。

　　如圖(tu)3中(zhong)曲線(i)表(biao)示為(wei)在(zai)(zai)10kHz-50kHz范圍內1550nm激(ji)(ji)光經過未(wei)鎖定MZI后(hou)，輸出的(de)(de)光電流相加(jia)后(hou)利(li)用SA測得(de)的(de)(de)強(qiang)度(du)噪聲譜線，圖(tu)3中(zhong)曲線(ii)、(iii)和(iv)分別(bie)表(biao)示為(wei)R為(wei)95%，92.5%和90.9%時(shi)在(zai)(zai)10kHz-50kHz范圍內1550nm激(ji)(ji)光經過鎖定MZI后(hou)的(de)(de)強(qiang)度(du)噪聲譜線。從圖(tu)3可以得(de)出，在(zai)(zai)10kHz-35kHz的(de)(de)范圍內，3組(zu)不(bu)(bu)同的(de)(de)MZI都(dou)在(zai)(zai)不(bu)(bu)同程度(du)上降低了1550nm激(ji)(ji)光的(de)(de)強(qiang)度(du)噪聲。但是在(zai)(zai)大于35kHz后(hou)，3組(zu)不(bu)(bu)同的(de)(de)MZI都(dou)沒有(you)降低1550nm激(ji)(ji)光的(de)(de)強(qiang)度(du)噪聲。3組(zu)不(bu)(bu)同的(de)(de)MZI中(zhong)，效果最佳的(de)(de)是R=90.9%的(de)(de)分束器(qi)搭建的(de)(de)MZI，在(zai)(zai)15kHz處(chu)，降低了約8dB。此時(shi)MZI鎖定在(zai)(zai)Tlock為(wei)85%。

　　從上(shang)述實驗結果中(zhong)可(ke)以得知R=90.9%搭(da)建(jian)的MZI抑制噪聲(sheng)效果最(zui)佳，因此接(jie)著又研究了(le)1550nm激(ji)光(guang)經過R=90.9%的MZI鎖(suo)定在Tlock為45%，65%和85%下，輸出1550nm激(ji)光(guang)的強(qiang)度(du)噪聲(sheng)的變化。利用SA來測量了(le)將MZI鎖(suo)定在不同的Tlock下的強(qiang)度(du)噪聲(sheng)功率譜。

　　圖4：在不同MZI透射(she)率下，1550nm激光強度噪聲(sheng)與(yu)分析頻率的關系曲(qu)線。

　　如(ru)圖4所示曲(qu)(qu)線(i)是(shi)在10kHz-50kHz范圍內(nei)1550nm激(ji)光(guang)(guang)經(jing)過(guo)(guo)未鎖定(ding)MZI后輸出(chu)的光(guang)(guang)電流相(xiang)加后測(ce)得的強度噪(zao)聲(sheng)譜線，曲(qu)(qu)線(ii)、(iii)和(he)(iv)分別表(biao)示在10kHz-50kHz范圍內(nei)將R=90.9%的MZI鎖定(ding)在Tlock為45%，65%和(he)85%時(shi)輸出(chu)1550nm激(ji)光(guang)(guang)的強度噪(zao)聲(sheng)譜線。從圖中(zhong)可以看出(chu)，在10kHz-35kHz范圍內(nei)，3組(zu)不(bu)同(tong)(tong)透過(guo)(guo)率的MZI都在不(bu)同(tong)(tong)程(cheng)度上抑(yi)制(zhi)了1550nm激(ji)光(guang)(guang)強度噪(zao)聲(sheng)，當Tlock為85%時(shi)的抑(yi)制(zhi)效果最佳。在15kHz處(chu)，Tlock=85%和(he)Tlock=45%相(xiang)比(bi)之下，噪(zao)聲(sheng)低6dB左右(you)。

　　電壓放大器推(tui)薦：ATA-2168

　　圖：ATA-2168高壓放大器指標參數

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