CN103809167A - 一种fp干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。本发明包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统；激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器；具体包括如下步骤：1.计算两束探针光束的入射角；2.调节两束探针光束的入射角；3.查看示波器，判断锁频状态。本发明实现简单，能够避免传统锁频方法对电路和光路的复杂要求，从而具有较强的系统稳定性和鲁棒性。

Description

一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及一种FP（Fabry-Perot）干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。

背景技术

高光谱分辨率激光雷达由于采用了光谱滤波技术，解决了传统后向散射激光雷达需要诸多先验假设才能反演出大气参数的不足，因而提高了大气遥感的精度。在高光谱分辨率激光雷达中，光谱滤波器的使用是一个极为关键的技术。通过光谱滤波器的高光谱分辨能力，能将大气后向散射光谱中由大气气溶胶散射的成分和由大气分子散射的成分分离开来，这样就能得到大气后向散射谱的更多细节。结合相关的遥感原理即能更加准确的反演出大气后向散射系数、消光系数等大气光学属性。

目前，碘分子吸收滤波器因对大气气溶胶散射信号的高过滤率，光谱吸收特性的高稳定性以及不依赖于和入射光的机械对齐等优点已被用在很多高光谱分辨率激光雷达中。但是由于此类滤波器的吸收峰值（吸收谐振峰）是由分子的自然吸收机理所决定的，不能任意改变其使用波段，故限制了激光雷达的光谱拓展。为了解决这个缺点，FP（Fabry-Perot）干涉型光谱滤波器越来越受到关注并逐步应用到激光雷达中。由于采用了光的干涉原理，FP干涉型光谱滤波器的谐振频率可以设置在任何感兴趣的激光波长，极大的拓宽了激光雷达的光谱应用领域。

但是，FP干涉型光谱滤波器的谐振频率却远不如碘分子吸收滤波器那样稳定。温度、外部应力等都会造成谐振频率的漂移。怎样将FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定在需要的激光中心频率是其用于高光谱分辨率激光雷达的一个重大技术问题。在已有报道的文献中，均采用了频率调制锁频的技术。该技术通过将用来锁频的激光光束通过电光调制器或者声光调制器的调制后，产生对称分布于原始激光频率两侧的边带频率信号。该边带信号和原激光信号通过待锁定的干涉型光谱滤波器之后，会在光电探测器上得到幅度调制的电压信号。最后需要一个与驱动调制器的信号相同步的电压信号来解调该幅度调制信号，从而得到频率失锁时的误差信号。通过将该误差信号反馈到干涉型光谱滤波器的频率谐调设备，如压电传感器（PZT），就可以将失去锁定的滤波器重新谐调到所使用的激光频率。虽然该技术应用广泛，但是不足之处是所需要的设备十分复杂。例如至少需要两个电光频率调制器来达到比较好的调制效果；为了保持解调信号与调制器驱动信号的同步，往往需要锁相环电路；由于调制频率通常都在MHz量级，故探测器需要很高的频率响应才能探测到需要的光电信号。这些都增加了该技术的电路与光学器件的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，减少FP干涉型光谱滤波器频率锁定的装置复杂性，提出了一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。

本发明巧妙的利用了FP干涉型光谱滤波器谐振频率与入射激光的入射角的依赖关系，通过两束入射角相匹配的探针光束来对FP干涉滤波器谐振频率进行实时探测，一旦存在频率失锁定，则能产生误差信号并反馈给滤波器的频率谐调设备以将其重新谐调到频率锁定状态。由于不需要高频调制和同步解调，故极大降低了电路、光路的复杂程度。

一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置，包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统；

激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备，且FP干涉滤波器和频率谐调设备机械连接实现谐振频率调整；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器；

激光器发射的激光光束经准直扩束器被扩束为宽光束平行光；宽光束平行光经过第一分光镜分成两路，其中一路经过第一分光镜透射后直接射入待锁频的FP干涉滤波器作为监测光束；被FP干涉滤波器反射回来的部分监测光束经第三分光镜反射后通过第一透镜且聚焦在其焦平面，在第一透镜焦平面的干涉信号被第三光电倍增管接收，第三光电倍增管的输出电信号通过示波器显示，用于判定频率锁定的状态；另一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，再经第二分光镜分成两路，其中第一路经过第二分光镜透射后，再经第三反射镜反射以角度θ₂进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；第二路经第二分光镜反射后直接以角度θ₁进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；两路探针光束经过待锁频的FP干涉滤波器后，被第二透镜聚焦在其焦平面不同位置并分别发生干涉，且干涉信号分别被第一光电倍增管、第二光电倍增管接收并转换成电信号；将第一光电倍增管、第二光电倍增管输出的电信号输入差分放大器，差分放大器的输出信号反馈给频率谐调设备。

一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置的方法，包括如下步骤：

步骤1.计算两束探针光束的入射角；

步骤2.调节两束探针光束的入射角；

步骤3.查看示波器，判断锁频状态；

步骤1所述的两路探针光束的入射角包括θ₁和θ₂；θ₁和θ₂需满足如下匹配要求：

当探针光束以入射角θ₁入射时，待锁频的FP干涉滤波器的光谱透过函数F(θ₁,υ)为：

$F({\mathrm{\θ}}_1,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}+m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\},---\left(1\right)$

其中，υ为光谱频率，υ₀为激光器的中心频率，Δυ_L表示频率失锁量，R和FSR分别为待锁频的FP干涉滤波器平行平板反射率和自由光谱范围，k为求和指标；m'是一个位于0到1之间的数，且满足

ΔOPD(θ₁)＝(n₁+m')λ₀＝(n₁+m')cυ₀,    (2)

式（2）中，n₁是一个待选定的整数，λ₀为激光束的中心波长，c为光速；ΔOPD(θ₁)是探针光束以角度θ₁射入FP干涉滤波器时的光程差与正入射时光程差的差值，且该差值ΔOPD(θ₁)如下确定：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1).---\left(3\right)$

式（2）表明，通过将探针光束以角度θ₁入射，使FP干涉滤波器对该探针光束的光程差与零度入射时的光程差相差(n₁+m')个波长；只要确定了该m'和n₁，也就确定了θ₁；

θ₂与θ₁相匹配，入射角θ₂满足FP干涉滤波器对该探针光束的光程差和正入射时的光程差之间的变化：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)=(n_2-m^{\′}){\mathrm{\λ}}_0---\left(4\right)$

式（4）中，n₂为另一个待选定的整数；待锁频的FP干涉滤波器对该探针光束的透过率函数F(θ₂,υ)则为：

$F({\mathrm{\θ}}_2,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}-m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\}---\left(5\right)$

由差分放大器输出的锁频误差信号E(Δυ_L)将正比于FP干涉滤波器对两束探针光束的透过率差，即

E(Δυ_L)∝F(θ₁,υ₀)-F(θ₂,υ₀)    (6)

定义锁频灵敏度S为误差信号在激光中心频率υ₀处的斜率，即

$S=\frac{\∂E}{\∂\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{|}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L=0}\∝\frac{1-R}{1+R}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R^k\·k\sin ({\mathrm{km}}^{\′}\·2\mathrm{\π})}{\mathrm{FSR}}---\left(7\right)$

得到了锁频灵敏度式（7）之后，需选定m'的值使灵敏度S最大，然后选定一个整数n₁代入式（2）、（3），即可确定其中一束探针光束的入射角θ₁，其中n₁推荐值为0～10的整数，具体参考实际计算出来的角度是否便于实际操作而定；同样，再选定一个整数n₂代入式（4）即可确定另一个探针光束的入射角θ₂，n₂推荐值为0～50的整数且n₂大于n₁；

步骤2所述的调节探针光束的入射角，具体如下：

2-1.在两路探针光束调节之前，通过频率谐调设备手动将第三光电倍增管的输出调为0,即让FP干涉仪滤波器初始化处于频率锁定状态；

2-2.调节第二分光镜和第三反射镜，使得探针光束的入射角θ₁和θ₂的角度与步骤1计算出的入射角θ₁和θ₂相一致；

具体相一致的判断方法如下：

在实际光路调节时，先断开差分放大器接到频率谐调设备的反馈端，用精密移动转台先将其中一束探针光束的入射角度调节到θ₁，再将另一束探针光束的角度确定在理论计算出的θ₂附近，然后微调第二束探针光束的精密移动转台，直至差分放大器的输出达到0；两探针光束的角度调节完成后，再将差分放大器的反馈端接入FP干涉滤波器的频率谐调设备；

步骤3所述的查看示波器，判断锁频状态，具体如下：

若FP干涉滤波器刚好锁定在激光器中心频率，则示波器的输出信号为0；若外部环境因素的影响造成FP干涉仪频率失锁定，则差分放大器会输出误差信号并反馈给FP干涉滤波器的频率谐调设备，频率谐调设备在该误差信号的驱动下自动调整干涉仪的谐振频率，直至锁定到所需激光中心频率，在这个过程中，示波器的输出信号也会逐步趋近0。

所述的第一分光镜是反射率大于透射率的分光镜；第二分光镜是50%:50%分光比的分光镜。

所述的第一分光镜的反射率与透射率比如下：T:R=10%:90%。

本发明的有益效果如下：

本发明适合于各种FP干涉型光谱滤波器的谐振频率锁定，实现简单，可以避免传统锁频方法对电路和光路的复杂要求，从而具有较强的系统稳定性和鲁棒性。

附图说明

图1是表示采用本方法锁定FP干涉型光谱滤波器的光路图；

图2是表示锁定FP干涉型光谱滤波器时灵敏度S和参数m'选取关系的一个实例；

图3是表示FP干涉型光谱滤波器光程差变化和入射角关系的一个实例；

图4是表示采用本方法锁定FP干涉型光谱滤波器时，差分放大器输出的误差信号和频率失锁定量的关系曲线。

图中，激光器1、准直扩束器2、第一分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第二分光镜6、第三反射镜7、第三分光镜8、第一透镜9、FP干涉滤波器10、第二透镜11、第一光电倍增管（PMT）12、第二光电倍增管13、第三光电倍增管14、差分放大器15、频率谐调设备16、示波器17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置，包括激光器分束系统a、FP干涉型滤波器系统b和光电探测系统c；

激光器分束系统a包括激光器1、准直扩束器2、第一分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第二分光镜6、第三反射镜7；FP干涉型滤波器系统b包括FP干涉滤波器10和频率谐调设备16，且FP干涉滤波器10和频率谐调设备16机械连接实现谐振频率调整；光电探测系统_c包括第三分光镜8、第一透镜9、第二透镜11、第一光电倍增管（PMT）12、第二光电倍增管13、第三光电倍增管14、差分放大器15、示波器17。

激光器1发射的激光光束经准直扩束器2被扩束为宽光束平行光；宽光束平行光经过第一分光镜3分成两路，其中一路经过第一分光镜3透射后直接射入待锁频的FP干涉滤波器10作为监测光束；被FP干涉滤波器10反射回来的部分监测光束经第三分光镜8反射后通过第一透镜9且聚焦在其焦平面，在第一透镜9焦平面的干涉信号被第三光电倍增管14接收，第三光电倍增管14的输出电信号通过示波器17显示，用于判定频率锁定的状态；另一路依次经过第一反射镜4、第二反射镜5后，再经第二分光镜6分成两路，其中第一路经过第二分光镜6透射后，再经第三反射镜7反射以角度θ₂进入待锁频的FP干涉滤波器10作为探针光束；第二路经第二分光镜6反射后直接以角度θ₁进入待锁频的FP干涉滤波器10作为探针光束。两路探针光束经过待锁频的FP干涉滤波器后，被第二透镜11聚焦在其焦平面不同位置并分别发生干涉，且干涉信号分别被第一光电倍增管12、第二光电倍增管13接收并转换成电信号。将第一光电倍增管12、第二光电倍增管13输出的电信号输入差分放大器15，差分放大器15的输出信号反馈给频率谐调设备16。

一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定方法，具体包括如下步骤：

步骤1.搭建FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置；

步骤2.计算两束探针光束的入射角；

步骤3.调节两束探针光束的入射角；

步骤4.查看示波器，判断锁频状态。

步骤1所述的FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置即为图1所示的装置；

步骤2所述的两路探针光束的入射角包括θ₁和θ₂；θ₁和θ₂需满足一定的匹配要求，具体如下确定：

当探针光束以入射角θ₁入射时，待锁频的FP干涉滤波器的光谱透过函数F(θ₁,υ)为：

$F({\mathrm{\θ}}_1,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}+m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\},---\left(1\right)$

其中，υ为光谱频率，υ₀为激光器的中心频率，Δυ_L表示频率失锁量（FP干涉滤波器实际谐振频率和所需谐振频率之差），R和FSR分别为待锁频的FP干涉滤波器10平行平板反射率和自由光谱范围，k为求和指标；m'是一个位于0到1之间的数，且满足

ΔOPD(θ₁)＝(n₁+m')λ₀＝(n₁+m')cυ₀,    (2)

式（2）中，n₁是一个待选定的整数，λ₀为激光束的中心波长，c为光速；ΔOPD(θ₁)是探针光束以角度θ₁射入FP干涉滤波器10时的光程差与正入射时光程差的差值，且该差值ΔOPD(θ₁)如下确定：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1).---\left(3\right)$

式（2）表明，通过将探针光束以角度θ₁入射，使FP干涉滤波器对该探针光束的光程差与零度入射时的光程差相差(n₁+m')个波长。只要确定了该m'和一个合适的n₁，也就确定了θ₁。

要和θ₁相匹配，入射角θ₂必须满足FP干涉滤波器对该探针光束的光程差和正入射时的光程差之间的变化：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)=(n_2-m^{\′}){\mathrm{\λ}}_0---\left(4\right)$

式（4）中，n₂为另一个待选定的整数。待锁频的FP干涉滤波器对该探针光束的透过率函数F(θ₂,υ)则为：

$F({\mathrm{\θ}}_2,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}-m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\}---\left(5\right)$

由差分放大器输出的锁频误差信号E(Δυ_L)将正比于FP干涉滤波器对两束探针光束的透过率差，即

E(Δυ_L)∝F(θ₁,υ₀)-F(θ₂,υ₀)    (6)

定义锁频灵敏度S为误差信号在激光中心频率υ₀处的斜率，即

$S=\frac{\∂E}{\∂\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{|}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L=0}\∝\frac{1-R}{1+R}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R^k\·k\sin ({\mathrm{km}}^{\′}\·2\mathrm{\π})}{\mathrm{FSR}}---\left(7\right)$

得到了锁频灵敏度式（7）之后，需选定m'的值使灵敏度S最大，然后选定一个整数n₁代入式（2）、（3）即可确定其中一束探针光束的入射角θ₁，其中n₁推荐值为0～10的整数，具体参考实际计算出来的角度是否便于实际操作而定；同样，再选定一个整数n₂代入式（4）即可确定另一个探针光束的入射角θ₂，n₂推荐值为0～50的整数且n₂大于n₁。

步骤3所述的调节探针光束的入射角，具体如下：

3-1.在两路探针光束调节之前，通过频率谐调设备手动将第三光电倍增管14的输出调为0,即让FP干涉仪滤波器初始化处于频率锁定状态；

3-2.调节第二分光镜6和第三反射镜7，使得探针光束的入射角θ₁和θ₂的角度与步骤2计算出的入射角θ₁和θ₂相一致。具体相一致的判断方法如下：在实际光路调节时，先断开差分放大器15接到频率谐调设备16的反馈端，用精密移动转台先将其中一束探针光束的入射角度调节到θ₁，再将另一束探针光束的角度确定在理论计算出的θ₂附近，然后微调第二束探针光束的精密移动转台，直至差分放大器15的输出达到0；两探针光束的角度调节完成后，再将差分放大器的反馈端接入FP干涉滤波器的频率谐调设备。

步骤4所述的查看示波器，判断锁频状态，具体如下：

若FP干涉滤波器刚好锁定在激光器中心频率，则示波器17的输出信号为0；若外部环境等因素的影响造成FP干涉仪频率失锁定，则差分放大器会输出误差信号并反馈给FP干涉滤波器的频率谐调设备，频率谐调设备在该误差信号的驱动下自动调整干涉仪的谐振频率，直至锁定到所需激光中心频率。在这个过程中，示波器17的输出信号也会逐步趋近0。

所述的第一分光镜3是反射率远大于透射率的分光镜，如T:R=10%:90%；第二分光镜6是拥有50%:50%分光比的分光镜。为了方便角度调整，第二分光镜6和第三反射镜7可以放置在精密转动平台上。

实施例

图1中激光器1和激光雷达发射器通过分光的方式共用，其频率就是需要锁定的参考频率；

上述准直扩束器2可以采用普通扩束器即可，例如北京大恒公司的GCO-141602型号扩束镜，6倍扩束；

上述第一分光镜3采用T:R=10%:90%的分光镜，如北京大恒公司的GCC-411215；第二分光镜6、第三分光镜8采用普通的T:R=50%:50%的分光镜即可，如北京大恒公司的GCC-411102；

上述第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜7采用普通反射镜即可，例如北京大恒公司的GCC-101102，直径25.4mm；

第二透镜11是一个长焦距透镜，例如北京大恒公司GCL-010214,焦长400mm;第一透镜9采用普通短焦距透镜即可，如北京大恒公司GCL-010159；

第一光电倍增管（PMT）12、第二光电倍增管13、第三光电倍增管14可选用日本滨松公司的R6358型号光电倍增管；

差分放大器15可以选用美国德州仪器(TI)生产的芯片INA126；

示波器17采用普通的示波器即可，如YB4320/20A/40。

FP干涉型滤波器10是需要锁定的的对象，可以是自制的也可以是购买的集成装置。其频率谐调装置16一般可以使用压电传感器PZT，如PI公司的PZ150E；如果是购买的集成产品，会附带有频率谐调装置。

下面结合具体的FP干涉滤波器参数进一步描述其频率锁定的方法。

首先按图1所示的光路搭建好装置，然后按步骤2所述的方法计算两探针光束的入射角。

假设待锁频的FP干涉滤波器的自由光谱范围（FSR）是13GHz，两平行表面镀膜反射率为0.91。那么，将这些参数代入方程（6）可以得到参数m'和锁频灵敏度S的关系如图2所示。灵敏度最大时的m'取值在大约0.01。为了能联立方程（2）（3）获得其中一探针光束的入射角，还需要确定方程（2）中的n₁。通常，该n₁可以任意选取为一个整数，推荐值为0～10，这样既能保证算出来的入射角不至于太小，也能保证FP干涉滤波器对该角度入射的探针光束的自由光谱范围变化不至于太大。

一种辅助选取n₁值的方法是根据式（3）作出FP干涉滤波器入射角同光程差（OPD）变化的关系示意图，如图3所示。由图3可以判定，取n₁为7能保证确定的入射角将大于1度，而且带来的OPD变化只有大约7个波长。这样既有利于光路实现，也未造成FP干涉滤波器自由光谱范围的显著变化（仅仅在小数点后5位变化）。

确定了n₁后，结合方程（2）、（3）可以解出θ₁为1.030度。接下来确定另一束探针光束的入射角θ₂。由式（4），只要预先选定整数n₂的值后，即可计算出θ₂。同样的，n₂的选取既要保证算出来的θ₂和θ₁相差不致太小，也要保证FP干涉滤波器对该探针光束的OPD变化尽量在波长量级，推荐值为0～50且小于选定的n₁。例如如选取n₂为30，这样可以解出θ₂为2.131度。如此选定的两个探针光束入射角既能达到匹配的目的，也在物理上分得较开，有助于光路实现。为了能进一步方便探测器的放置，也可以在两束探针光束到达透镜11之前用两个光楔将它们的角度间隔略微加大一些。

计算得到了两探针光束的入射角之后，再按步骤3调节两探针光束的入射角度。由步骤4即可观察到谐振频率锁定的状态。

为了能说明该方案的可行性，图4给出了误差信号随频率失锁情况的关系曲线。可以看到，该技术方案能检测到频率失锁定的方向：当FP干涉滤波器的谐振频率大于激光器中心频率时，差分放大器输出负的误差信号，而当FP干涉滤波器的谐振频率小于激光器中心频率时，差分放大器输出正的误差信号。系统能根据频率失锁定的方向和大小自动调整误差信号的符号和大小以驱动FP干涉仪频率谐调设备朝正确的方向运动，从而使干涉仪重新回到频率锁定状态。而且误差信号变化陡峭，表明具有较高的锁频灵敏性。

Claims (4)

1.一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置，其特征在于包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统；

激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备，且FP干涉滤波器和频率谐调设备机械连接实现谐振频率调整；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器；

激光器发射的激光光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光；宽光束平行光经过第一分光镜分成两路，其中一路经过第一分光镜透射后直接射入待锁频的FP干涉滤波器作为监测光束；被FP干涉滤波器反射回来的部分监测光束经第三分光镜反射后通过第一透镜且聚焦在其焦平面，在第一透镜焦平面的干涉信号被第三光电倍增管接收，第三光电倍增管的输出电信号通过示波器显示，用于判定频率锁定的状态；另一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，再经第二分光镜分成两路，其中第一路经过第二分光镜透射后，再经第三反射镜反射以角度θ₂进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；第二路经第二分光镜反射后直接以角度θ₁进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；两路探针光束经过待锁频的FP干涉滤波器后，被第二透镜聚焦在其焦平面不同位置并分别发生干涉，且干涉信号分别被第一光电倍增管、第二光电倍增管接收并转换成电信号；将第一光电倍增管、第二光电倍增管输出的电信号输入差分放大器，差分放大器的输出信号反馈给频率谐调设备。

2.使用如权利要求1所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.计算两束探针光束的入射角；

步骤2.调节两束探针光束的入射角；

步骤3.查看示波器，判断锁频状态；

步骤1所述的两路探针光束的入射角包括θ₁和θ₂；θ₁和θ₂需满足如下匹配要求：

当探针光束以入射角θ₁入射时，待锁频的FP干涉滤波器的光谱透过函数F(θ₁,υ)为：

$F({\mathrm{\θ}}_1,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}+m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\},---\left(1\right)$

其中，υ为光谱频率，υ₀为激光器的中心频率，Δυ_L表示频率失锁量，R和FSR分别为待锁频的FP干涉滤波器平行平板反射率和自由光谱范围，k为求和指标；m'是一个位于0到1之间的数，且满足

ΔOPD(θ₁)＝(n₁+m')λ₀＝(n₁+m')cυ₀,    (2)

式（2）中，n₁是一个待选定的整数，λ₀为激光束的中心波长，c为光速；ΔOPD(θ₁)是探针光束以角度θ₁射入FP干涉滤波器时的光程差与正入射时光程差的差值，且该差值ΔOPD(θ₁)如下确定：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1).---\left(3\right)$

式（2）表明，通过将探针光束以角度θ₁入射，使FP干涉滤波器对该探针光束的光程差与零度入射时的光程差相差(n₁+m')个波长；只要确定了该m'和一个合适的n₁，也就确定了θ₁；

要和θ₁相匹配，入射角θ₂必须满足FP干涉滤波器对该探针光束的光程差和正入射时的光程差之间的变化：

$\mathrm{\ΔOPD}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{c}{\mathrm{FSR}}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)=(n_2-m^{\′}){\mathrm{\λ}}_0---\left(4\right)$

式（4）中，n₂为另一个待选定的整数；待锁频的FP干涉滤波器对该探针光束的透过率函数F(θ₂,υ)则为：

$F({\mathrm{\θ}}_2,\mathrm{\υ})=\frac{1-R}{1+R}\{1+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^k\cos [k(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{\mathrm{FSR}}-m^{\′}\·2\mathrm{\π})\left]\right\}---\left(5\right)$

由差分放大器输出的锁频误差信号E(Δυ_L)将正比于FP干涉滤波器对两束探针光束的透过率差，即

E(Δυ_L)∝F(θ₁,υ₀)-F(θ₂,υ₀)    (6)

定义锁频灵敏度S为误差信号在激光中心频率υ₀处的斜率，即

$S=\frac{\∂E}{\∂\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L}{|}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_L=0}\∝\frac{1-R}{1+R}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R^k\·k\sin ({\mathrm{km}}^{\′}\·2\mathrm{\π})}{\mathrm{FSR}}---\left(7\right)$

得到了锁频灵敏度式（7）之后，需选定m'的值使灵敏度S最大，然后选定一个整数n₁代入式（2）、（3）即可确定其中一束探针光束的入射角θ₁，其中n₁为0～10的整数，具体参考实际计算出来的角度是否便于实际操作而定；同样，再选定一个整数n₂代入式（4）即可确定另一个探针光束的入射角θ₂，n₂为0～50的整数，且n₂大于n₁；

步骤2所述的调节探针光束的入射角，具体如下：

2-1.在两路探针光束调节之前，通过频率谐调设备手动将第三光电倍增管的输出调为0,即让FP干涉仪滤波器初始化处于频率锁定状态；

2-2.调节第二分光镜和第三反射镜，使得探针光束的入射角θ₁和θ₂的角度与步骤1计算出的入射角θ₁和θ₂相一致；

具体相一致的判断方法如下：

在实际光路调节时，先断开差分放大器接到频率谐调设备的反馈端，用精密移动转台先将其中一束探针光束的入射角度调节到θ₁，再将另一束探针光束的角度确定在理论计算出的θ₂附近，然后微调第二束探针光束的精密移动转台，直至差分放大器的输出达到0；两探针光束的角度调节完成后，再将差分放大器的反馈端接入FP干涉滤波器的频率谐调设备；

步骤3所述的查看示波器，判断锁频状态，具体如下：

若FP干涉滤波器刚好锁定在激光器中心频率，则示波器的输出信号为0；若外部环境因素的影响造成FP干涉仪频率失锁定，则差分放大器会输出误差信号并反馈给FP干涉滤波器的频率谐调设备，频率谐调设备在该误差信号的驱动下自动调整干涉仪的谐振频率，直至锁定到所需激光中心频率，在这个过程中，示波器的输出信号也会逐步趋近0。

3.如权利要求1或2所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定的方法，其特征在于所述的第一分光镜是反射率大于透射率的分光镜；第二分光镜是50%:50%分光比的分光镜。

4.如权利要求3所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定的方法，其特征在于所述的第一分光镜的反射率与透射率比如下：T:R=10%:90%。

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