CN103579896A - 无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统 - Google Patents

无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统 Download PDF

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无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，包括激光源、MCU控制器、DDS射频信号源、电光调制器、参考腔、光电探测器、选频放大网络、混频器、低通滤波器、A/D、D/A转换器、DSP处理器、开关模块和PZT驱动电路。系统有两种工作模式，由DSP处理器选择工作模式，由开关模块切换DDS射频信号源输出的射频参考信号中的一种或经调理的光电探测器输出的频率漂移信号进入混频器；DDS射频信号源产生两路正交射频参考信号，分别与开关模块选择的信号进行混频，经采集后在DSP处理器中进行相敏检波和控制策略运算，达到稳频效果。本发明提高了稳频精度，实现了激光全自动跟踪锁定。

Description

无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统
技术领域
本发明属于激光稳频系统技术领域，涉及一种无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统。
背景技术
Pound-Drever-Hall稳频方法由于其系统抗干扰能力强，不易失锁，稳定度高，不受波长限制等优点而广泛应用于窄线宽激光器稳频系统中。该方法的原理是：激光器输出光束经电光调制器进行相位调制后垂直入射到F-P参考腔，其反射光在光电探测器上进行拍频。若激光频率等于参考腔谐振频率，拍频输出为零；反之，则有拍频电流输出。将射频参考信号经过一定的相移后，与拍频信号在平衡混频器内混频解调，得到色散型鉴频特性信号。它通过伺服系统，控制激光器固定在一端反射镜上的压电陶瓷，调节激光器腔长，使激光频率的偏移量回复到零，从而将激光频率锁定在参考腔谐振频率上，实现稳频。
目前的Pound-Drever-Hall稳频系统中都是把射频参考信号进行移相，与拍频信号混频。移相是利用移相器来实现的。模拟移相器在入射激光频率发生漂移时，需要手动调节移相器的同时观察示波器，当混频器输出出现峰值时确定相移大小。该方法基于人眼观察和手动调整，因此误差较大；数字移相器需要在系统中加入相位检测和移相控制单元，增加了系统的复杂性，同时，增加的单元本身不可避免的引入了相位误差，降低了系统的稳频精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，结构简单，稳频精度高。
本发明的技术方案是，无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，包括激光源和MCU控制器，激光源输出的激光经过光隔离器进入电光调制器进行相位调制，经过偏振分束器和四分之一波片垂直入射到参考腔，参考腔的反射光再次经过四分之一波片和偏振分束器进入光电探测器进行拍频；MCU控制器控制DDS射频信号源产生两种正交射频参考信号；拍频信号和两种正交射频参考信号中的一种经过开关模块进入选频放大网络，经过选频放大后的信号在混频器与DDS射频信号源产生的两种正交射频参考信号进行混频，混频器的输出信号经低通滤波器进行滤波，AD转换器将经过滤波的信号送入DSP处理器计算相移并进行控制策略运算，再经过DA转换器变为直流量送入PZT驱动电路进行放大处理，放大后的驱动信号加在与激光源粘在一起的压电陶瓷上，使激光源的光束锁定到参考腔的谐振频率上。
本发明的特点还在于：
DSP处理器通过相敏检波算法来计算相移。
DDS产生的两路正交射频参考信号中，其中一路正交射频参考信号为电光调制器提供相位调制需要的射频输入；同时两路正交射频参考信号都作为参考信号参与相敏检波算法。
驱动电路为电光调制器提供驱动电压。
在刻度模式下，开关模块把DDS射频信号源产生的正交射频参考信号中的一种送入选频放大网络中；在稳频模式下，开关模块把拍频信号送入选频放大网络中，工作模式由DSP处理器控制。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明激光稳频系统减少了硬件个数，简化了结构，克服了移相器带来的硬件误差和系统引入误差，提高了稳频精度。
2、本发明用软件算法即相敏检波算法，减小了测量和计算误差，实现了全自动跟踪锁定。
3、本发明设置工作模式选择模块，采用不同的工作模式，可精确测量激光频率偏移。
附图说明
图1为本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统结构示意图；
图2为本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统工作模式选择原理图；
图3为本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统射频参考信号产生原理图；
图4为本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统刻度模式工作原理图；
图5为本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统稳频模式工作原理图。
图中包括，1.激光源，2.光隔离器，3.电光调制器，4.驱动电路，5.MCU控制器，6.DDS射频信号源，7.偏振分束器，8.四分之一波片，9.参考腔，10.光电探测器，11.开关模块，12.选频放大网络，13.双通道混频器，14.双通道低通滤波器，15.AD转换器，16.DSP处理器，17.DA转换器，18.PZT驱动电路，19.压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，参见图1，包括激光源1，激光源1与光隔离器2相连，电光调制器3与光隔离器2、驱动电路4和偏振分束器7相连，MCU控制器5与DDS射频信号源6相连，DDS射频信号源6与驱动电路4、双通道混频器13和开关模块11相连，偏振分束器7与四分之一波片8和光电探测器10相连，四分之一波片8的输出与参考腔9相连，光电探测器10与开关模块11相连，开关模块11与选频放大网络12和DSP处理器16相连，选频放大网络12与双通道混频器13相连。双通道混频器13与双通道低通滤波器14相连，双通道低通滤波器14与AD转换器15相连，AD转换器15与DSP处理器16相连，DSP处理器16与DA转换器17和开关模块11相连，DA转换器17与PZT驱动电路18相连，PZT驱动电路18与压电陶瓷19相连，压电陶瓷19粘在激光源1上。
激光源1输出的激光经过光隔离器2进入电光调制器3进行相位调制。驱动电路4为电光调制器3提供工作电压。相位调制需要的射频输入由DDS射频信号源6提供。MCU控制器5控制DDS射频信号源6产生出任意用户需要的相位和频率的两种正交射频参考信号。经过相位调制的激光进入偏振分束器7和四分之一波片8，垂直入射到参考腔9上，参考腔9的反射光再次经过四分之一波片8和偏振分束器7进入光电探测器10中，进行拍频。拍频信号和由DDS射频信号源6产生的两种正交射频参考信号中的一种共同送入开关模块11。在刻度模式下，开关模块11把DDS射频信号源6产生的正交射频参考信号中的一种送入选频放大网络12中；在稳频模式下，开关模块11把拍频信号送入选频放大网络12中。工作模式由DSP处理器16控制。本发明无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统工作模式选择原理参见图2。经过选频放大后的信号送入双通道混频器13中，分别与DDS射频信号源6产生的两种正交射频参考信号进行混频，双通道混频器13的输出送入双通道低通滤波器14，AD转换器15采集双通道低通滤波器14输出的信号，送入DSP处理器16进行相敏检波和控制策略运算，输出经过DA转换器17变为直流量送入PZT驱动电路18进行放大处理，放大后的驱动信号加在与激光源1粘在一起的压电陶瓷19上。调节激光源1的腔长，使得激光源1的光束锁定到参考腔9的某一谐振频率上。
本发明不需要移相器，即可实现光频差自动跟踪检测和校正。
本发明激光稳频系统具有两种工作模式：刻度模式和稳频模式。系统首先在刻度模式下工作。由DSP控制器16发出刻度指令，开关模块11中的模拟开关把DDS射频信号源6产生的正交射频参考信号中的一种送入选频放大网络12中，经过放大后进入双通道混频器13，分别与DDS射频信号源6产生的两种正交射频参考信号进行混频，经过低通滤波后的直流信号经过AD转换器15变为数字信号，在DSP处理器16中进行相敏检波算法，运算结果存入相应寄存器中。间隔一定时间后，DSP控制器16发出稳频指令。此时，系统进入稳频模式下工作。开关模块11中的模拟开关把光电探测器10输出的拍频信号送入选频放大网络12中，经过选频放大后进入双通道混频器13，分别与DDS射频信号源6产生的两种正交射频参考信号进行混频，经过低通滤波后的直流信号经过AD转换器15变为数字信号，在DSP处理器16中进行相敏检波算法，运算结果存入相应寄存器中。在DSP处理器16中把两种工作模式下的计算结果进行运算，扣除刻度模式下的系统相移误差，再进行控制策略运算，把频率漂移信息送入DA转换器17中。经过DA转换的模拟量即为调节激光源1腔长的控制量。该控制量经过PZT驱动电路18进行放大，加在与激光源1粘在一起的压电陶瓷19上，对激光源1进行腔长调节，调整激光源1的光束频率，使其锁定在参考腔9的谐振频率上。
射频参考信号产生原理参见图3。
DDS射频信号源6为DDS芯片AD9854，可输出两种正交射频参考信号。
DSP处理器16通过相敏检波算法来计算相移。
双通道混频器为AD公司芯片AD539。
DDS射频信号源6产生的两路正交射频参考信号中，其中一路为电光调制器3提供相位调制需要的射频输入；同时两路都要作为参考信号参与相敏检波算法。
驱动电路为电光调制器3提供驱动电压。
MCU控制器5和DDS射频信号源6各有其电源模块，均提供3.3V工作电压，各有其晶振，设置各自的工作频率。其中，DDS射频信号源6使用恒温晶振，提供稳定的频率基准。MCU控制器5的P0口和P1口与DDS射频信号源6的数据端、地址端和读写控制端相连，设定用户所需信号的频率和相位。DDS射频信号源6的输出端与系统其他有关模块相连。具体连接方式参见图3。
刻度模式工作原理参见图4，在刻度模式下，来自DDS射频信号源6的正交射频参考信号SIN和COS与DDS射频信号源6输出的SIN信号在双通道混频器13中进行混频，通过双通道低通滤波器14提取刻度信号的两个分量P1和Q1，AD转换器15对这两个分量进行采样，送入DSP处理器16中进行相敏检波算法和控制策略运算。
稳频模式工作原理参见图5，在稳频模式下，来自DDS射频信号源6的正交射频参考信号SIN和COS与光电探测器10探测到的频率漂移信号在双通道混频器13中进行混频，通过双通道低通滤波器14提取频率漂移信号的两个分量P2和Q2，AD转换器15对这两个分量进行采样，送入DSP处理器16中进行相敏检波算法和控制策略运算。

Claims (5)

1.无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于：包括激光源（1）和MCU控制器（5），激光源（1）输出的激光经过光隔离器（2）进入电光调制器（3）进行相位调制后，经过偏振分束器（7）和四分之一波片（8）垂直入射到参考腔（9），参考腔（9）的反射光再次经过四分之一波片（8）和偏振分束器（7）进入光电探测器（10）进行拍频；MCU控制器（5）控制DDS射频信号源（6）产生两种正交射频参考信号；拍频信号和两种正交射频参考信号中的一种经过开关模块（11）进入选频放大网络（12），经过选频放大后的信号在双通道混频器（13）与DDS射频信号源（6）产生的两种正交射频参考信号进行混频，混频器的输出信号经双通道低通滤波器（14）进行滤波，AD转换器（15）将经过滤波的信号送入DSP处理器（16）计算相移并进行控制策略运算，再经过DA转换器（17）变为直流量送入PZT驱动电路（18）进行放大处理，放大后的驱动信号加在与激光源（1）粘在一起的压电陶瓷（19）上，使激光源（1）的光束锁定到参考腔（9）的谐振频率上。
2.如权利要求1所述的无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于：DSP处理器（16）通过相敏检波算法来计算相移。
3.如权利要求1或2所述的无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于：DDS射频信号源（6）产生的两路正交射频参考信号中，其中一路正交射频参考信号为电光调制器（3）提供相位调制需要的射频输入；同时，两路正交射频参考信号都要作为参考信号参与相敏检波算法。
4.如权利要求3所述的无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于：驱动电路（4）为电光调制器（3）提供驱动电压。
5.如权利要求4所述的无移相器Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于：在刻度模式下，所述开关模块（11）把DDS射频信号源（6）产生的正交射频参考信号送入选频放大网络（12）中；在稳频模式下，所述开关模块（11）把拍频信号送入选频放大网络（12）中，工作模式由DSP处理器（16）控制。
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