CN101719628B - 便携式半导体激光稳频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种便携式半导体激光稳频器,包括分别设置在一个模块内的印刷电路板上的正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元;正弦信号源单元用于通过晶体振荡器及分频滤波产生谐波抑制比为65dB以上的正弦信号,其中一部分用作半导体激光器的调制信号;相位移动单元,与正弦信号源单元连接,用于将正弦信号源单元生成的正弦信号经过相位调整、滤波和放大之后,生成参考信号;频率检测单元,与相位移动单元连接,用于将接收自光电探测器的信号经过滤波放大后与所述相位移动单元生成的参考信号相乘,获得误差信号,并将误差信号反馈给半导体激光器。本发明提供的便携式半导体激光稳频器集成度高,便于携带,成本低。

Description

便携式半导体激光稳频器
技术领域
本发明实施例涉及激光技术领域,尤其涉及一种便携式半导体激光稳频器。
背景技术
激光稳频技术是现代科学发展中的一项重要技术,其原理是利用原子或分子波谱谱线极稳定的中心频率作为参考的标准频率,来矫正或锁定激光输出的频率。
用于实现激光稳频的技术有调制稳频(Modulation Stabilization)、边带稳频(Side-lock Stabilization)以及双模稳频(Two-mode Stabilization)等。与其他稳频技术相比,调制稳频具有高精度、高稳定度、电路易实现等优点。调制稳频具体包括一次微分稳频、三次微分稳频、五次微分稳频等,其中,一次微分稳频的电路结构最为简单,也可以满足大部分激光的应用要求。
如图1所示为现有技术中一次微分稳频的系统结构示意图。半导体激光器1产生的激光经过稳频光学系统后获得窄线宽的光信号,光电探测器2将窄线宽的光信号转换成电信号。稳频电路3包括信号发生器4和锁相放大器5。信号发生器4产生的信号,一部分对半导体激光器1进行调制,另一部分作为锁相放大器5的参考信号。锁相放大器5将光电探测器2输出的信号与信号发生器4产生的一部分信号参考信号鉴相,鉴相输出的误差信号经比例积分(Proportion Integral,简称PI)调节器6后反馈回半导体激光器1,实现对半导体激光器1输出激光频率的锁定。
在实现本发明过程中,发明人发现现有技术中至少存在如下问题:
现有技术中的一次微分稳频的系统采用商用的信号发生器和锁相放大器,信号发生器和锁相放大器是两个独立的设备,集成度低,不便于携带。
另外,现有技术中的信号发生器、锁相放大器都是现成的商用设备,成本高。
发明内容
本发明实施例提供一种便携式半导体激光稳频器,用以解决现有技术中一次微分稳频系统的集成度低、不便于携带以及成本高的问题。
为了解决上述问题,本发明实施例提供了一种便携式半导体激光稳频器,包括分别设置在一个模块内的印刷电路板上的正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元;
所述正弦信号源单元用于通过晶体振荡器及分频滤波产生谐波抑制比为65dB以上的正弦信号,其中一部分用作半导体激光器的调制信号;
所述相位移动单元,与所述正弦信号源单元连接,用于将所述正弦信号源单元生成的正弦信号经过相位调整、滤波和放大之后,生成参考信号;
所述频率检测单元,与所述相位移动单元连接,用于将接收自光电探测器的信号经过滤波放大后与所述相位移动单元生成的参考信号相乘,获得误差信号,并将所述误差信号反馈给半导体激光器。。
本发明提供的便携式半导体激光稳频器,将正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元集成在一个模块内的印刷电路板上,这样只通过一个模块就可以生成用于将锁定激光器输出频率的误差信号,这种便携式半导体激光稳频器集成度高,便于携带,成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为现有技术中一次微分稳频的系统结构示意图;
图2所示为本发明便携式半导体激光稳频器的结构示意图;
图3所示为采用本发明便携式半导体激光稳频器的稳频结构图;
图4所示为本发明便携式半导体激光稳频器实施例一的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图2所示为本发明便携式半导体激光稳频器的结构示意图,该便携式半导体激光稳频器7包括分别设置在一个模块内的印刷电路板(Printed CircuitBoard,简称PCB)上的正弦信号源单元11、相位移动单元12和频率检测单元13。其中,正弦信号源单元11用于通过晶体振荡器及分频滤波产生谐波抑制比为65dB以上的正弦信号,其中一部分用作半导体激光器的调制信号。相位移动单元12,与正弦信号源单元11连接,用于将正弦信号源单元11生成的正弦信号经过相位调整、滤波和放大之后,生成参考信号。频率检测单元13,与相位移动单元12连接,用于将接收自光电探测器的信号经过滤波放大后与相位移动单元12生成的参考信号相乘,获得误差信号,并将误差信号反馈给半导体激光器。
如图3所示为采用本发明便携式半导体激光稳频器的稳频结构图,下面结合图2和图3说明本发明便携式半导体激光稳频器的工作原理。
正弦信号源单元11生成的正弦信号,一部分是调制信号,该调制信号用于调制激光器的输出频率,另一部分用于生成参考信号。相位移动单元12将正弦信号源单元11生成的正弦信号经过相位调整、滤波和放大之后,生成参考信号。频率检测单元13将参考信号和接收自光电探测器的信号相乘,获得误差信号。该误差信号通过比例积分调节器6反馈给半导体激光器1,半导体激光器1可以采用该误差信号调整输出的激光频率,使得半导体激光器输出的激光频率稳定在一个很小的范围内。
本发明提供的便携式半导体激光稳频器,将正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元集成在一个模块内的印刷电路板上,这样只通过一个模块就可以生成用于稳频的误差信号,这种便携式半导体激光稳频器集成度高,便于携带,成本低。
如图4所示为本发明便携式半导体激光稳频器实施例一的结构示意图,其中,正弦信号源单元11包括晶体振荡器111、分频电路112和两级窄带带通滤波器113。晶体振荡器111用于生成时钟信号。分频电路112与晶体振荡器111连接,用于将晶体振荡器111生成的时钟信号转换成方波信号。两级窄带带通滤波器113与分频电路112连接,用于将分频电路112转换成的方波信号转换成谐波抑制比为65dB以上的正弦信号。
例如,晶体振荡器可以生成6MHz的时钟信号,经过分频电路之后,该时钟信号变成2.5KHz的方波信号。分频电路可以是多级分频装置。两级窄带带通滤波器将2.5KHz的方波信号转换成高谐波抑制比的正弦信号,例如谐波抑制比为65dB以上的正弦信号。窄带带通滤波器可以是双二次带通滤波器,两级窄带带通滤波器中的一级滤波器的Q值可以设置成100,两级双二次带通滤波器可以保证输出的正弦信号的谐波抑制比在65dB以上。
相位移动单元12包括相位粗调电路121、双二次全通滤波器122和第一反向放大器123。相位粗调电路121与正弦信号源单元11中的两级窄带带通滤波器113连接,用于将正弦信号源单元11生成的正弦信号的相位进行粗调。双二次全通滤波器122与相位粗调电路121连接,用于将经过相位粗调电路121相位粗调之后的正弦信号进行双二次全通滤波。第一反向放大器123与双二次全通滤波器122连接,用于将经过双二次全通滤波器122滤波之后的信号进行反向放大,生成参考信号。
相位移动单元12的工作原理是:相位粗调电路121接收正弦信号源单元11中的两级窄带带通滤波器113生成的正弦信号,将该正弦信号的相位进行粗调,该相位粗调电路121可以是能够对正弦信号的相位进行0-360度选档调整的电路,例如,该相位粗调电路121可以设置为90度/档。双二次全通滤波器122将相位粗调之后的信号进行双二次全通滤波。第一反向放大器123再将经过双二次全通滤波器122之后的信号放大。通过上述的相位粗调电路121、双二次全通滤波器122和第一反向放大器123之后,可以保证生成的参考信号的谐波抑制比在65dB以上。
频率检测单元13包括放大电路131、第一带通滤波器132、第二反向放大器133和乘法器134。其中,放大电路131用于将接收自光电探测器的信号放大。第一带通滤波器132与放大电路131连接,用于将放大电路131放大后的信号进行带通滤波。该第一带通滤波器132可以包括一级高通滤波器和一级低通滤波器。第二反向放大器133与第一带通滤波器132连接,用于将经过第一带通滤波器132进行带通滤波之后的信号进行反向放大。乘法器134分别与第二反向放大器133和相位移动单元12中的第一反向放大器123连接,用于将第二反向放大器133放大之后的信号与相位移动单元12生成的参考信号相乘,获得误差信号,并将该误差信号反馈给半导体激光器。乘法器可以选用AD630芯片。
频率检测单元13还可以包括比较器135,该比较器135分别与乘法器134和相位移动单元12中的第一反向放大器123连接,用于将相位移动单元12生成的参考信号转换成方波后发送给乘法器134。
频率检测单元13还可以包括低通滤波器136和第三反向放大器137。其中,低通滤波器136与乘法器134连接,用于将乘法器134生成的误差信号进行低通滤波。第三反向放大器137与低通滤波器136连接,用于将经过低通滤波器136进行低通滤波之后的信号进行反向放大,并将反向放大后的信号反馈给半导体激光器。
频率检测单元13的工作原理是:放大电路131将接受自光电探测器的信号放大。第一带通滤波器132将放大电路131放大之后的信号进行带通滤波,第二反向放大器133将带通滤波之后的信号进行反向放大。相位移动单元12生成的参考信号经过比较器135后被转换为方波信号,该方波信号被输入到乘法器134。乘法器134将第二反向放大器133放大之后的信号和转换成的方波信号相乘,获得用于稳频的误差信号。乘法器134获得误差信号后可以通过低通滤波器136将误差信号进行低通滤波,低通滤波之后的误差信号被发送给第三反向放大器137进行反向放大,反向放大之后的信号被发送给半导体激光器进行稳频。发送给半导体激光器的信号的幅值可以通过调整第三反向放大器137的增益来调节。反馈给半导体激光器的信号可以经过比例积分调节器处理后再反馈给半导体激光器。
图4中,频率检测单元13还可以包括饱和检测电路138,该饱和检测电路138与放大电路131连接,用于检测放大电路131放大之前或之后的信号的幅值是否超过预设幅值,如果放大电路131放大之前或之后的信号的幅值超过预设幅值,则通过指示设备发出信号幅值超过预设幅值的信息。例如,可以通过一个指示灯来发出指示幅值超过预设幅值的信息。
如图4所示的实施例中,正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元集成在一个模块内的印刷电路板上,这里印刷电路板的尺寸较小,这样便携式半导体激光稳频器的体积就可以做到很小,集成度高,便于携带。
另外,现有技术中的信号发生器、锁相放大器都是现成的商用设备,成本高。图4所示的实施例中,正弦信号源单元由晶体振荡器、分频电路和两级窄带带通滤波器这些电子学领域常用的电子器件组成,频率检测单元由放大电路、第一带通滤波器、第二反向放大器、乘法器等这些电子学领域常用的电子器件组成,相位移动单元由相位粗调电路、双二次全通滤波器、第一反向放大器等电子学领域常用的电子器件组成,这些电子器件的成本都较低,所以与现有技术中的激光稳频电路相比,图4所示的实施例中的便携式半导体激光稳频器的成本较低。
图4所示的实施例中,频率检测单元中的第一带通滤波器的带宽可以设置在1~2KHz,这种带宽较佳地适用于半导体激光器稳频,这样既不会因为带宽过窄而造成接收自光电探测器的信号的有效频谱成分丢失,提高了激光稳频的稳定度,同时又因为在输入到乘法器之前对接收自光电探测器的信号进行了带通滤波,提高了激光稳频的抗干扰能力。低通滤波器的截止频率可以设置在5~20Hz,这样可以保证便携式半导体激光稳频器的长期锁定能力。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种便携式半导体激光稳频器,其特征在于,包括分别设置在一个模块内的印刷电路板上的正弦信号源单元、相位移动单元和频率检测单元;
所述正弦信号源单元用于通过晶体振荡器及分频滤波产生谐波抑制比为65dB以上的正弦信号,其中一部分用作半导体激光器的调制信号;
所述相位移动单元,与所述正弦信号源单元连接,用于将所述正弦信号源单元生成的正弦信号经过相位调整、滤波和放大之后,生成参考信号;
所述频率检测单元,与所述相位移动单元连接,用于将接收自光电探测器的信号经过滤波放大后与所述相位移动单元生成的参考信号相乘,获得误差信号,并将所述误差信号反馈给半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述正弦信号源单元包括:
晶体振荡器,用于生成时钟信号;
分频电路,与所述晶体振荡器连接,用于将所述晶体振荡器生成的时钟信号转换成方波信号;
两级窄带带通滤波器,与所述分频电路连接,用于将所述分频电路转换成的方波信号转换成谐波抑制比为65dB以上的正弦信号。
3.根据权利要求2所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述两级窄带带通滤波器为两级双二次带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述相位移动单元包括:
相位粗调电路,与所述正弦信号源单元连接,用于将所述正弦信号源单元生成的正弦信号的相位进行粗调;
双二次全通滤波器,与所述相位粗调电路连接,用于将经过所述相位粗调电路相位粗调之后的正弦信号进行双二次全通滤波;
第一反向放大器,与所述双二次全通滤波器连接,用于将经过所述双二次全通滤波器滤波之后的信号进行反向放大,生成所述参考信号。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述频率检测单元包括:
放大电路,用于将接收自光电探测器的信号放大;
第一带通滤波器,与所述放大电路连接,用于将所述放大电路放大后的信号进行带通滤波;
第二反向放大器,与所述第一带通滤波器连接,用于将经过所述第一带通滤波器进行带通滤波之后的信号进行反向放大;
乘法器,与所述第二反向放大器连接,并通过比较器与所述相位移动单元连接,用于将所述第二反向放大器放大之后的信号与所述相位移动单元生成的参考信号相乘,获得误差信号;
所述比较器与所述相位移动单元连接,用于将所述相位移动单元生成的参考信号转换成方波信号后发送给所述乘法器。
6.根据权利要求5所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述频率检测单元还包括:
低通滤波器,与所述乘法器连接,用于将所述乘法器生成的误差信号进行低通滤波;
第三反向放大器,与所述低通滤波器连接,用于将经过所述低通滤波器进行低通滤波之后的信号进行反向放大,并将反向放大后的信号反馈给半导体激光器。
7.根据权利要求6所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述第一带通滤波器的带宽为1~2KHz。
8.根据权利要求7所述的便携式半导体激光稳频器,其特征在于,所述频率检测单元还包括饱和检测电路,所述饱和检测电路与所述放大电路连接,用于检测所述放大电路放大之前或之后的信号的幅值是否超过预设幅值,如果放大电路放大之前或之后的幅值超过预设幅值,则通过指示设备发出信号幅值超过预设幅值的信息。
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