CN113451882A - 一种激光稳频的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光稳频的方法及系统，对拍频信号信噪比的要求大大降低，在频率相差很大的范围内都可以实现锁定，提高了系统的抗干扰能力。方法包括：将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器经拍频光路进行拍频，通过光电探测器得到拍频信号作为待测信号；输入FFT激光频率锁定控制器；进行滤波、放大，进入限幅电路，再将模拟信号转换成为数字信号；将数字信号输入到FPGA，做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率比较得到误差信号，由数字比例‑积分控制方法处理获得数字频率激光调谐信号；通过高速数模转换板卡转换为模拟信号；通过偏置电路后作用于激光器PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器腔长，实现激光器的稳频控制。

Description

一种激光稳频的方法及系统
技术领域
本发明涉及激光稳频的技术领域，尤其涉及一种激光稳频的方法，以及一种激光稳频的系统。
背景技术
外腔半导体激光器(External Cavity Diode Laser,ECDL)由于具有体积小、效率高、使用寿命长、波长范围大且易于调节和调制等优点，自问世以来发展迅速，被广泛应用于光纤通信、光交换、光存储、光纤陀螺、光频标、计量检测等领域。近年来由于半导体激光器性能不断提升，成本与其他激光器相比更具有竞争力，使其在激光冷却与囚禁原子、原子惯性、原子频标、高分辨率激光光谱等前沿科学研究领域中的应用成为现实。这些应用中不仅要求半导体激光器窄线宽输出，而且更重要的是要求半导体激光器具有很高的频率稳定度，自由运转半导体激光器的频率稳定度仅能达到10-7左右，不能满足系统要求，所以需要设计主动稳频方法和系统来提高频率稳定度。
主动稳频技术是选定一个稳定的标准参考频率，当激光器受到外界影响时，激光频率会偏离标准频率，把偏离量测量出来，通过电学反馈系统来调节激光器的腔长，把激光的频率重新恢复到稳定的标准参考频率上，实现激光稳频。稳定的标准参考频率一般有两种：一种是通过隔振和精密控温的F-P标准具，使用相位调制光外差稳频技术，激光的线宽可以被很好的压缩，长期稳定性也能够得到很大的改善，但是激光频率的绝对值却很难得到；另外一种是使用原子分子的精细跃迁谱线，通过使用各种各样的稳频技术，激光器的长期稳定性可以得到改善，并且因为跃迁频率的绝对值已知，因此可以改善频率的准确度。根据这两种参考频率发展出来的常见的稳频方法主要有PDH稳频和Lock-in稳频，属于鉴相稳频。Lock-in稳频就是将一个小的调制信号加入到激光中，当激光频率变化时，通过鉴相的方式鉴别，再通过电学反馈系统反馈到激光器，实现激光的频率稳定。这种系统结构复杂，成本高。利用原子分子的精细跃迁谱线的稳频方法，只能采用特定的分子或原子的吸收谱线作为参考频率，仍然有很多应用中找不到这样一个合适的参考频率。此外，当想把激光器锁定到飞秒光梳上时，往往需要采用相位锁定的方式，这要求探测拍频的误差信号具有很高的信噪比，来满足预分频器件的输入要求。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种激光稳频的方法，其对拍频信号信噪比的要求大大降低，在频率相差很大的范围内都可以实现锁定，提高了系统的抗干扰能力。
本发明的技术方案是：这种激光稳频的方法，其包括以下步骤：
(1)将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器经拍频光路进行拍频，通过光电探测器探测得到拍频信号作为待测信号；
(2)将待测信号输入进入FFT激光频率锁定控制器；
(3)待测信号进行滤波；
(4)待测信号进行放大；
(5)待测信号，进入限幅电路，再进入模/数转换板卡，通过模/数转换卡，采集待测信号，将模拟信号转换成为数字信号；
(6)将数字信号输入到现场可编程门阵列FPGA中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法处理后，获得数字频率激光调谐信号；
(7)将获得的数字激光频率调谐信号通过高速数模转换板卡转换为模拟信号；
(8)将转换后的模拟信号通过偏置电路后，再作用于激光器的压电陶瓷PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制。
本发明采用飞秒光梳作为频率参考，通过对拍频信号进行快速数字采样，得到频率差的时域信号，再利用FPGA对时域信号进行FFT变换，寻找拍频的频率峰值，直接得到激光器相对于光梳梳齿的频率差，通过数字比例-积分控制方法实现频率的锁定，容易得到频率绝对值，而且光谱覆盖范围广，对拍频信号信噪比的要求大大降低，在频率相差很大的范围内都可以实现锁定，提高了系统的抗干扰能力。
还提供了一种激光稳频的系统，其包括：外腔半导体激光器、飞秒光学频率梳、拍频光路、计数频率单元、频率控制单元、上位机；
拍频光路将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器进行拍频，得到拍频信号；拍频信号分成两路：一路通过计数频率单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波后进入计数器，计数拍频信号的频率；另一路通过频率控制单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波、信号限幅后进入现场可编程门阵列FPGA中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法处理后，获得数字频率激光调谐信号，再转换为模拟信号，将转换后的模拟信号通过偏置电路作用于外腔半导体激光器的压电陶瓷PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制；
上位机与FPGA连接，设置采样率、采样点数、采样时间间隔、P和I的参数以及参考频率的值，显示信号的时域和频域图。
附图说明
图1是根据本发明的一种激光稳频系统的电学部分的结构示意图。
图2是根据本发明的飞秒光学频率梳和698nm外腔半导体激光器拍频光路示意图。
图3是根据本发明的一种激光稳频系统的结构框图。
图4是根据本发明的飞秒光学频率梳和698nm外腔半导体激光器拍频信号频谱图。
图5是根据本发明的与FPGA通信的上位机软件界面。
图6是根据本发明实施例中使用计数器测得的拍频信号的频率数据图。
图7是根据本发明对698nm外腔半导体激光器稳频后计算得出的阿伦方差图。
图8是根据本发明的一种激光稳频方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图8所示，这种激光稳频的方法，其包括以下步骤：
(1)将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器经拍频光路进行拍频，通过光电探测器探测得到拍频信号作为待测信号；
(2)将待测信号输入进入FFT激光频率锁定控制器；
(3)待测信号进行滤波；
(4)待测信号进行放大；
(5)待测信号，进入限幅电路，再进入模/数转换板卡(analog to digitalconverter，ADC)，通过模/数转换卡，采集待测信号，将模拟信号转换成为数字信号；
(6)将数字信号输入到现场可编程门阵列FPGA(Field－Programmable GateArray)中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换(Fast FourierTransformation，FFT)，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法(proportional-integral，PI)处理后，获得数字频率激光调谐信号；
(7)将获得的数字激光频率调谐信号通过高速数模转换板卡(digital to analogconverter，DAC)转换为模拟信号；
(8)将转换后的模拟信号通过偏置电路后，再作用于激光器的压电陶瓷的调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制。
本发明采用飞秒光梳作为频率参考，通过对拍频信号进行快速数字采样，得到频率差的时域信号，再利用FPGA对时域信号进行FFT变换，寻找拍频的频率峰值，直接得到激光器相对于光梳梳齿的频率差，通过数字比例-积分控制方法实现频率的锁定，容易得到频率绝对值，而且光谱覆盖范围广，对拍频信号信噪比的要求大大降低，在频率相差很大的范围内都可以实现锁定，提高了系统的抗干扰能力。
优选地，所述步骤(3)中待测信号通过一个低通滤波器进行滤波。
优选地，所述步骤(4)中待测信号通过两个低噪声功率放大器进行信号放大。
优选地，所述步骤(4)之后执行：放大后的待测信号再次通过一个低通滤波器进行滤波。
优选地，经过信号滤波、信号放大、信号滤波的拍频信号进入计数器，计数拍频信号的频率，得到稳定后的拍频信号的频率数据。
优选地，所述步骤(6)中，所述FPGA通过RS232转USB串口和上位机通信，在上位机软件中设置采样率、采样点数、采样时间间隔、P和I的参数以及参考频率的值，并显示信号的时域和频域图。
如图3所示，还提供了一种激光稳频的系统，其包括：外腔半导体激光器、飞秒光学频率梳、拍频光路、计数频率单元、频率控制单元、上位机；
拍频光路将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器进行拍频，得到拍频信号；拍频信号分成两路：一路通过计数频率单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波后进入计数器，计数拍频信号的频率；另一路通过频率控制单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波、信号限幅后进入现场可编程门阵列FPGA中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法处理后，获得数字频率激光调谐信号，再转换为模拟信号，将转换后的模拟信号通过偏置电路作用于外腔半导体激光器的压电陶瓷PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制；
上位机与FPGA连接，设置采样率、采样点数、采样时间间隔、P和I的参数以及参考频率的值，显示信号的时域和频域图。
优选地，所述外腔半导体激光器作为待稳频激光器，出射的光为线偏振光，所述飞秒光学频率梳经过光子晶体光纤扩谱后输出的最大频谱范围为600-1000nm。
优选地，所述拍频光路由半波片、偏振分光棱镜PBS、光栅、透镜、反射镜组成，用于将飞秒光学频率梳和外腔半导体激光器进行拍频，产生拍频信号，通过光电探测器探测飞秒光学频率梳和外腔半导体激光器的拍频信号，将光信号转换为电信号。
另外，所述的低噪声功率放大器能将信号放大20-23dB。
优选地，信号限幅是由四个开光二极管1N4148首尾连接构成二极管双向限幅电路，将输入信号的幅度限制在-2V～2V。
模/数转换板卡、数/模转换板卡，可以选用altera公司的DAD转换卡，转换卡的接口是HSMC接口，以便于和FPGA板卡进行高速连接。AD转换芯片型号为AD9254，AD和DA数据转换位宽为14bit，AD采样时钟可达130MHz，AD和DA的时钟可以是板载SMA接口输入或者HSMC接口输入。原AD、DA转换卡上输出信号被滤掉直流信号，经过对DA输出电路的修改，使其输出直流信号，DA转换芯片型号为DAC5672，原DA芯片的位宽为14bit，能够输出正负电压，电路修改后只输出正电压，位宽只能用13bit，DA转换数字量范围为0～8192，DA输出电压范围为0～500mv。
FPGA板卡可以选用Altera公司的一款Cyclone V开发板，有丰富的片上资源，开发板支持HSMC接口，可以通过该接口接收AD数据和发送DA数据，满足设计需要。在利用FFT计算信号频率时由于选择的FFT点数比较多(最大为8k点)，对DSP块要求比较高，该FPGA开发板包含较多DSP块，该开发板可以通过RS232转USB串口和上位机通信。
偏置电路为一个减法电路，模拟反馈电压减去一个参考电压实现偏置，偏置电压(参考电压)通过电阻分压得到。对模拟反馈信号进行偏置和放大处理。DAC板卡输出的模拟反馈信号为0～500mv，通过偏置电路对信号进行偏置，通过旋钮变阻器控制偏置电压，偏置后信号的输出范围为-250mv～250mv。
上位机用于通过RS232转USB串口和FPGA板卡通信。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明中使用的是德国MenloSystems的一套飞秒光学频率梳1和Topitica DLpro系列的698nm外腔半导体激光器11，首先飞秒光学频率梳1和698nm的外腔半导体激光器11通过如图2所示的光路进行拍频，图中虚线是空间光传输，实线是保偏光纤传输。外腔半导体激光器11输出的是空间光，先把激光耦合进光纤中，通过光纤把激光传输到拍频光路中。激光输出经过反射镜12转90°后，再经过反射镜13转90°。经过半波片14，目的是为了调整激光的偏振方向，保证激光在保偏光纤中传输时，与光纤的快慢轴重合，这样当光纤受到外界扰动时，不会引起激光的输出功率抖动。然后经过准直器15进入保偏光纤，由空间光传输转换为光纤传输。通过调节两个反射镜13、14，和准直器15的焦距，将激光耦合进入保偏光纤。激光经过保偏光纤传输后，经过准直器16，转换成了空间光传输，再经过半波片17，调整光的偏振方向，调整激光进入偏振分光棱镜和光梳拍频的功率，通过反射镜18，激光进入偏振分光棱镜4。光梳的光从PCF扩谱出来后，经过半波片2，经过反射镜3，光梳的光也进入到了偏振分光棱镜4中，光梳中的P光分量和激光的S光分量通过偏振分光棱镜4，合束后的光通过半波片5，合束的光中的P光分量通过偏振分光棱镜6后打到光栅7上，经过透镜8(f＝500mm)，经过反射镜9进入APD10中，得到拍频信号如图4所示，调节拍频信号的频率在20MHz。如图3这个拍频信号作为待测信号，分成两路，一路经过信号滤波、信号放大、信号滤波进入计数器中，用于计数拍频信号的频率值，计算激光器的频率稳定度。另一路进入基于现场可编程门阵列的数字化激光稳频系统，先经过低通滤波器进行滤波，进入低噪声功率放大器放大，再通过低通滤波器滤波，进入限幅电路，将信号的峰峰值限制在-2V～+2V，进入ADC板卡，将模拟信号转换为数字信号，通过HSMC高速串口输入到FPGA中，使用的是Altera的Cyclone V系列，在FPGA中，对输入的数字信号，做FFT变换，找到最大的频率值，与FPGA产生的标准20MHz时钟信号比较，得到误差信号，通过PI控制程序处理后，获得数字频率调谐信号，输出到DAC板卡中，将数字频率调谐信号转换为模拟频率调谐信号，通过信号偏置电路板，信号偏置电路用来调节DAC板卡自身输出带有的偏置，模拟频率调谐信号反馈到698nm外腔半导体激光器的压电陶瓷控制端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现对698nm外腔半导体激光器的稳频。在实验中，FPGA通过RS232转USB串口可以和上位机通信，如图5所示通过上位机软件设置采样率100MHz，采样长度8192，采样间隔为1ms，设置P增益0.00008，I增益0.0008，参考频率20MHz，然后对拍频信号进行锁定，将拍频信号锁定在了20MHz，实现了对激光器的稳频。
通过计数器对飞秒光学频率梳和698nm外腔半导体激光器的拍频信号计数，如图6所示每秒计一个点，一共计约40000个点，得到的稳定后的拍频信号的频率数据。利用Python编写计算激光器频率稳定度程序，由该程序计算得到的698nm的频率稳定度。如图7所示，是对得到的数据进行Allan偏差分析的结果，可以看出激光频率的秒稳约3.6×10-11。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
(1)本发明采用飞秒光梳作为频率参考，解决的第一个问题是传统的基于参考腔的稳频方法，采用相位调制光外差技术，频率的绝对值很难得到，解决的第二个问题是利用原子分子的精细跃迁谱线的稳频方法，只能采用特定的分子或原子的吸收谱线作为参考频率，仍然有很多应用中找不到这样一个合适的参考频率。因为光梳每个梳齿的频率可以准确知道，而且光谱覆盖范围也很广。
(2)本发明提出的稳频系统保留了光梳作为频率参考时频率绝对值易得和光谱覆盖范围广的特点，但是消除了相位锁定要求拍频信噪比高的缺点，通过对拍频信号进行快速数字采样，得到频率差的时域信号，再利用FPGA对时域信号进行FFT变换，寻找拍频的频率峰值，直接得到激光器相对于光梳梳齿的频率差，通过数字PID算法实现频率的锁定。
(3)本发明通过数值算法寻找频率峰值对拍频信号信噪比的要求大大降低，在频率相差很大的范围内都可以实现锁定，因此也提高了系统的抗干扰能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光稳频的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器经拍频光路进行拍频，通过光电探测器探测得到拍频信号作为待测信号；
(2)将待测信号输入进入FFT激光频率锁定控制器；
(3)待测信号进行滤波；
(4)待测信号进行放大；
(5)待测信号，进入限幅电路，再进入模/数转换板卡，通过模/数转换卡，采集待测信号，将模拟信号转换成为数字信号；
(6)将数字信号输入到现场可编程门阵列FPGA中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法处理后，获得数字频率激光调谐信号；
(7)将获得的数字激光频率调谐信号通过高速数模转换板卡转换为模拟信号；
(8)将转换后的模拟信号通过偏置电路后，再作用于激光器的压电陶瓷PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制。
2.根据权利要求1所述的激光稳频的方法，其特征在于：所述步骤(3)中待测信号通过一个低通滤波器进行滤波。
3.根据权利要求2所述的激光稳频的方法，其特征在于：所述步骤(4)中待测信号通过两个低噪声功率放大器进行信号放大。
4.根据权利要求3所述的激光稳频的方法，其特征在于：所述步骤(4)之后执行：放大后的待测信号再次通过一个低通滤波器进行滤波。
5.根据权利要求4所述的激光稳频的方法，其特征在于：经过信号滤波、信号放大、信号滤波的拍频信号进入计数器，计数拍频信号的频率，得到稳定后的拍频信号的频率数据。
6.根据权利要求5所述的激光稳频的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，所述FPGA通过RS232转USB串口和上位机通信，在上位机软件中设置采样率、采样点数、采样时间间隔、P和I的参数以及参考频率的值，并显示信号的时域和频域图。
7.一种激光稳频的系统，其特征在于：其包括：外腔半导体激光器、飞秒光学频率梳、拍频光路、计数频率单元、频率控制单元、上位机；
拍频光路将飞秒光梳和待稳频的外腔半导体激光器进行拍频，得到拍频信号；拍频信号分成两路：一路通过计数频率单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波后进入计数器，计数拍频信号的频率；另一路通过频率控制单元进行信号滤波、信号放大、信号滤波、信号限幅后进入现场可编程门阵列FPGA中，在FPGA中，通过对输入的数字信号做快速傅里叶变换，在频率域内找到频率的最大值，与标准参考频率进行比较，得到误差信号，误差信号经由数字比例-积分控制方法处理后，获得数字频率激光调谐信号，再转换为模拟信号，将转换后的模拟信号通过偏置电路作用于外腔半导体激光器的压电陶瓷PZT调谐端口，调节外腔半导体激光器的腔长，实现激光器的稳频控制；
上位机与FPGA连接，设置采样率、采样点数、采样时间间隔、P和I的参数以及参考频率的值，显示信号的时域和频域图。
8.根据权利要求7所述的激光稳频的系统，其特征在于：所述外腔半导体激光器出射的光为线偏振光，所述飞秒光学频率梳经过光子晶体光纤扩谱后输出的最大频谱范围为600-1000nm。
9.根据权利要求8所述的激光稳频的系统，其特征在于：所述拍频光路由半波片、偏振分光棱镜PBS、光栅、透镜、反射镜组成，用于将飞秒光学频率梳和外腔半导体激光器进行拍频，产生拍频信号，通过光电探测器探测飞秒光学频率梳和外腔半导体激光器的拍频信号，将光信号转换为电信号。
10.根据权利要求9所述的激光稳频的方法，其特征在于：信号限幅是由四个开光二极管1N4148首尾连接构成二极管双向限幅电路，将输入信号的幅度限制在-2V～2V。
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