基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法
2023-05-01 17:55:36
基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法
【專利摘要】本發明公開一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法，以具有電控柔性控制作用的液晶可變相位延遲器作為核心部件，利用液晶可變相位延遲器在務運動部件條件下對雷射信號進行輸出偏振態控制和調整，通過自適應控制算法改變液晶可變相位延遲器的供電電壓值，從而改變其相位延遲量，進而對入射的雷射信號的偏振態進行自適應控制，最終保證了雷射光源高精度、高穩定度的偏振態輸出；可以用於任意偏振態的雷射光束產生；採用閉環控制技術來實現偏振雷射光束產生，該方法產生的雷射光束具有高精度、高穩定度偏振態。解決了基於偏振調製的雷射通信系統對雷射光源的偏振態精確度和穩定度要求苛刻這一問題。
【專利說明】基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法
【技術領域】
[0001] 本發明提供一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法，尤其涉及一 種高精度偏振雷射光束產生方法，屬於雷射產生【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 由於在空間雷射通信系統中，雷射信號在大氣信道中經過較長距離的傳輸後光束 會受到大氣湍流及背景光噪聲等因素影響，使得傳統的採用00K調製方式的光通信系統通 信效率大大降低，極大地限制了自由空間光通信技術的推廣及應用。為了有效提高空間 雷射通信系統的可靠性，世界各國的研究者紛紛將目光轉向偏振光通信。偏振位移鍵控 (PolSK)是利用光的矢量特性，對光的偏振態進行編碼調製，同時適用於二進位和多電平的 傳輸。在大氣傳輸中，光信號的偏振態幾乎不受大氣擾動的影響。對於在大氣中傳播的激 光束來說，偏振態是其最穩定的一個屬性。
[0003] 在基於偏振調製的雷射通信系統中，高精度、高穩定度偏振態的雷射光源成為整 個系統的重中之重。所以研究高精度、高穩定度的偏振雷射光束產生方法成為亟需解決的 關鍵技術問題。目前國內外報導的偏振雷射光束產生方法大多是採用起偏片或者偏振控制 器來實現的，這類系統均屬於開環控制系統，控制精度不高。
[0004] 迄今為止，基於液晶可變相位延遲器的高精度偏振雷射光束產生方法尚未見報 道。
【發明內容】
[0005] 本發明公開一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法，採用閉環控 制技術來實現偏振雷射光束產生，解決了基於偏振調製的雷射通信系統對雷射光源的偏振 態精確度和穩定度要求苛刻這一問題。
[0006] 本發明進一步公開了一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生裝置，產 生的雷射光束具有高精度、高穩定度偏振態，雷射光束偏振態可以任意調整。
[0007] 本發明提供一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法及裝置，其技 術解決方案如下： 包括偏振雷射光束產生單元、偏振態檢測單元和偏振態控制單元；其中： 所述的偏振雷射光束產生單元由同軸排列的雷射器、擴束準直系統、起偏片、液晶可變 相位延遲器和分光稜鏡組成；雷射器的波長為1550nm ;液晶可變相位延遲器為具有旋光效 應的柔性光束相位延遲器件，在電場的作用下將入射的線偏振光分解成0光和e光兩個正 交偏振分量，兩個正交偏振分量之間會產生相位延遲量，電場電壓信號V控制液晶可變相 位延遲器的相位延遲量；分光稜鏡8米用透射光與反射光分光比為95 :5的分光稜鏡； 所述偏振態檢測單元由同軸排列的1/4波片、檢偏片、光電探測器以及與1/4波片電 氣連接的步進電機組成，偏振態檢測單元由常規機械轉動法測量雷射偏振態參數的系統組 成，用於完成對雷射偏振態參數的測量，並把光電探測器測得的數據傳輸給偏振態控制單 元中的自適應控制器進行處理； 所述偏振態控制單元由自適應控制器和液晶驅動電源組成，自適應控制器將光電探 測器的輸出電壓信號進行數據採集和處理，對系統產生的雷射光束的偏振態參數的檢測， 並與預設偏振態參數進行對比，通過自適應控制算法控制液晶驅動電源產生一個頻率為 2KHz、幅值可調的方波信號V，用來調整加載到液晶可變相位延遲器上，從而對入射的雷射 光束進行相位延遲量控制，達到穩定光束偏振態的作用。
[0008] 本發明公開的一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生裝置，其特徵在 於：由偏振雷射光束產生單元、偏振態檢測單元和偏振態控制單元組成； 所述的偏振雷射光束產生單元由同軸排列的雷射器、擴束準直系統、起偏片、液晶可變 相位延遲器和分光稜鏡組成；液晶可變相位延遲器具有旋光效應，液晶可變相位延遲器將 垂直入射的線偏振光分解成0光和e光兩個正交偏振分量； 所述偏振態檢測單元由同軸排列的1/4波片、檢偏片、光電探測器以及與1/4波片電 氣連接的步進電機組成；偏振態檢測單元由常規機械轉動法測量雷射偏振態參數的系統組 成，用於完成對雷射偏振態參數的測量，並把光電探測器測得的數據傳輸給偏振態控制單 元中的自適應控制器進行處理； 所述偏振態控制單元由自適應控制器和液晶驅動電源組成，自適應控制器將光電探測 器的輸出電壓信號進行數據採集和處理，對系統雷射光束的偏振態參數進行檢測，並與預 設偏振態參數進行對比，驅動電源產生一個頻率為2KHz、幅值可調的方波信號V，用來調整 加載到液晶可變相位延遲7上，從而對入射的雷射光束進行相位延遲量控制，達到穩定光 束偏振態的作用。
[0009] 所述的雷射器為半導體雷射器，雷射波長為1550nm ; 所述的液晶可變相位延遲器為柔性光束相位延遲器件，能夠在電場的作用下對入射的 線偏振光分解得到的〇光和e光兩個正交偏振分量的相位延遲量發生改變，由加載到液晶 可變相位延遲器的電壓信號V控制相位延遲量； 所述的分光稜鏡的透射光與反射光分光比為95 :5。
[0010] 圖2是液晶可變相位延遲器改變光束偏振態的一種狀態示意圖。經過擴束準直系 統擴束、準直之後的平行光束，該光束經過起偏片起偏得到的線偏振光垂直入射並通過液 晶可變相位延遲器的過程中，線偏振光分解得到的〇光和e光兩個正交偏振分量的相位延 遲量發生改變，具體相位延遲量情況由加載到液晶可變相位延遲器的電壓信號V的大小決 定。
[0011] 基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法的工作原理在於： 首先，偏振雷射光束產生單元中雷射器發射的雷射經過擴束準直系統進行擴束、準直 之後得到平行光束，再經過起偏片起偏得到線偏振光，該線偏振光垂直入射並通過液晶可 變相位延遲器，此時液晶驅動電源未啟動，線偏振光直接透射，其偏振態不發生改變，光束 經過分光稜鏡進行分光，5%的光被反射，由偏振態檢測單元進行偏振態檢測，光束依次經過 由步進電機控制勻速旋轉的1/4波片和檢偏片，最後由光電探測器接收，探測結果直接傳 給自適應控制器觸發其工作並對接收數據進行處理，檢測當前光束的偏振態參數；預先設 定系統產生光束的偏振態參數，自適應控制器通過自適應算法給出液晶驅動電源的準確輸 出電壓信號V的幅值，進而控制液晶可變相位延遲器產生相位延遲量? ,保證偏振雷射光 束產生單元產生高精度、高穩定度偏振態的雷射光束。
[0012] 本發明的積極效果在於：以具有電控柔性控制作用的液晶可變相位延遲器作為核 心部件，利用液晶可變相位延遲器在務運動部件條件下對雷射信號進行輸出偏振態控制和 調整，通過自適應控制算法改變液晶可變相位延遲器的供電電壓值，從而改變其相位延遲 量，進而對入射的雷射信號的偏振態進行自適應控制，最終保證了雷射光源高精度、高穩定 度的偏振態輸出；可以用於任意偏振態的雷射光束產生；採用閉環控制技術來實現偏振激 光光束產生，該方法產生的雷射光束具有高精度、高穩定度偏振態。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明系統結構示意圖； 圖2是液晶可變相位延遲器改變光束偏振態的一種狀態不意圖； 圖中，1、偏振雷射光束廣生單兀；2、偏振態檢測單兀；3、偏振態控制單兀；4、雷射器； 5、擴束準直系統；6、起偏片；7、液晶可變相位延遲器；8、分光稜鏡；9、步進電機；10、1/4波 片；11、檢偏片；12 ;光電探測器；13、自適應控制器；14、液晶驅動電源。
【具體實施方式】
[0014] 實施例1 根據圖1、圖2所示，本發明由偏振雷射光束產生單元1、偏振態檢測單元2和偏振態 控制單兀3組成；所述的偏振雷射光束產生單兀1由同軸排列的雷射器4、擴束準直系統 5、起偏片6、液晶可變相位延遲器7和分光稜鏡8組成；雷射器4採用Thorlabs公司的 SFL1550P，輸出雷射波長為1550nm，最大輸出光功率可達80mW，採用保偏光纖輸出。液晶 可變相位延遲器7是一種柔性光束相位延遲器件，能夠在電場的作用下對入射的線偏振 光分解得到的〇光和e光兩個正交偏振分量的相位延遲量發生改變，具體相位延遲量情 況由加載到液晶可變相位延遲器7的電壓信號V的大小決定，液晶可變相位延遲器7採 用Meadowlark公司的LRC-300,相位延遲量範圍從(Γ 1，精度可達-i/500波長覆蓋範圍 1200-1700nm。分光稜鏡8採用Thorlabs公司的BS030型號分束器立方，立方體直徑為 25. 4mm，透射光與反射光分光比為95 :5,可適用波長範圍1100-1600nm。
[0015] 所述偏振態檢測單元2由同軸排列的1/4波片10、檢偏片11、光電探測器12以及 與1/4波片10電氣連接的步進電機9組成，其中，1/4波片10、檢偏片11、光電探測器12為 同軸排列，步進電機9的轉動軸通過傳送帶與1/4波片10連接,通過步進電機9帶動1/4 波片10做勻速圓周運動，完成對待檢測光信號偏振特性的調製，光電探測器對已調製光信 號進行探測，並把光電探測器測得的數據傳輸給偏振態控制單元中的自適應控制器進行處 理，完成對雷射偏振態參數的測量；偏振態檢測單元2由常規機械轉動法測量雷射偏振態 參數的系統組成，用於完成對雷射偏振態參數的測量，並把光電探測器測得的數據傳輸給 自適應控制器13進行處理，其中1/4波片10採用Meadow Lark公司的NQM-200-1550,相位 延遲精度可達Λ/350 ,檢偏片11採用Meadow Lark公司的DPM-200-NIR2-3,可適用波長範 圍1200-1700nm，光電探測器12採用Thorlabs公司的AM1PD5A陰極接地型鍺光電二極體， 完成對已調製光束的探測，其工作波長範圍為800-1800nm，探測靈敏度為0. 75A/W，暗電流 50uA，步進電機9採用一款國產步進電機，漢德保電機公司的0801HS06AX，步距角1. 8°，步 距角精度1.8° ±5%。
[0016] 所述偏振態控制單元3由自適應控制器13和液晶驅動電源14組成。其中，偏振 態檢測單元3中的光電探測器數據輸出端與自適應控制器13的數據埠連接，自適應控制 器13的數據埠與液晶驅動電源14的控制埠連接；自適應控制器13採集光電探測器 12的輸出信號，並進行數據處理，完成系統雷射光束的偏振態參數檢測，並與系統中預設偏 振態參數進行對比，根據對比結果給出對應的控制信號；液晶驅動電源14產生一個頻率為 2KHz，幅值V可調的方波信號，用來調整加載到液晶14可變相位延遲器7上，從而對入射的 雷射光束進行相位延遲量控制，達到穩定光束偏振態的作用，液晶驅動電源輸出的信號幅 值V受控於自適應控制器的控制信號。自適應控制器13是一種常規電子學部件，選用TI 公司的TMS320C6711數位訊號處理器，該處理器可同時執行8條指令，單精度運算速度為1G FLOPS，雙精度運算速度為250M FLOPS。自適應控制器13用於完成對光電探測器12的輸 出電壓信號進行數據採集和處理，內部有信號處理器，實現系統產生的雷射光束的偏振態 參數的檢測，並與預設偏振態參數進行對比，通過自適應控制算法控制液晶驅動電源14產 生一個頻率為2KHz、幅值可調的方波信號V，用來調整加載到液晶可變相位延遲7上，從而 對入射的雷射光束進行相位延遲量控制，達到穩定光束偏振態的作用，液晶驅動電源14是 與液晶可變相位延遲器7 (LRC-300)配套使用的Meadow Lark公司的D3050,可產生0-10V 的輸出電壓值，調製精度為lmV。
[0017] 上述的液晶可變相位延遲器7具有旋光效應，其改變光束偏振態的一種狀態示意 圖如圖2所示。線偏振光垂直入射並通過液晶可變相位延遲器7,線偏振光分解得到的〇光 和e光兩個正交偏振分量，根據加載到液晶可變相位延遲器7上的電壓信號V的幅值不同， 液晶可變相位延遲器7會相應產生不同的相位延遲量d ,具體相位延遲量情況由加載到液 晶可變相位延遲器7的電壓信號V的大小決定。
[0018] 系統中光電探測器12、自適應控制器13、液晶驅動電源14和液晶可變相位延遲器 7也是電氣連接，其餘部分均為光連接。
【權利要求】
1. 一種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生方法，包括偏振雷射光束產生 單元、偏振態檢測單元和偏振態控制單元；其特徵在於： 所述的偏振雷射光束產生單元由同軸排列的雷射器、擴束準直系統、起偏片、液晶可變 相位延遲器和分光稜鏡組成；雷射器的波長為1550nm ;液晶可變相位延遲器為具有旋光效 應的柔性光束相位延遲器件，在電場的作用下將入射的線偏振光分解成〇光和e光兩個正 交偏振分量，形成相位延遲量，電場電壓信號V控制液晶可變相位延遲器的相位延遲量；分 光稜鏡米用透射光與反射光分光比為95 :5的分光稜鏡； 所述偏振態檢測單元由同軸排列的1/4波片、檢偏片、光電探測器以及與1/4波片電 氣連接的步進電機組成，偏振態檢測單元由常規機械轉動法測量雷射偏振態參數的系統組 成，用於完成對雷射偏振態參數的測量，並把光電探測器測得的數據傳輸給偏振態控制單 元中的自適應控制器進行處理； 所述偏振態控制單元由自適應控制器和液晶驅動電源組成，自適應控制器將光電探 測器的輸出電壓信號進行數據採集和處理，對系統產生的雷射光束的偏振態參數的檢測， 並與預設偏振態參數進行對比，通過自適應控制算法控制液晶驅動電源產生一個頻率為 2KHz、幅值可調的方波信號V，用來調整加載到液晶可變相位延遲器上，從而對入射的雷射 光束進行相位延遲量控制，達到穩定光束偏振態的作用。
2. -種基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生裝置，其特徵在於：由偏振雷射 光束產生單元、偏振態檢測單元和偏振態控制單元組成； 所述的偏振雷射光束產生單元由同軸排列的雷射器、擴束準直系統、起偏片、液晶可變 相位延遲器和分光稜鏡組成；液晶可變相位延遲器具有旋光效應，液晶可變相位延遲器將 垂直入射的線偏振光分解成〇光和e光兩個正交偏振分量； 所述偏振態檢測單元由同軸排列的1/4波片、檢偏片、光電探測器以及與1/4波片電 氣連接的步進電機組成；偏振態檢測單元由常規機械轉動法測量雷射偏振態參數的系統組 成，用於完成對雷射偏振態參數的測量，並把光電探測器測得的數據傳輸給偏振態控制單 元中的自適應控制器進行處理； 所述偏振態控制單元由自適應控制器和液晶驅動電源組成，自適應控制器將光電探測 器的輸出電壓信號進行數據採集和處理，對系統雷射光束的偏振態參數進行檢測，並與預 設偏振態參數進行對比，驅動電源產生一個頻率為2KHz、幅值可調的方波信號V，用來調整 加載到液晶可變相位延遲器上，從而對入射的雷射光束進行相位延遲量控制，達到穩定光 束偏振態的作用。
3. 根據權利要求2所述的基於液晶可變相位延遲器的偏振雷射光束產生裝置，包括 偏振雷射光束產生單元、偏振態檢測單元和偏振態控制單元；其特徵在於： 所述的雷射器為半導體雷射器，雷射波長為1550nm; 所述的液晶可變相位延遲器為柔性光束相位延遲器件，能夠在電場的作用下對入射的 線偏振光分解得到的〇光和e光兩個正交偏振分量的相位延遲量發生改變，由加載到液晶 可變相位延遲器的電壓信號V控制相位延遲量； 所述的分光稜鏡的透射光與反射光分光比為95 :5。
【文檔編號】H01S5/0683GK104283617SQ201410473426
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】劉丹, 方韓韓, 劉智, 倪小龍, 劉建華, 付強, 姜會林 申請人:長春理工大學