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操控激光的魔法师——光纤声光调制器

2022年7月、10月,我国陆续发射“问天”和“梦天”两个实验舱,是实现载人航天工程“三步走”战略的重要目标,也是建设航天强国、科技强国的重要标志。梦天实验舱主要面向微重力科学研究,研制了空间科学研究与应用领域的超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜等7个方面8个科学实验柜[1]。其中,超冷原子物理实验柜突破了全光纤激光链路、高精度激光稳定、大电流磁阱控制等一系列关键技术,建立了可靠的空间冷原子实验平台,为我国空间原子物理基础研究和量子技术奠定了基础。

高功率高速光纤声光调制器(以下称为:光纤声光调制器)是冷原子柜中全光纤激光链路的核心元器件之一,有着超高消光比、低插入损耗和快速上升时间的优点,能够对脉冲激光进行选单、调制,为冷原子柜囚禁和冷却超冷原子团提供稳定可靠的光源[2]。

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光调制器在冷原子柜上的应用

光纤声光调制器作为冷原子柜中全光纤激光链路的核心元器件,将为冷原子柜提供高功率稳频激光。原子会吸收共振频率v1的光子,由于光子和原子动量相反,因此原子吸收光子后运动速度会降低,从而达到冷却原子的目的。激光冷却原子以其探询时间长、能消除多普勒频移和碰撞引起的频移、探测光场弱耦合等优点,显著改善了原子光谱的精密测量能力,可广泛应用于冷原子钟、冷原子干涉仪和冷原子导航等领域。

光纤声光调制器内部主要包含声光晶体与光纤准直器等,如图1所示。调制信号以电信号(调幅、调相或调频)形式作用于压电换能器上,通过改变输入调制信号的频率、幅度等输入特性,实现对输入激光的调频和调幅。压电换能器由于压电效应将电信号转化为相同规律变化的超声信号在声光介质中传播,声光介质的折射率发生周期性变化后形成一个折射率光栅,激光通过光纤准直器传入声光介质会产生衍射,衍射光的频率在原输入激光频率上叠加了一个超声频率。调整好光纤准直器位置使光纤声光调制器工作在最佳状态,此时使入射光束的入射角满足布拉格衍射条件,衍射模式为布拉格衍射,这时入射光的能量几乎全部转移到一级衍射光中[3]。

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光纤声光调制器在全光纤激光链路系统中的应用如图2所示。第一声光模块用于系统光放大器前端,对前端连续输入光进行光脉冲调制,调制后的光脉冲进入系统光放大模块进行能量放大。第二声光模块用于光放大器后端,其作用是对系统放大后的光脉冲信号基底噪声进行隔离。

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第一声光模块输出的光脉冲前后沿呈对称分布,在进入光放大器后,由于放大器对脉冲前沿的增益高于脉冲后沿,将导致放大后的光脉冲会出现能量集中于前沿的波形失真现象,如图3所示。为使系统获得前后沿对称分布的光脉冲,需要第一声光模块采用模拟调制方式,由系统控制单元对第一声光模块上升沿进行调节,以增大声光模块的光脉冲上升沿,弥补光放大器在脉冲前后沿的增益不均匀性,如图4所示。

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系统的光放大器不仅会放大有用的光脉冲信号,同时也会将脉冲序列的基底噪声进行放大。为获得高的系统信噪比,利用光纤声光调制器的高消光比特点,在放大器后端对基底噪声进行抑制,最大程度地保证系统信号脉冲能够有效通过,同时避免基底噪声进入时域声光快门(时域脉冲门)。采用数字调制方式,利用 TTL 电平信号控制声光模块的开关,以保证声光模块时域脉冲上升沿为产品的设计上升时间(即产品能够获得的最小上升时间),脉冲宽度取决于系统 TTL 电平信号脉冲宽度。第二声光模块在系统中的功能如图5所示。

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  • 耐受高光功率

光纤声光调制器能够承受较强的激光功率,确保高功率激光能够顺利通过。在全光纤激光链路中,光纤声光调制器将连续光变为脉冲光、由于光脉冲占空比较低,光能量大部分位于零级光之中。声光晶体外一级衍射光和零级光以发散的高斯光束方式进行传播,虽然满足严格可分离条件[4],但零级光的部分光能量会累积在光纤准直器边缘,无法通过光纤传输出去,最终烧穿光纤准直器。通过高精度六维调节架将光阑结构置于光路中,限制衍射光在准直器中心传输,零级光传输至外壳,避免零级光烧坏光纤准直器,如图6所示。

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以全光纤激光链路中使用的SGTF200-1064-1PFG-HP型光纤声光调制器为例,相对于普通产品、耐受激光功率从1 W提升至5 W,满足用户指标要求。
  • 快速上升时间

在全光纤激光链路中,光纤声光调制器的快速光脉冲上升时间,最大程度地保证系统信号脉冲能够有效通过,同时避免基底噪声进入时域声光快门(时域脉冲门)。实现快速光脉冲上升时间的核心是减少超声波穿过光束的渡越时间,主要方法是减小入射光束腰直径或者采用声速大的材料制作声光晶体[5]。以“梦天”冷原子柜中使用的 SGTF200-1064-1PFG-HP 型高性能保偏光纤声光调制器为例,光束束腰直径减小至亚微米级,且采用特殊切向的新型材料,实现了上升时间小于10 ns,实测图如图7所示。

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  • 低功耗、高可靠性

航天器资源有限、条件严苛、环境复杂,对光纤声光调制器的功耗及可靠性有着更高的要求。光纤声光调制器采用特殊切向的声光晶体,其声光品质因数M2 高,因此在相同衍射效率条件下所需驱动功耗低[6]。光纤声光调制器采用这种低功耗的设计,不仅减少了对驱动功耗的需求、节约了航天器中有限的资源,同时也降低了驱动信号的电磁辐射,减轻系统散热压力。

根据航天器产品禁(限)用工艺要求,常规光纤声光调制器晶体安装方式仅采用单面硅橡胶粘固工艺,一旦硅橡胶失效,会使晶体技术参数在振动条件下发生变化,不满足航天产品工艺要求。激光链路中光纤声光调制器晶体改用机械固定与硅橡胶粘固相结合的方式对晶体进行固定,上下底面安装结构尽量对称,同时最大限度增大晶体表面与安装外壳间的接触面积,具有散热能力强且温场对称分布的优点。常规准直器采用硅橡胶粘接的方式固定,在高温、振动等情况下会发生偏移,影响产品性能。现采用机械结构固定光纤准直器,增强了产品稳定性,满足航天产品工艺要求。

全光纤激光链路中使用的 SGTF200-1064-1PFG(H)型光纤声光调制器不仅通过温度及力学等筛选实验,且所需功率仅0.2 W,是常规型号光纤声光调制器所需功率的1/10,满足客户使用需求。

03小结

本文介绍了高功率高速光纤声光调制器在冷原子柜中的应用,以及高功率高速光纤声光调制器的特点。目前中国电科26所在高功率高速光纤声光调制器性能上取得了不错的研究成果,并将其产品化。“梦天”实验舱后续将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组[1],与之需求相结合,如何得到更高的衍射效率、更可靠、高带宽、体积更小的高功率高速光纤声光调制器是下一步的研究重点。



作者简介

刘滕,中国电子科技集团第二十六研究所工程师,主要从事声光器件设计与激光雷达方面的研究;

冉洪清,工程师,主要从事激光及激光雷达方面的研究;

杨自立,工程师,主要从事数字信号处理方面的研究;

赵闯,操作员,主要从事激光耦合工艺方面的研究。


光纤声光调制器
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