實驗名稱：馬赫-增德爾干涉儀穩定功率和抑制激光噪聲的實驗研究

測試設備：電壓放大器、信號發生器、示波器、光電探測器、分束器、壓電陶瓷等。

實驗過程：

圖1：利用MZI改善1550nm激光性能的實驗裝置圖

實驗中所用MZI由兩個分束器（BS1、BS2）和平面反射鏡（M1、M2）組成，兩個平面反射鏡（M1、M2）鍍有高反射率膜。將MZI中的BS1、BS2和M1、M2放置在菱形四個角上，壓電陶瓷PZT3粘在M1的后面，通過電壓放大器（HV）來控制PZT3就可以實現對MZI的位相的控制。實驗中為了控制1550nm激光經過MZI輸出后光束方向與輸入MZI前的方向不發生改變，輸入和輸出MZI分別放置兩個22.5度平面反射鏡。經過MZI輸出的1550nm光場利用半波片(HWP)和偏振分束器(PBS)組成的光學分束器分成兩束，功率較大的一束光場可以用來后續測量和制備1550nm非經典光場。并在后續使用的光路上放置光學分束器，這樣可以提取一小部分光分作為鎖定MZI的位相的誤差信號。接下來通過改變搭建MZI分束器的分束比來研究其對1550nm激光強度噪聲的影響。

實驗中通過信號發生器(signalgenerator,SG)產生一個65Hz三角波來掃描MZI中的PZT3，利用光電探測器來對MZI輸出光電流變化進行探測，將探測到的信號輸入示波器中，并記錄MZI干涉信號最低處和最高處在示波器上的示數，參考示波器的示數來調整比例積分微分控制器(PID)的參數，就可以將MZI鎖定在不同的透射率。探測器PD輸出的光電流信號的經過PID和電壓放大器（HV）放大后，將其加載在MZI中的PZT3上可以鎖定MZI的兩臂相對位相。PD輸出直流信號電壓的變化也會改變MZI的TMZ，實驗中通過設置PID參數將MZI鎖定不同的透射率Tlock下，來研究其對1550nm激光強度噪聲的影響。

實驗結果：

實驗首先研究了利用MZI對1550nm激光功率穩定性影響，實驗中首先用功率計測量了1550nm激光經過未鎖定MZI運轉5h的功率波動；接下來又測量了將MZI鎖定在最佳工作點，1550nm激光通過后運轉5h的功率波動。

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

如圖2所示，圖2（a）和（b）分別表示為在未鎖定MZI前和鎖定MZI后激光器運轉5h的輸出功率，計算可知1550nm激光的功率波動由±0.20%減少到±0.09%。由2圖可以看出經過鎖定MZI后1550nm激光的功率穩定性實現了提高。

接下來深入研究了MZI中R=90%附近不同分束比對抑制1550nm激光強度噪聲的影響，實驗用了3組不同分束比為R=90.9%，92.5%和95%的分束器，分別測量并比較了3組鎖定MZI后隨著分析頻率的變化輸出1550nm激光的強度噪聲變化的曲線。

圖3：在不同分束器分束比下，1550nm激光經過MZI的強度噪聲與分析頻率的關系曲線。

如圖3中曲線(i)表示為在10kHz-50kHz范圍內1550nm激光經過未鎖定MZI后，輸出的光電流相加后利用SA測得的強度噪聲譜線，圖3中曲線(ii)、(iii)和(iv)分別表示為R為95%，92.5%和90.9%時在10kHz-50kHz范圍內1550nm激光經過鎖定MZI后的強度噪聲譜線。從圖3可以得出，在10kHz-35kHz的范圍內，3組不同的MZI都在不同程度上降低了1550nm激光的強度噪聲。但是在大于35kHz后，3組不同的MZI都沒有降低1550nm激光的強度噪聲。3組不同的MZI中，效果最佳的是R=90.9%的分束器搭建的MZI，在15kHz處，降低了約8dB。此時MZI鎖定在Tlock為85%。

從上述實驗結果中可以得知R=90.9%搭建的MZI抑制噪聲效果最佳，因此接著又研究了1550nm激光經過R=90.9%的MZI鎖定在Tlock為45%，65%和85%下，輸出1550nm激光的強度噪聲的變化。利用SA來測量了將MZI鎖定在不同的Tlock下的強度噪聲功率譜。

圖4：在不同MZI透射率下，1550nm激光強度噪聲與分析頻率的關系曲線。

如圖4所示曲線(i)是在10kHz-50kHz范圍內1550nm激光經過未鎖定MZI后輸出的光電流相加后測得的強度噪聲譜線，曲線(ii)、(iii)和(iv)分別表示在10kHz-50kHz范圍內將R=90.9%的MZI鎖定在Tlock為45%，65%和85%時輸出1550nm激光的強度噪聲譜線。從圖中可以看出，在10kHz-35kHz范圍內，3組不同透過率的MZI都在不同程度上抑制了1550nm激光強度噪聲，當Tlock為85%時的抑制效果最佳。在15kHz處，Tlock=85%和Tlock=45%相比之下，噪聲低6dB左右。

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審核編輯 黃宇