CN103178437B - 一种智能化激光锁定装置及锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化激光锁定装置，包括激光器、声光调制器、物理鉴频系统、直接数字式频率合成器、第一光电探测器、处理器、模数转换器组、数模转换器和计算机，第一光电探测器的衍射光功率探测端连接声光调制器的输出端，第一光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，处理器的射频功率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频功率控制信号输入端，直接数字式频率合成器的射频功率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端，处理器的数字电压信号输出端通过数模转换器连接激光器的电流反馈信号输入端。本发明具有环路响应快，激光器稳频、稳功率精度高的特点。

Description

一种智能化激光锁定装置及锁定方法

技术领域

本发明涉及激光稳频、稳功率技术领域，具体地指一种智能化激光锁定装置及锁定方法。

背景技术

随着20世纪激光的发现，激光技术不断革新人们的生活。但由于工业、军事对仪器的性能以及可靠性要求不断提高，激光的频率和功率的稳定性以及精度的指标越来越重要。而目前激光器的稳频和稳功率电路都采用模拟电路，环路响应慢，且激光器稳频精度较低。特别是在重力梯度仪、激光原子钟等方面的应用中，由于激光器本身相应的频率、功率不稳定将会导致激光器光源本身输出参数稳定度不高，会严重影响整机的性能指标。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种环路响应快，激光器稳频、稳功率，精度高的智能化激光锁定装置及锁定方法。

为实现此目的，本发明所设计的智能化激光锁定装置，包括激光器、与激光器的输出端连接的声光调制器、与声光调制器的输出端连接的物理鉴频系统，其特征在于：它还包括直接数字式频率合成器、第一光电探测器、处理器、模数转换器组、数模转换器和与处理器连接的计算机，其中，所述第一光电探测器的衍射光功率探测端连接声光调制器的输出端，第一光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频功率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频功率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频功率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端，所述处理器的数字电压信号输出端通过数模转换器连接激光器的电流反馈信号输入端。

上述技术方案中，它还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器的荧光功率探测端连接物理鉴频系统的跃迁辐射荧光输出端，所述第二光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频频率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频频率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频频率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端。

所述处理器为ARM或FPGA或单片机。

所述物理鉴频系统为原子共振跃迁吸收装置。

一种利用上述智能化激光锁定装置的激光锁定方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤101：所述处理器输出一个固定频率的三角波；

步骤102：数模转换器将上述固定频率的三角波转换为模拟信号后输入激光器，对激光器进行扫频，使激光器产生激光；

步骤103：上述激光经过声光调制器进行衍射后获得激光探测信号进入物理鉴频系统，并使物理鉴频系统内的原子吸收跃迁辐射，释放跃迁辐射荧光；

步骤104：第二光电探测器探测到物理鉴频系统释放出的跃迁辐射荧光，并输出对应的荧光模拟电压信号；

步骤105：上述荧光模拟电压信号经过模数转换器组转换成数字信号后输送给处理器；

步骤106：处理器捕获并记录荧光数字电压信号，即物理鉴频系统的原子的吸收跃迁曲线；

激光器的每一个扫描频率实际对应一个处理器接收的电压值，经处理器比较找到物理鉴频系统的铷原子的吸收跃迁曲线的最高峰，即点(f₀，U₀)，每一次扫频确定一峰值点(f_0i，U_0i)；为了更精确的确定吸收峰，命令处理器对激光器扫频N₀次，处理器根据如下公式对N₀次扫描结果求平均值：

$(F,\stackrel{\‾}{U})=(\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{0i}/N_0,\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{0i}/N_0)---\left(1\right)$

由式(1)得到吸收峰对应的激光器输入恒定电压处理器经数模转换器向激光器输入恒量使激光器频率基本确定在原子跃迁吸收曲线内，即实现了频率稳定环路的开环稳频工作；

步骤201：处理器向直接数字式频率合成器输入一频率为f_s的方波；

步骤202：直接数字式频率合成器工作在频移键控模式，跳频输出频率为F₁和F₂的正弦信号，该正弦信号作用于声光调制器的晶体对输入声光调制器的激光进行调制；

F₂-F₁＝ΔF   (2)

f_s为直接数字式频率合成器的频移键控时钟，f_s决定调制频率，ΔF决定调制深度，被调制后的激光经物理鉴频系统后由第二光电探测器探测，处理器获得经模数转换后对应的荧光数字电压信号；

步骤203：处理器根据上述接收到的荧光数字电压信号，按照如下方法判断此时激光器频率位于原子吸收跃迁中心频率的对应位置：当U_F1<U_F2时,则f_L>f₀；当U_F1>U_F2时,则f_L<f₀；当U_F1＝U_F2,时则f_L＝f₀,其中，f_L为经声光调制器后的激光探测信号频率，f₀为原子吸收跃迁中心频率，U_F1为频率为F₁的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压，U_F2为频率为F₂的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压；

步骤204：当U_F1<U_F2时处理器控制减小激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2；当U_F1>U_F2时处理器控制增大激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2，即实现了频率稳定环路的闭环稳频工作。

所述步骤204中当U_F1≠U_F2时，处理器然后按以下关系分别向直接数字式频率合成器发送射频频率控制信号和/或向数模转换器发送激光器控制电压信号,从而使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心：

当U_F1≠U_F2，则

$A*(U_{F1}-U_{F2})*(\stackrel{\&OverBar;}{U}-(U_{F1}+U_{F2})/2)={\mathrm{BK}}_1+{\mathrm{CK}}_2=K---\left(3\right)$

式(3)中K₁为整数部分，K₂为小数部分,K为总反馈增益，总反馈增益K由直接数字式频率合成器的频率控制精度以及电流控制激光器频率的精度决定，其中，K₁和K₂的物理含义为处理器分别反馈给数模转换器和直接数字式频率合成器的量，K₁为数字信号，经数模转换器转化为模拟信号，作为激光器的电流输入，控制激光的频率，K₂转化为二进制的频率控制信号，输送给直接数字式频率合成器，从而控制频率；

式(3)中的A为由不同的系统进行调整相应的值，其目的是使在闭环过程中，使(3)式出现整数K₁和小数K₂部分；

B为分配给激光器增益调整的系数；

C为分配给直接数字式频率合成器的增益调整系数；

其中，式(3)中的A与反馈的速度成反比和反馈精度成正比，根据系统需要，通过调节A来灵活调节反馈精度和速度间的平衡；

式(3)中的B和C分别决定了到激光器电流端的反馈量和到直接数字式频率合成器的频率调节端的反馈量的比例；

式(3)中根据(U_F1-U_F2)的正负，处理器判断此时激光探测信号频率f_L处于原子吸收峰f₀的位置情况；

式(3)中为(U_F1-U_F2)的精细修正项，其(U_F1+U_F2)/2式表达的意义与(U_F1-U_F2)相同，是开环时扫频率获得的实际值；

处理器对激光器的控制电压信号和直接数字式频率合成器的射频频率控制信号进行如下计算分配：

$U_L=\stackrel{\&OverBar;}{U}+K_1---\left(4\right)$

U_L为处理器输入数模转换器的激光器控制电压；下面的式(5)、(6)中K₂用相应的频率量F_K2表示；

F₁ ^D＝F₁+K₂    (5)

F₂ ^D＝F₂+K₂    (6)

$\frac{f_{\mathrm{OSC}}}{2^{48}}=\frac{{F_1}^D\left({F_2}^D\right)}{{\mathrm{FTW}}_1\left({\mathrm{FTW}}_2\right)}---\left(7\right)$

将式(5)或式(6)带到式(7)即可得到调节后，处理器输入直接数字式频率合成器的射频频率控制信号，其中f_OSC为直接数字式频率合成器的系统采样时钟，式(7)中FTW₁和FTW₂分别代表处理器发送给直接数字式频率合成器的射频频率控制信号FTW₁及射频频率控制信号FTW₂，由处理器接收到的反馈增益K₂，通过式(5)、式(6)、式(7)计算得到处理器发给直接数字式频率合成器的射频频率控制信号FTW₁和FTW₂；

将上述获得的直接数字式频率合成器的射频频率控制信号K₁带入公式(4)即可得到激光器控制电压U_L。

当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较远时，获得的环路增益大；而当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较近时，获得的环路增益小。这样就能实现当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较远时有较大的拉动；而当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较近时，可以以小增益的方式更精确的靠近原子跃迁中心频率，使闭环锁定频率更精确。

上述技术方案中，它还包括如下步骤：

步骤301：第一光电探测器探测声光调制器衍射光的功率，由模数转换器组捕获第一光电探测器的探测信号电压U_P，输入处理器；

步骤302：处理器向直接数字式频率合成器输入幅度控制信号即射频功率控制信号；

步骤303：直接数字式频率合成器向声光调制器的晶体驱动端输送射频功率驱动信号，使得声光调制器的射频信号幅度随时间成三角波形式的变化，每一个声光调制器的射频信号的幅值I对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_P；

步骤304：声光调制器进行N₁次扫描，而每一次扫描，同一个幅值射频信号I_i对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_ai；

步骤305：处理器将得到的射频信号幅值数据和功率探测信号数据传输给计算机，计算机对射频信号幅值数据和功率探测信号数据进行计算求平均，并得到处理器捕获的功率探测信号平均值与声光调制器的射频信号的幅值平均值的关系曲线；

步骤306：处理器对步骤305中得到的关系曲线进行函数拟合，得到如下函数

U_P＝G(I_DDS)   (8)

式(8)中，U_P＝G(I_DDS)是一种函数表示方法，代表U_P随I_DDS变量变化的一种函数关系，I_DDS为声光调制器的射频信号的幅值；上述步骤实现了开环功率稳定工作。

所述步骤306后还包括如下步骤：

步骤401：声光调制器恒定输出幅值为的射频信号，此时处理器从第一光电探测器捕获的对应功率探测信号为当外界原因导致激光探测信号功率发生变化，则处理器接收到的功率探测信号为U_P1；

当由式(8)求得：

I_DDS1＝G^-1(U_P1)   (9)

$I_{\mathrm{DDS}2}=\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}+\frac{I_{\mathrm{DDS}1}-\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}}{G}---\left(10\right)$

I_OUT＝39.9/R_set   (11)

$\frac{I_{\mathrm{DDS}2}}{2^N}=\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{2^8}---\left(12\right)$

式(9)中G^-1(U_p1)表示上式(8)的反函数，式(10)中I_DDS1为由功率探测信号U_P1根据反函数G^-1(U_p1)所计算得到对应的声光调制器输出的射频信号幅值；

由式(10)、(11)、(12)，即可得到处理器应写入直接数字式频率合成器的新的幅度控制信号即射频功率控制信号2^N，其中I_DDS2为处理器接收到不稳定功率后，计算得到的直接数字式频率合成器调节后的电流幅值，计算过程为由第一光电探测器探测出声光调制器衍射光功率的大小，将光信号转换成模拟电压信号，模数转换器组再将模拟电信号转换成数字功率探测信号U_P1给处理器，处理器根据式(9)(10)，即可得到反馈量；G为功率反馈增益，可以通过调节G值大小来控制功率反馈性能，G在编程时设置，可根据实际情况调节；I_OUT为直接数字式频率合成器能输出的满刻度电流值，R_set为直接数字式频率合成器的芯片DAC R_set引脚所接电阻值，上述步骤，将声光调制器输出的激光稳定在大小，从而实现闭环功率稳定工作。

所述步骤305中，计算机对幅值射频信号数据和功率探测信号数据进行计算求平均的方法按如下公式进行：

$I_{\mathrm{DDS}}=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i/N_1---\left(13\right)$

$U_P=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ai}}/N_1---\left(14\right)$

步骤401中所述的外界原因为温度变化，或者整个系统由于外界震动导致激光探测信号功率发生变化。

本发明通过增设直接数字式频率合成器、第一光电探测器、处理器、模数转换器组、数模转换器和计算机，实现了对激光的频率精确锁定和功率精确锁定，并且在频率锁定过程中，采用了同时对激光器和声光调制器进行控制的方式，即激光器反馈电流对激光频率和功率进行粗调节，直接数字式频率合成器产生的信号对激光频率和功率进行精细调节，进一步的提高了频率锁定精度。同时，由于在闭环频率稳定环节，由于采用了系统环路增益随激光探测信号频率与原子跃迁中心频率远近变化的机制，相对于现有的模拟电路锁定频率和功率的装置，整个环路的响应速度也得到明显提升，且闭不锁定的频率更精确。另外，图5是申请人通过实际测量获得的图，而不是官方资料给出的，这时的区别是因为具体的整个本发明的系统包括激光器、声光调制器、直接数字式频率合成器、光电探测器等不同。具体实施上首先，申请人通过开环测量出实际的图5，然后选择图5中平坦区域作为最终的激光探测信号的功率参考，这样作的好处是：第一，对于给定的最终激光探测信号功率值，可以大范围的选择射频率控制I_DDS范围；第二，射频环节输出信号幅度不稳定时，即I_DDS在波动，由于图5中的平坦区可知，不会影响经声光调制器后激光探测信号功率的输出。

本装置中1μA的激光器工作电流的变化，会引起激光器输出频率-1.42MHz的变化。而采用模拟稳频电路时，其反馈调节精度难以达到μA量级。1μA的激光器工作电流的变化，会引起激光器输出功率1μW的变化。而采用模拟稳频电路时，其反馈调节精度难以达到μA量级。可以看出本发明的数字反馈方式(调节激光器频率和功率)要远比传统的模拟反馈精度高。

其次，本发明中通过调节数字式频率合成器的输出频率来调节声光调制器衍射光频率的方法，其调节精度为±1.06μHz。本发明中通过调节数字式频率合成器的输出电流幅度来调节声光调制器衍射光功率的方法，其调节精度为1.23μW。可以看出反馈量调节数字式频率合成的方式要远比比反馈量调节激光器的方式的精度高。

另外，本发明选择的直接数字式频率合成器,与传统的频率合成器相比,具有频率切换速度快、输出相位连续、低相位噪声、低成本、低功耗，最重要的是直接数字式频率合成器由于是全数字化实现，其频率分辨率和相位分辨率极高，其中频率分辨率达48位，且幅度分辨率达12位。但目前激光稳频多利用直接数字式频率合成器作为声光调制器驱动源，而稳频环路的反馈信号加入激光控制电流来控制激光器频率，并且由于反馈信号的不精确和不可控性，导致整个稳定电路的性能极大下降，而无法将激光器的线宽压制到Hz以下。

同时ARM微处理器芯片，其低成本、低功耗特点，已广泛应用于嵌入式领域。目前A/D转换精度已经达到16位，可以完成极高精度的数据采集。

基于以上情况，本发明提出了一种基于直接数字式频率合成器和ARM的高精度的数字化激光频率和功率稳定的技术，能将激光器线宽压制在Hz以下，功率稳定控制在μW量级。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为物理鉴频系统中铷原子的吸收跃迁曲线；

图3为相同的频移键控信号对激光器进行调制的曲线图；

图4为声光调制器的射频信号幅度随时间变化的关系图；

图5为处理器捕获的功率信号与射频信号幅值的关系曲线；

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所述的智能化激光锁定装置，包括激光器、与激光器的输出端连接的声光调制器、与声光调制器的输出端连接的物理鉴频系统，它还包括直接数字式频率合成器、第一光电探测器、处理器、模数转换器组、数模转换器和与处理器连接的计算机，其中，所述第一光电探测器的衍射光功率探测端连接声光调制器的输出端，第一光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频功率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频功率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频功率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端，所述处理器的数字电压信号输出端通过数模转换器连接激光器的电流反馈信号输入端。该结构特征实现了激光的功率锁定。

上述技术方案中，它还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器的荧光功率探测端连接物理鉴频系统的跃迁辐射荧光输出端，所述第二光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频频率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频频率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频频率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端。该结构特征同时实现了激光的频率锁定。

上述技术方案中，所述处理器为ARM或FPGA或单片机。

上述技术方案中，所述物理鉴频系统为原子共振跃迁吸收装置，上述原子共振吸收装置中的原子通常为铷及其同位素，也可以为原子钟领域常用的钙、铝等。物理鉴频系统包括原子共振吸收用谐振腔、原子分裂用磁场、恒温用温度控制模块、屏蔽外界磁场用磁屏蔽筒等部分。

上述技术方案中，直接数字频率合成器输出射频信号驱动声光调制器。利用声光调制器的布啦格衍射，只利用其±1级衍射光，且成品声光调制器的衍射光输出功率在入射激光频率和功率等其他参数不变的情况下，只与输入激光的光斑直径和射频驱动信号的功率有关。其中直接数字频率合成器的频率分辨率为48位，幅度分辨率为12位。

图1中虚线为功率稳定环路，实线为频率稳定环路。本发明工作时：激光器由电流控制，产生激光。直接数字式频率合成器产生射频信号驱动声光调制器。声光调制器在射频信号的驱动下工作在布喇格衍射原理。当激光的频率符合特定频率时，物理鉴频系统内部的铷原子吸收跃迁辐射，释放荧光。光电探测器用于探测跃迁辐射的荧光，将光信号转化成电压信号。模数转换器组将光电探测器输出的模拟探测信号转化为高精度的数字信号，并传送到处理器。处理器经固定的算法，然后向直接数字式频率合成器发出频率和幅度控制信号，并且向数模转换器发送响应的数字电压信号，经数模转换器转换成精密模拟信号反馈给激光器电流输入。其中激光器反馈电流用于激光频率和功率的粗调节，而直接数字式频率合成器产生的信号用于对频率和功率的精细调节。

利用上述智能化激光锁定装置的具体激光锁定方法，包括如下步骤：

步骤101：所述处理器输出一个固定频率的三角波；

步骤102：数模转换器将上述固定频率的三角波转换为模拟信号后输入激光器，对激光器进行扫频，使激光器产生激光；

步骤103：上述激光经过声光调制器进行衍射后获得激光探测信号进入物理鉴频系统，并使物理鉴频系统内的原子吸收跃迁辐射，释放跃迁辐射荧光；

步骤104：第二光电探测器探测到物理鉴频系统释放出的跃迁辐射荧光，并输出对应的荧光模拟电压信号；

步骤105：上述荧光模拟电压信号经过模数转换器组转换成数字信号后输送给处理器；

步骤106：处理器捕获并记录荧光数字电压信号，即物理鉴频系统的铷原子的吸收跃迁曲线，如图2所示；

激光器的每一个扫描频率实际对应一个处理器接收的电压值，经处理器比较找到物理鉴频系统的铷原子的吸收跃迁曲线的最高峰，即点(f₀，U₀)，每一次扫频确定一峰值点(f_0i，U_0i)；为了更精确的确定吸收峰，命令处理器对激光器扫频N₀次，处理器根据如下公式对N₀次扫描结果求平均值：

$(F,\stackrel{\&OverBar;}{U})=(\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_{0i}/N_0,\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{0i}/N_0)---\left(1\right)$

由式(1)得到吸收峰对应的激光器输入恒定电压处理器经数模转换器向激光器输入恒量使激光器频率基本确定在原子跃迁吸收曲线内，即实现了频率稳定环路的开环稳频工作；

步骤201：处理器向直接数字式频率合成器输入一频率为f_s的方波；

步骤202：直接数字式频率合成器工作在频移键控模式，跳频输出频率为F₁和F₂的正弦信号，该正弦信号作用于声光调制器的晶体对输入声光调制器的激光进行调制，如图3所示；

F₂-F₁＝ΔF    (2)

f_s为直接数字式频率合成器的频移键控时钟，f_s决定调制频率，ΔF决定调制深度，被调制后的激光经物理鉴频系统后由第二光电探测器探测，处理器获得经模数转换后对应的荧光数字电压信号；

步骤203：处理器根据上述接收到的荧光数字电压信号，按照如下方法判断此时激光器频率位于原子吸收跃迁中心频率的对应位置：当U_F1<U_F2时,则f_L>f₀；当U_F1>U_F2时,则f_L<f₀；当U_F1＝U_F2,时则f_L＝f₀,其中，f_L为经声光调制器后的激光探测信号频率，f₀为原子吸收跃迁中心频率，U_F1为频率为F₁的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压，U_F2为频率为F₂的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压；

步骤204：当U_F1<U_F2时处理器控制减小激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2；当U_F1>U_F2时处理器控制增大激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2，即实现了频率稳定环路的闭环稳频工作。

上述技术方案步骤204中当U_F1≠U_F2时，处理器然后按以下关系分别向直接数字式频率合成器发送射频频率控制信号和/或向数模转换器发送激光器控制电压信号,从而使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心：

当U_F1≠U_F2，则

$A*(U_{F1}-U_{F2})*(\stackrel{\&OverBar;}{U}-(U_{F1}+U_{F2})/2)={\mathrm{BK}}_1+{\mathrm{CK}}_2=K---\left(3\right)$

式(3)中K₁为整数部分，K₂为小数部分,K为总反馈增益，总反馈增益K由直接数字式频率合成器的频率控制精度以及电流控制激光器频率的精度决定(具体决定方式为第二光电探测器探测铷原子吸收跃迁释放的荧光，将光信号转化成电信号，且电信号的大小与光强成正比。图3中，声光调制器向物理鉴频系统输入激光的频率与第二光电探测器输出的电压信号。从图3中可看到输入激光频率处在铷原子跃迁谱线的峰顶时，第二光电探测器探测到的电压信号最大)，其中，K₁和K₂的物理含义为处理器分别反馈给数模转换器和直接数字式频率合成器的量，K₁为数字信号，经数模转换器转化为模拟信号，作为激光器的电流输入，控制激光的频率，K₂经下述式(5)(6)(7)转化为二进制的频率控制信号，输送给直接数字式频率合成器，从而控制频率；

式(3)中的A为由不同的系统进行调整相应的值，其目的是使在闭环过程中，使(3)式出现整数K₁和小数K₂部分；

B为分配给激光器增益调整的系数；

C为分配给直接数字式频率合成器的增益调整系数；

上述A、B、C为可调控系数，在对处理器的控制编程时，根据实际情况调解；其中，式(3)中的A与反馈的速度成反比和反馈精度成正比，根据系统需要，通过调节A来灵活调节反馈精度和速度间的平衡；

式(3)中的B和C分别决定了到激光器电流端的反馈量和到直接数字式频率合成器的频率调节端的反馈量的比例；

式(3)中根据(U_F1-U_F2)的正负，处理器判断此时激光探测信号频率f_L处于原子吸收峰f₀的位置情况；

式(3)中为(U_F1-U_F2)的精细修正项，其(U_F1+U_F2)/2式表达的意义与(U_F1-U_F2)相同，U是开环时扫频率获得的实际值；上述(U_F1-U_F2)的正(负)表明激光的频率此时小于(大于)铷原子跃迁中心频率，则总反馈增益K用来调节激光频率，使其增大。当(U_F1-U_F2)＝0则表明出于中心频率处，反馈量为0。据图3可见，随着入射到物理鉴频系统的激光频率变大，(U_F1+U_F2)/2和两个量逐渐减小。而这两项决定了频率反馈系统总增益K，那么此两式决定整个频率反馈系统具有如下特点：当激光频率越靠近鉴频系统中心频率，反馈量越精细；当激光频率离鉴频系统中心频率越远，反馈量越大。这样可变，可调节的反馈原理，即增加了频率调节的精度，又加快了反馈调节的速度。

处理器对激光器的控制电压信号和直接数字式频率合成器的射频频率控制信号进行如下计算分配：

$U_L=\stackrel{\&OverBar;}{U}+K_1---\left(4\right)$

U_L为处理器输入数模转换器的激光器控制电压；下面的式(5)、(6)中K₂用相应的频率量F_K2表示；

F₁ ^D＝F₁+K₂   (5)

F₂ ^D＝F₂+K₂   (6)

$\frac{f_{\mathrm{OSC}}}{2^{48}}=\frac{{F_1}^D\left({F_2}^D\right)}{{\mathrm{FTW}}_1\left({\mathrm{FTW}}_2\right)}---\left(7\right)$

将式(5)或式(6)带到式(7)即可得到调节后，处理器输入直接数字式频率合成器的射频频率控制信号，其中f_OSC为直接数字式频率合成器的系统采样时钟，式(7)中FTW₁和FTW₂分别代表处理器发送给直接数字式频率合成器的射频频率控制信号FTW₁及射频频率控制信号FTW₂，由处理器接收到的反馈增益K₂，通过式(5)、式(6)、式(7)计算得到处理器发给直接数字式频率合成器的射频频率控制信号FTW₁和FTW₂；对于AD9852(直接数字式频率合成器的一种)，他们都是一组48位的2进制数。他们分别决定了直接数字式频率合成器工作在频移键控模式时，直接数字式频率合成器向声光调制器输出的射频信号跳变的两个频率的大小。

将上述获得的直接数字式频率合成器的射频频率控制信号K₁带入公式(4)即可得到激光器控制电压U_L。

运用以上算法，由于原子吸收跃迁曲线从斜率最大点到峰顶随着频率接近中心频率f₀，U_F1-U_F2逐渐减小，且逐渐增大。式(3)中，f_L越接近f₀，K越小。这决定了整个频率反馈系统越在激光器频率越接近f₀时调节频率越精细。而直接数字式频率合成器频率调节精度达48位，即μHz量级，所以可以将激光的线宽压制到极值；

当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较远时，获得的环路增益大；而当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较近时，获得的环路增益小。这样就能实现当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较远时有较大的拉动；而当激光探测信号频率离原子跃迁中心频率较近时，可以以小增益的方式更精确的靠近原子跃迁中心频率，使闭环锁定频率更精确。

上述技术方案的步骤205后还包括如下步骤：

步骤301：第一光电探测器探测声光调制器衍射光的功率，由模数转换器组捕获第一光电探测器的探测信号电压U_P，输入处理器；

步骤302：处理器向直接数字式频率合成器输入幅度控制信号即射频功率控制信号；

步骤303：直接数字式频率合成器向声光调制器的晶体驱动端输送射频功率驱动信号，使得声光调制器的射频信号幅度随时间成三角波形式的变化，如图4所述，每一个声光调制器的射频信号的幅值I对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_P；

步骤304：声光调制器进行N₁次扫描，而每一次扫描，同一个幅值射频信号I_i对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_ai；进行N₁次扫描，然后记录(I_i，U_ai)点值，按下文式(13)，(14)即可获得射频信号幅度对PD₂探测值得曲线图5。之所以要在功率探测前对AOM进行此次扫描，因为每个AOM的特性都不同，哪怕同一厂家同一型号的AOM也会有其差异性。通过这样的预先扫描可获得所使用的AOM的特定射频功率对衍射效率的曲线。即可方便后续功率反馈调节的计算。图5曲线中，多次扫描，可使每一点扫描频率对应多次扫描对应的第一光电探测器探测的电压值，对这些电压值求平均值。将这些值输入到计算机，进行处理。便可以得到图5。因此，多次扫描可增加图5中(直接数字式频率合成器输入声光调制器的射频信号幅度与第一光电探测器探测的电压信号)曲线的精准度。

步骤305：处理器将得到的射频信号幅值数据和功率探测信号数据传输给计算机，计算机对射频信号幅值数据和功率探测信号数据进行计算求平均，并得到处理器捕获的功率探测信号平均值与声光调制器的射频信号的幅值平均值的关系曲线；

步骤306：处理器对步骤305中得到的关系曲线进行函数拟合，得到如下函数

U_P＝G(I_DDS)   (8)

式(8)中，U_P＝G(I_DDS)是一种函数表示方法，代表U_P随I_DDS变量变化的一种函数关系，此处由电脑对数据进行函数拟合得到，I_DDS为声光调制器的射频信号的幅值；上述步骤实现了开环功率稳定工作。

上述技术方案的步骤306后还包括如下步骤：

步骤401：声光调制器恒定输出幅值为的射频信号，此时处理器从第一光电探测器捕获的对应功率探测信号为当外界原因导致激光探测信号功率发生变化，则处理器接收到的功率探测信号为U_P1；

当由式(8)求得：

I_DDS1＝G^-1(U_P1)   (9)

$I_{\mathrm{DDS}2}=\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}+\frac{I_{\mathrm{DDS}1}-\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}}{G}---\left(10\right)$

I_OUT＝39.9/R_set   (11)

$\frac{I_{\mathrm{DDS}2}}{2^N}=\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{2^8}---\left(12\right)$

式(9)中G^-1(U_p1)表示上式(8)的反函数，式(10)中I_DDS1为由功率探测信号U_P1根据反函数G^-1(U_p1)所计算得到对应的声光调制器输出的射频信号幅值；

由式(10)、(11)、(12)，即可得到处理器应写入直接数字式频率合成器的新的幅度控制信号即射频功率控制信号2^N，其中I_DDS2为处理器接收到第一光电探测器捕获的不稳定功率后，计算得到的直接数字式频率合成器调节后的电流幅值，计算过程为由第一光电探测器探测出声光调制器衍射光功率的大小，将光信号转换成模拟电压信号，模数转换器组再将模拟电信号转换成数字功率探测信号U_P1给处理器，处理器根据式(9)(10)，即可得到反馈量；G为功率反馈增益，可以通过调节G值大小来控制功率反馈性能，G在编程时设置，可根据实际情况调节；I_OUT为直接数字式频率合成器能输出的满刻度电流值，R_set为直接数字式频率合成器的芯片DAC R_set引脚所接电阻值，上述步骤，将声光调制器输出的激光稳定在U_P大小，从而实现闭环功率稳定工作。

上述技术方案的步骤305中，计算机对幅值射频信号数据和功率探测信号数据进行计算求平均的方法按如下公式进行：

$I_{\mathrm{DDS}}=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i/N_1---\left(13\right)$

$U_P=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ai}}/N_1---\left(14\right)$

上述技术方案的步骤401中所述的外界原因为温度变化，或者整个系统由于外界震动导致激光探测信号功率发生变化。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种智能化激光锁定装置的激光锁定方法，所述智能化激光锁定装置，包括激光器、与激光器的输出端连接的声光调制器、与声光调制器的输出端连接的物理鉴频系统，它还包括直接数字式频率合成器、第一光电探测器、处理器、模数转换器组、数模转换器和与处理器连接的计算机，其中，所述第一光电探测器的衍射光功率探测端连接声光调制器的输出端，第一光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频功率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频功率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频功率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端，所述处理器的数字电压信号输出端通过数模转换器连接激光器的电流反馈信号输入端，它还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器的荧光功率探测端连接物理鉴频系统的跃迁辐射荧光输出端，所述第二光电探测器的信号输出端通过模数转换器组连接处理器，所述处理器的射频频率控制信号输出端连接直接数字式频率合成器的射频频率控制信号输入端，所述直接数字式频率合成器的射频频率驱动信号输出端连接声光调制器的晶体驱动端，其特征在于，智能化激光锁定装置的激光锁定方法，包括如下步骤：

步骤101：所述处理器输出一个固定频率的三角波；

步骤102：数模转换器将上述固定频率的三角波转换为模拟信号后输入激光器，对激光器进行扫频，使激光器产生激光；

步骤103：上述激光经过声光调制器进行衍射后获得激光探测信号进入物理鉴频系统，并使物理鉴频系统内的原子吸收跃迁辐射，释放跃迁辐射荧光；

步骤104：第二光电探测器探测到物理鉴频系统释放出的跃迁辐射荧光，并输出对应的荧光模拟电压信号；

步骤105：上述荧光模拟电压信号经过模数转换器组转换成数字信号后输送给处理器；

步骤106：处理器捕获并记录荧光数字电压信号，即物理鉴频系统的原子的吸收跃迁曲线；

激光器的每一个扫描频率实际对应一个处理器接收的电压值，经处理器比较找到物理鉴频系统的铷原子的吸收跃迁曲线的最高峰，即点(f₀，U₀)，每一次扫频确定一峰值点(f_0i，U_0i)；为了更精确的确定吸收峰，命令处理器对激光器扫频N₀次，处理器根据如下公式对N₀次扫描结果求平均值：

$(F,\stackrel{\&OverBar;}{U})=(\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_{0i}/N_0,\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{0i}/N_0)---\left(1\right)$

由式(1)得到吸收峰对应的激光器输入恒定电压处理器经数模转换器向激光器输入恒量使激光器频率基本确定在原子跃迁吸收曲线内，即实现了频率稳定环路的开环稳频工作；

步骤201：处理器向直接数字式频率合成器输入一频率为f_s的方波；

步骤202：直接数字式频率合成器工作在频移键控模式，跳频输出频率为F₁和F₂的正弦信号，该正弦信号作用于声光调制器的晶体对输入声光调制器的激光进行调制；

F₂-F₁＝ΔF                   (2)

f_s为直接数字式频率合成器的频移键控时钟，f_s决定调制频率，ΔF决定调制深度，被调制后的激光经物理鉴频系统后由第二光电探测器探测，处理器获得经模数转换后对应的荧光数字电压信号；

步骤203：处理器根据上述接收到的荧光数字电压信号，按照如下方法判断此时激光器频率位于原子吸收跃迁中心频率的对应位置：当U_F1<U_F2时,则f_L>f₀；当U_F1>U_F2时,则f_L<f₀；当U_F1＝U_F2,时则f_L＝f₀,其中，f_L为经声光调制器后的激光探测信号频率，f₀为原子吸收跃迁中心频率，U_F1为频率为F₁的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压，U_F2为频率为F₂的正弦信号作用于声光调制器下，获得的激光频率经物理鉴频系统量子鉴频作用所对应的电压；

步骤204：当U_F1<U_F2时处理器控制减小激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2；当U_F1>U_F2时处理器控制增大激光器和/或直接数字式频率合成器的输出频率，使得激光探测信号频率稳定在原子吸收跃迁峰的中心，即U_F1＝U_F2，即实现了频率稳定环路的闭环稳频工作。

2.根据权利要求1所述的智能化激光锁定装置的激光锁定方法，其特征在于：所述处理器为ARM或FPGA或单片机。

3.根据权利要求1所述的智能化激光锁定装置的激光锁定方法，其特征在于：所述物理鉴频系统为原子共振跃迁吸收装置。

4.根据权利要求1所述的智能化激光锁定装置的激光锁定方法，其特征在于：它还包括如下步骤：

步骤301：第一光电探测器探测声光调制器衍射光的功率，由模数转换器组捕获第一光电探测器的探测信号电压U_P，输入处理器；

步骤302：处理器向直接数字式频率合成器输入幅度控制信号即射频功率控制信号；

步骤303：直接数字式频率合成器向声光调制器的晶体驱动端输送射频功率驱动信号，使得声光调制器的射频信号幅度随时间成三角波形式的变化，每一个声光调制器的射频信号的幅值I对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_P；

步骤304：声光调制器进行N₁次扫描，而每一次扫描，同一个幅值射频信号I_i对应一个处理器从第一光电探测器捕获的功率探测信号U_ai；

步骤305：处理器将得到的射频信号幅值数据和功率探测信号数据传输给计算机，计算机对射频信号幅值数据和功率探测信号数据进行计算求平均，并得到处理器捕获的功率探测信号平均值与声光调制器的射频信号的幅值平均值的关系曲线；

步骤306：处理器对步骤305中得到的关系曲线进行函数拟合，得到如下函数

U_P＝G(I_DDS)                   (8)

式(8)中，U_P＝G(I_DDS)是一种函数表示方法，代表U_P随I_DDS变量变化的一种函数关系，I_DDS为声光调制器的射频信号的幅值；上述步骤实现了开环功率稳定工作。

5.根据权利要求4所述的激光锁定方法，其特征在于：所述步骤306后还包括如下步骤：

步骤401：声光调制器恒定输出幅值为的射频信号，此时处理器从第一光电探测器捕获的对应功率探测信号为当外界原因导致激光探测信号功率发生变化，则处理器接收到的功率探测信号为U_P1；

当由式(8)求得：

I_DDS1＝G^-1(U_P1)                   (9)

$I_{\mathrm{DDS}2}=\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}+\frac{I_{\mathrm{DDS}1}-\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{DDS}}}}{G}---\left(10\right)$

I_OUT＝39.9/R_set                   (11)

$\frac{I_{\mathrm{DDS}2}}{2^N}=\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{2^8}---\left(12\right)$

式(9)中G^-1(U_p1)表示上式(8)的反函数，式(10)中I_DDS1为由功率探测信号U_P1根据反函数G^-1(U_p1)所计算得到对应的声光调制器输出的射频信号幅值；

由式(10)、(11)、(12)，即可得到处理器应写入直接数字式频率合成器的新的幅度控制信号即射频功率控制信号2^N，其中I_DDS2为处理器接收到不稳定功率后，计算得到的直接数字式频率合成器调节后的电流幅值，计算过程为由第一光电探测器探测出声光调制器衍射光功率的大小，将光信号转换成模拟电压信号，模数转换器组再将模拟电信号转换成数字功率探测信号U_P1给处理器，处理器根据式(9)(10)，即可得到反馈量；G为功率反馈增益，可以通过调节G值大小来控制功率反馈性能，G在编程时设置，可根据实际情况调节；I_OUT为直接数字式频率合成器能输出的满刻度电流值，R_set为直接数字式频率合成器的芯片DAC R_set引脚所接电阻值，上述步骤，将声光调制器输出的激光稳定在大小，从而实现闭环功率稳定工作。

6.根据权利要求5所述的激光锁定方法，其特征在于：步骤401中所述的外界原因为温度变化，或者整个系统由于外界震动导致激光探测信号功率发生变化。