Схемы подавления шума в ОС с использованием лазера

МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра РЛ3

Схемы подавления шума в ОС с использованием лазера

Научно-исследовательская работа студента первого семестра шестого курса по направлению «Оптотехника»

 

 

 

Шматко Ю. М. 20.12.2011

 

 

 

Оглавление

 

 

 

Введение.

Избыточный шум, паразитные модуляции и дрейф в лазерах из-за источника питания – общие проблемы в оптических измерениях. Наихудшие шумы и паразитные сигналы обычно проявляются на низких модуляционных частотах и могут с легкостью быть на 50 dB выше флуктуационного шума, что сказывается на сложности проведения ультрачувствительных оптических измерений. Большое количество работ было проведено в этой области, как для того чтобы сделать работу лазеров «тише», так и для устранения наихудших эффектов остаточного шума.

Наиболее точные оптические измерительные системы применяют специальную модуляцию пучка, с целью получения выходных сигналов, периодичных по времени с  частотой настолько далекой от низкочастотного шума, насколько это необходимо. Затем эти сигналы регистрируют с достаточно узкой полосой пропускания, чтобы исключить наибольшее количество избыточного шума. Типичными примерами являются гетеродинный интерферометр, методы частотной модуляции, системы прерывания пучка с синхронным детектированием и быстро-сканирующие системы с усреднением сигнала.

Оптическая стабилизация обратной связи нескольких типов и электронные схемы отсечки шума, такие как дифференциальное детектирование (вычитание) и нормализация через аналоговое деление используются широко, но без применения дополнительных средств они ограничены своим минимальным уровнем шума, полосой пропускания или придирчивыми требованиями к юстировке для приложений даже с относительно низкими выходными показателями. Из всех перечисленных техник ни одна не дает результатов, близких к пределу дробового шума, за исключением гетеродинного интерферометра.

Техники прерывания пучка слишком медленны, чтобы избежать области избыточного шума. Также они смещают полосу пропускания измерений немного в сторону от прямого тока, но иногда они могут значительно помочь. В этом смысле системы усреднения сигнала несколько лучше. Методы частотной модуляции могут избежать области избыточного шума не нуждаясь в интерферометре, потому что само измерение чаще всего производится на слабой оптической боковой полосе, большая часть мощности лазера не используется и отношение сигнал/шум измерения значительно хуже, чем отношение сигнал/дробовой шум всего пучка. Гетеродинные интерферометры позволяют проводить измерения на частотах, далеких от шумов полосы пропускания, часто позволяя достигнуть предела шума, близкого к дробовому. Однако, в дополнение к большим затратам и сложности, гетеродинные измерения с одним и тем же временным ответом как у гомодинных имеют в два раза более широкую полосу пропускания шума (следовательно, они на шумнее на 3 dB с такой же спектральной плотностью шума ), потому что должны быть приняты оптические частоты ниже несущей. Альтернативная техника – полностью электронная отмена шума, которая позволяет проводить точные оптические измерения, ограниченные только дробовыми шумами, на основной полосе частот с шумными лазерами. Полагаясь на почти идеальные свойства фотодиодов, биполярных плоскостных транзисторов (БПТ) и большинства оптических систем, этот способ способен убрать избыточный шум от 60 dB до нескольких десятков мегагерц  от прямого тока. Система использует дифференциальную пару на основе БПТ, чтобы разделить  ток от эталонного фотодиода (на который подается образец пучка) в субтрактивной цепи, с отрицательной обратной связью (ОС) для беспрерывной регулировки баланса. Вдобавок к высоким уровням подавления избыточного шума, нижний уровень добавляемого устройством шума ограничен только дробовым шумом сигнального луча. Эта схема была использована в ультрачувствительной лазерной спектроскопии поглощения, когерентном лидаре и в других техниках измерения, где она позволила упростить оборудование и получить лучшие результаты.

В данной работе представлены расчет, ограничения возможностей схемы и несколько обобщений, включая важный случай дифференциальных измерений. Она включает детализированные схематичные диаграммы и обсуждения нескольких версий, а также математический аннекс.

 

Лазерный шум.

Большая часть работы по проектированию ультрачувствительного оптического оборудования включает в себя обхождение эффектов лазерного шума. Лазерный шум проявляется в разнообразии способов, исчерпывающий список которых трудно предоставить. Перечислим несколько из наиболее вредных: биение режима основной полосы частот в газовых лазерах, скачки режима, нестабильность из-за непреднамеренной оптической ОС в  лазерном резонаторе, «шум-покачивание» и электрически или механически индуцированные модуляции, порожденные турбулентностями охлаждающей воды и пульсацией питающего напряжения.

Некоторые применения лазеров, такие как нагрев и накачка нелинейных элементов других лазеров требуют, чтобы сам пучок лазера имел стабильную амплитуду, т.к. он управляет системой. Другие, такие как спектроскопия высокого разрешения, нуждаются в низком шуме и амплитуды, и фазы, т.к. обе эти величины влияют на ширину спектральной линии лазера (шум частотной модуляции как правило намного хуже ). В этих случаях нет иного выбора, как максимально стабилизировать лазер.

В большинстве других измерений флуктуации фототока обусловлены в первую очередь нестабильностью амплитуды лазера. И измеряемый сигнала фототока и присутствующий статический фон пропорциональны мощности лазера, поэтому флуктуации интенсивности переводятся напрямую  в погрешности измерений.  Индуцированные лазерным шумом флуктуации фона проявляются как аддитивный шум, в то время как флуктуации сигнала являются мультипликативным шумом, провоцируя интермодуляцию шумов, проявлении боковых частотных полос шума на искомом сигнале.

При измерении маленького сдвига на широком фоне флуктуации фона  -  худшая проблема, и экспериментаторы обычно стараются проводить измерения при нулевом фоне, что минимизирует шум и сдвиг от таких флуктуаций. В большинстве таких случаев при переходе на нулевой фон вклад дробового шума не сглаживается, так что эти методы потеряли бы свою привлекательность, если бы действительно «тихие» лазеры были доступны. Исключением из этого правила включают в себя флюоресценцию, фотохимическую решетку и другие измерения, проводимые при темных фонах. Однако у последних есть свои недостатки, в особенности это их требованиях к фотоумножительным трубкам, которые имеют низкую квантовую эффективность и отношение сигнал/шум. Техники нулевого фона не применяются к интермодуляции шума, как и большинство других доступных методов подавления шума.

1. Стабилизация обратной связи

Дрейф и низкочастотный шум в лазерах часто обрабатываются с помощью техник стабилизации обратной связи, внешних модуляторов или модуляции инжекции тока. Эти способы хорошо работают, за исключением обратной связи по току с диодными лазерами, в этом случае они становятся слишком сложными или дорогими.

В измерениях без применения сжатого света, наименьший шум фототока обусловлен током дробового шума:

Где е – заряд электрона и В – ширина  полосы частот измерений

Все методы подавления шума, которые основываются на сравнении одного или двух пучков сигнала с пучком сравнения.

В любой технике, которая стабилизирует сигнал через его сравнение с другим, некоррелированные части шума (т.е. вклад дробового шума) подчиняются следующей зависимости:

Где SNRsignal, SNRcomp и SNRout – отношения мощности сигнала к шуму полезного сигнала, фототоков сравнения и комбинированных фототоков соответственно. Эффекты конечного размера полосы частот и технического шума в объединяющей схеме опускаются. Их отношение мощности шума к сигналу добавляются, хотя бы для частот шума, в пределах их полосы частот.

Таким оброазом, эти методы могут в лучшем случае привести отношение сигнал/шум результирующего пучка (или фототока) к отношению сигнал/дробовой шум пучка сравнения; если два фототока эквивалентны, тогда шум выходного фототока на 3 dB выше шума одного пучка сигнала.

В стабилизаторах обратной связи SNRsignal - это отношение сигнал/дробовой шум выходного пучка с отключенным стабилизатором, а SNRout - это тоже отношения для выходного пучка при действующем стабилизаторе. Большинству пользователей не нравится терять половину или более от мощности их лазера в стабилизаторе, поэтому пучок сравнения выбирается значительно слабее главного;  даже если он содержит относительно больше дробового шума, и это вносит свой вклад в высокий нижний порог шума.

 

Помимо проблемы нижнего порога шума стабилизаторы обратной связи в сущности являются скорее узкополосными. Например, если для достижения порога дробового шума необходимо подавление в 40 dB, то система обратной связи должна убрать 99% шумового тока, поэтому ошибка ее коэффициента передачи в закрытом цикле должна быть менее 1%. Если мы представим систему с полосой единичного коэффициента передачи в открытом цикле шириной в 0.5 МГц и однополюсной спад характеристики, это достигается на 5 кГц. Стабилизация обратной связи бывает очень полезной во многих оптических системах, но она не может достичь уровня дробового шума при использовании «шумных» лазеров.

 

В. Электронное подавление шума.

 

Рисунок 1 Блок-диаграмма основного электронного подавителя лазерного шум

Электронные схемы также были известны некоторое время и широко использовались. Как можно увидеть на рис. 1, эти схемы отличаются от описанных ранее тем, что в них нет стабилизации лазерного пучка, только выходной фототок устройства.  Образец пучка берется на выходе из лазера и регистрируется для получения фототока сравнения с таким же дробным избыточным шумом, как и пучка сигнала (который представляет здесь выходной сигнал оптической системы). Впоследствии оба комбинируются таким образом, чтобы получить на выходе ток, которые в идеальном случае будет полностью свободен от избыточного шума.

Такие методы основаны на двух важных свойствах большинства оптических систем, а именно: весьма широкая временная полоса пропускания и использование почти идеальных линейных фотодетекторов, таких как фотодиоды фотопроводящего режима.  Широкая полоса пропускания гарантирует, что  (в случае если разность траекторий мала) оптическая система не привнесёт к модуляции пучка фазовый сдвиг или каких-либо изменений в коэффициент передачи – мгновенный, относительный амплитудный избыточный шум луча сравнения будет идентичен амплитуде шума пучка выходного сигналам – таким что если погашение было сделано должным образом, то подавление шума должно быть в принципе идеальным.  Линейность фотодиодов дает отличную погашающую способность при использовании разных диодов, даже если они работают со значительно разнящимися плотностями тока. В таких удачных обстоятельствах электронное погашение шумов должно быть чрезвычайно эффективным.

В прошлом два электронных метода были особо популярны, а именно: вычитание и деление. В схеме вычитания фототок сравнения вычитается из тока сигнала. Если оптическая система выверена идеально, так что оба фототока точно равны, избыточный шум и прямой ток обнуляются, оставляя только сигнал и дробовой шум. Вычитающие схемы могут иметь широкую полосу пропускания с тех пор как фототоки могут вычитаться напрямую без предварительной конвертации в напряжение, что привносит мало контролируемые фазовые сдвиги и потому что подавление не зависит от обратной связи. Улучшение изредка бывает более 20 dB, т.к. при этом способе требуется тонкая наладка, а интенсивность сигнального луча часто варьируется во время измерений (например, из-за сканирования), так что то ки не могут быть совершенно равными в течении всего времени. Вдобавок, в случае если ток дробового шума сигнала и фототока сравнения статистически независимы, они подчиняются уравнению (2) и это ограничивает снизу шум системы уровнем, на 3 дБ выше уровня дробового шума сигнала.

Делители не требуют очень тонкой настройки, деля ток сигнала током сравнения и, таким образом, подавляя дробную (а не абсолютную) часть отклонения шума. Теоретически они очень привлекательны, потому что сокращение мгновенной интенсивности обеспечивает компенсацию дрейфа и шумовой интермодуляции, также как и подавление аддитивного избыточного шума. В принципе делители не должны страдать от проблемы 3 дБ аддитивного шума, когда пучок сравнения может быть сделан сильнее чем пучок сигнала (и, таким образом, относительно тише). К несчастью, делители достаточно медленны, так что пропускная способность подавления ограничена и шумна, как это предполагается в следующем примере.

Делитель Burr-Brown MPY-634 не относится ни к самым быстрым ни к самым медленным делителем из существующих, но он является хорошим компромиссом между шумом, скоростью и точностью для следующего применения. С полномасштабным знаменателем (10 В, лучший случай) он обладает спектральной плотностью примерно в с нулевым числителем и в с числителем в 10 В; это примерно на 60 дБ хуже чем у лучших операционных усилителей. В случае если максимальный входной уровень равен 10 В, максимальное отношение сигнала к шуму равно 134 дБ при пропускной способности в 1 Гц. С надлежащим образом выбранным усилением преобразователя тока в напряжение, и в случае если уровень сигнала сокращен на 3 дБ во избежание отсечки сигнала, это эквивалентно отношению сигнала к шуму фототока в 8 мкА. При использовании гелий-неонового лазера и кремниевого PIN-диода (чувствительность 0.3 А/Вт) это подразумевает, что лазерный пучок с 27 мкВт может быть избавлен от избыточного шума до уровня на 3 дБ выше дробового шума (при использовании бесшумного луча сравнения), но шум пучка в 27 мкВТ, что вполне в рамках линейного режима работы многих фотодиодов, может достигнуть только уровня в 20 дБ над дробовым шумом.

Вследствие использования обратной связи в пути сигнала и проблем компенсации частоты, указывающих на вышесказанное, делители демонстрируют плохие показатели на высоких частотах. Измерения синусоидальных сигналов с экспоненциально увеличивающейся частотой (0.2 В от пика к пику вместе с прямым током с 7Вподключеными к числителю и знаменателю, которые соединены параллельно) на вышеописанной схеме выявляют подавление  в 42 дБ малого сигнала на 100Гц, ухудшаясь еще больше где-то на 5 кГц и к 22 дБ на 100 кГц, и практически к нулю на 1МГц.

Вычитающие схемы устраняют избыточный аддитивный шум, но не могут ничего поделать с шумовой интермодуляцией; делители же устраняют оба эти явления. В высокоточных приложениях, где сигнал находится достаточно высоко над нижним порогом адитивного шума и должен быть измерен точно, интермодуляции шума ограничивают точность измерений до отношения сигнал/шум лазерного пучка. По этой причине схемы вычитания в открытом цикле наиболее подходят для измерений малых изменений интенсивности лазеров, которые уже достаточно тихи.

В таком случае делители и схемы вычитания в открытом цикле могут быть очень полезными для некоторых целей, но в общем случае их использование без дополнительных ухищрений не позволяет достигнуть измерений, ограниченных только уровнем дробового шума, с шумными лазерами.

 

  Устройство подавления шума лазера.

 

А. Принцип

Схемы вычитания в открытом цикле могут быть значительно улучшены в большинстве областей через использование отрицательной обратной связи вне пути сигала, для того чтобы непрерывно подстраивать согласование между двумя фототоками. Эта идея помогает создавать простые системы, которые достигают предела дробового шума без наладки с большинством лазеров; эти системы являются объектом анной работы.