CN104283100B - 激光系统频率同步系统及同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光系统频率同步系统及同步方法，该激光系统频率同步系统包括一路主频率信号发生单元、标准电信号产生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；标准电信号产生单元分别接入主频率信号发生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；主频率信号发生单元接入分别与一路或多路次频率信号发生单元。本发明可实现两套或多套激光系统尤其是光频梳频率的相互锁定，实现两套或多套激光系统尤其是光频梳频率的真正的动态、实时同步。

Description

激光系统频率同步系统及同步方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种激光系统频率同步系统及同步方法，尤其涉及一种可使频率联动和同步的多光频梳系统频率同步系统及同步方法。

背景技术

对飞秒激光器进行频率锁定和载波相位锁定之后，其可产生间隔、幅度、功率都非常稳定的时域超短脉冲信号，该脉冲序列具有丰富的傅里叶变换频谱，可实现微波频率与光学频率的直接连接。用一台锁模飞秒脉冲激光器就可实现了从近红外到可见光区域的所有光学频率的直接绝对测量，这一成果被公认为光频测量领域具有革命性意义的突破。基于锁模飞秒脉冲激光技术的梳状光学频率发生器被认为是实现光学频率与微波频率传递的光齿轮，利用飞秒光频梳技术的光时钟，不但拥有丰富的频率，而且还具有可与原子钟媲美的频率稳定度，其在激光无导轨绝对距离测量中有着十分广泛重要的应用，例如工业中的高速铁路、大型飞机、核电与风电等大型机械装备系统的制备和装调，其尺寸在几十米甚至上百米，精度要求在微米量级，而在太空中的卫星编队，其测量距离长达几千公里，精度要求微米量级。在这些特殊行业光梳作为高精度尺子，显示着巨大优势。

科学技术在突飞猛进发展的同时，推动着测量精度和测量距离要求的发展。单个光纤光梳虽然在短距离高精度、长距离一般精度上有一定的优势，但是对于长距离高精度测量方面有无法克服的缺点，具体表现在：

1)在地面测试时，要精确测量大尺寸、超大尺寸的设备和器件，空气折射率的扰动、不同区域的温度变化等因素，对测距精度有较大的影响，无法做出相应的补偿；

2)采用单个光纤光梳测距时，数据量很大，很难做到实时测量；

3)即使采用双光梳或多光梳，也存在频率和相位不同步的问题，导致测量误差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可实现两套或多套频率同步或锁定的激光系统频率同步系统及同步方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种激光系统频率同步系统，其特征在于：所述系统包括一路主频率信号发生单元、标准电信号产生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；所述标准电信号产生单元分别接入主频率信号发生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；所述主频率信号发生单元接入分别与一路或多路次频率信号发生单元。

上述主频率信号发生单元包括第一激光系统、第一光电探测器、第一电滤波器、第一电放大器、功分器、主频率信号发生单元电混频器以及第一伺服器；所述第一激光系统依次经过第一光电探测器、第一电滤波器以及第一电放大器接入功分器；所述功分器分别接入主频率信号发生单元电混频器以及一路或多路次频率信号发生单元；所述标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一激光系统。

上述主频率信号发生单元还包括设置在第一激光系统上的第一频率锁定单元；所述标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一频率锁定单元。

上述次频率信号发生单元包括第二激光系统、第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器、次频率信号发生单元第一电混频器、次频率信号发生单元第二电混频器以及第二伺服器；所述第二激光系统依次通过第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器以及次频率信号发生单元第一电混频器接入次频率信号发生单元第二电混频器；所述功分器接入次频率信号发生单元第一电混频器；所述标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二激光系统。

上述次频率信号发生单元还包括设置在第二激光系统上的第二频率锁定单元；所述标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二频率锁定单元。

上述第一频率锁定单元以及第二频率锁定单元均是由压电陶瓷或声光调制 器等所形成的频率锁定单元。

上述第一激光系统以及第二激光系统均是光频梳系统或激光产生系统。

上述第一激光系统以及第二激光系统均是光频梳系统时，所述光频梳系统包括固体光频梳系统、光纤光频梳系统、片上集成光频梳系统、微腔的光频梳系统以及由稳频方式所产生光频梳的系统；所述光频梳系统是光纤光频梳系统时，所述光纤光频梳系统包括保偏光纤光频梳系统、非保偏光纤光频梳系统以及不同波段的光纤光频梳系统；所述第一激光系统以及第二激光系统均是激光产生系统时，所述激光产生系统可以是以锁模方式(包括主动和被动锁模)产生的光脉冲激光产生系统、增益开关激光产生系统、调制产生的激光产生系统、准连续激光产生系统等其它方式产生激光的激光系统；所述激光产生系统可以是以锁模方式产生的光脉冲激光产生系统时，所述激光产生系统是主动锁模方式产生的光脉冲激光产生系统或被动锁模方式产生的光脉冲激光产生系统。

上述标准电信号产生单元包括原子钟以及频率综合器；所述频率综合器的数量与主频率信号发生单元和次频率信号发生单元的数量和相同；所述原子钟分别通过频率综合器与主频率信号发生单元以及次频率信号发生单元相连。

一种基于如上所述的激光系统频率同步系统的频率同步方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)由第一激光系统以及第二激光系统分别输出含有重复频率fr1的光信号以及含有重复频率fr2的光信号；

2)使含有重复频率fr1的光信号以及含有重复频率fr2的光信号分别经过第一光电探测器以及第二光电探测器，将重复频率fr1光信号以及含有重复频率fr2的光信号分别转换成第一电信号以及第二电信号；

3)第一电信号依次经第一滤波器、第一电放大器以及功分器后的电信号分为两路，其中一路与来自原子钟经第一频率综合器变频的标准电信号在第一电混频器上进行混频，获得的误差信号经第一伺服器反馈给第一光频梳系统的频率锁定单元；另一路注入次频率信号发生单元第一电混频器；

4)第二电信号依次经过第二滤波器以及第二电放大器后与来自第一电信号经功分器后的电信号一同注入次频率信号发生单元第一电混频器进行混频，得 到误差电信号，所述次频率信号发生单元第一电混频器产生的误差电信号包含第一激光系统频率变化信息以及第二激光系统频率变化信息；

5)将步骤4)中由次频率信号发生单元第一电混频器所产生的误差信号与来自原子钟经第二频率综合器变频的标准电信号在次频率信号发生单元第二电混频器上进行混频，获得由次频率信号发生单元第二电混频器产生的误差信号；将由次频率信号发生单元第二电混频器产生的误差信号经第二伺服器反馈给第二激光系统的频率锁定单元。

本发明的优点是：

本发明提供了一种激光系统频率同步系统及同步方法，本申请是在全保偏的双飞秒光纤光频梳方案的基础上，引入了多个激光系统频率联动技术，可实现了两套或多套激光系统尤其是光频梳频率的相互锁定，实现了两套或多套激光系统尤其是光频梳频率的真正的动态、实时同步。该方法在测距、多点时钟同步、不同功能不同方式不同频率多频率梳同步等领域发挥重要作用，该方法正本低廉，工作稳定，适合在工业、科研等领域广泛应用。

附图说明

图1是本发明所提供的激光系统频率同步系统的结构示意图

图2a是第一光频梳系统频率变化曲线图；

图2b是第二光频梳系统跟随第一光频梳系统的频率变化曲线图；

图2c是第一光频梳系统以及第二光频梳系统输出频率的互相关曲线图。

具体实施方式

本发明的主要结构和原理是：

本发明主要目的提供两个或多个激光系统尤其是光频梳系统或激光产生系统频率联动，实现多个激光系统尤其是光频梳系统在频率上的真正同步。本发明涉及的激光系统包括但不限于光频梳系统，其中光频梳系统包括固体光频梳系统、光纤光频梳系统(包括保偏或者非保偏以及不同波段的)、片上集成光频梳系统、微腔的光频梳系统，以及其它以稳频和稳相方式产生光频梳的系统，激光产生系统可以是以锁模方式(包括主动和被动锁模)产生的光脉冲，也可以是增益开关激光器、调制产生的激光器、准连续激光器等其它方式产生激光 的激光系统。关于光频梳的内部结构，固体结构的已经获得诺贝尔奖，传统的光纤光梳光源已经在美国发明“Prequency combs source with large comb spacing”(International pulication number:WO2012/074623 A1，PCT/US2011/057567)，“Pulsedlaser sources”(Patent number:US8599473B2)，“Compact optical frequency combsystems”(International pulication number:WO2012/166572 A1，PCT/US2012/039509)详细介绍，保偏光纤的光频梳已经在发明“全保偏主动跟踪型光纤光梳光源”(受理号：201410363793.3)详细介绍，而微腔的方案已经在文章“Microresonator-based opticalfrequency combs”(Science，vol.332.pp:555～559，2011)体现，在此不再赘述。

本发明主要创新点是：实现了两个或多个激光系统尤其是光频梳系统间的频率同步或联动。本发明同时在两个或多个激光系统尤其是光频梳系统间使用，可实现多个光频梳系统的真正同步。

多个激光系统尤其是光频梳系统间的频率同步或联动示意图见图1，本发明所提供的激光系统频率同步系统包括一路主频率信号发生单元、标准电信号产生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；标准电信号产生单元分别接入主频率信号发生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；主频率信号发生单元接入分别与一路或多路次频率信号发生单元。

主频率信号发生单元包括第一激光系统、第一光电探测器、第一电滤波器、第一电放大器、功分器、主频率信号发生单元电混频器以及第一伺服器；第一激光系统依次经过第一光电探测器、第一电滤波器以及第一电放大器接入功分器；功分器分别接入主频率信号发生单元电混频器以及一路或多路次频率信号发生单元；标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一激光系统。

主频率信号发生单元还包括设置在第一激光系统上的第一频率锁定单元；标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一频率锁定单元。

次频率信号发生单元包括第二激光系统、第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器、次频率信号发生单元第一电混频器、次频率信号发生单元第二 电混频器以及第二伺服器；第二激光系统依次通过第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器以及次频率信号发生单元第一电混频器接入次频率信号发生单元第二电混频器；功分器接入次频率信号发生单元第一电混频器；标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二激光系统。

次频率信号发生单元还包括设置在第二激光系统上的第二频率锁定单元；标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二频率锁定单元。

第一频率锁定单元以及第二频率锁定单元均是由压电陶瓷或声光调制器所形成的频率锁定单元。

第一激光系统以及第二激光系统均是光频梳系统，或者激光产生系统。

光频梳系统包括固体光频梳系统、光纤光频梳系统、片上集成光频梳系统、微腔的光频梳系统以及由稳频方式所产生光频梳的系统；光频梳系统是光纤光频梳系统时，光纤光频梳系统包括保偏光纤光频梳系统、非保偏光纤光频梳系统以及不同波段的光纤光频梳系统。激光产生系统可以是以锁模方式(包括主动和被动锁模)产生的光脉冲，也可以是增益开关激光器、调制产生的激光器、准连续激光器等其它方式产生激光的激光系统。

标准电信号产生单元包括原子钟以及频率综合器；频率综合器的数量与主频率信号发生单元和次频率信号发生单元的数量和相同；原子钟分别通过频率综合器与主频率信号发生单元以及次频率信号发生单元相连。

本发明所提供的同步系统的同步方法是：

第一光频梳系统的输出含有重复频率(fr)的光信号经过第一光电探测器将fr光信号转换成电信号，经第一滤波器，第一电放大器，与功分器相联，功分器可以是1：n的，n值可以是2，3，4…，可以实现多个系统的链接，功分器其中一个输出口与来自原子钟经第一频率综合器变频的标准电信号在第一电混频器上进行混频，获得误差信号经第一伺服反馈给第一光频梳系统的频率锁定单元(注：为了简练提取该误差电信号的滤波器在此不再叙述和显示)，该频率锁定单元可以是压电陶瓷、声光调制器等锁频子系统。

从功分器输出第二路电信号与从第二光频梳系统->第二光电探测器->第二滤波器->第二电放大器产生的第二光频梳系统的重复频率信号fr在第二电混频器产生了误差电信号(注：为了简练提取该误差电信号的滤波器在此不再叙述和显示)，由第二混频器产生的误差信号既包含第一光频梳系统频率变化信息，也包含第二光频梳系统频率变化信息，将此误差电信号在第三电混频器上与原子钟->第二频率综合器产生的标准信号混频产生误差信号经过第二伺服反馈给第二光频梳系统的频率锁定单元。采用此技术第二光频梳系统的频率可跟踪上了第一光频梳系统，图2a、图2b以及图2c就是两个光频梳频率联动的实验结果。

其中，图2a是第一光频梳系统的第一频率综合器故意做扫频动作，图2b是第二光频梳系统输出频率的变化图，可以看出第二光频梳系统频率完全跟踪上第一光频梳系统频率。图2c是第一光频梳系统以及第二光频梳系统这两个光频梳系统输出频率互相关曲线。同样的方式可以同步多个光频梳系统，在此需要强调的是如果系统和其它系统间的重复频率相差太大，可以在功分器与其它光频梳系统的混频器连线间增加电的增频或减频装置，实现系统间的稳定操作。

两个激光系统或多个激光系统同时采用频率联动联动技术，可实现多个激光系统尤其是光频梳系统真正的动态、实时同步。该项技术在测距、多点时钟同步、不同功能不同方式不同频率多频率梳同步发挥重要作用。

Claims (9)

1.一种激光系统频率同步系统，其特征在于：所述激光系统频率同步系统包括一路主频率信号发生单元、标准电信号产生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；所述标准电信号产生单元分别接入主频率信号发生单元以及一路或多路次频率信号发生单元；所述主频率信号发生单元分别接入一路或多路次频率信号发生单元；

所述主频率信号发生单元包括第一激光系统、第一光电探测器、第一电滤波器、第一电放大器、功分器、主频率信号发生单元电混频器以及第一伺服器；所述第一激光系统依次经过第一光电探测器、第一电滤波器以及第一电放大器接入功分器；所述功分器分别接入主频率信号发生单元电混频器以及一路或多路次频率信号发生单元；所述标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一激光系统。

2.根据权利要求1所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述主频率信号发生单元还包括设置在第一激光系统上的第一频率锁定单元；所述标准电信号产生单元依次通过主频率信号发生单元电混频器和第一伺服器接入第一频率锁定单元。

3.根据权利要求2所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述次频率信号发生单元包括第二激光系统、第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器、次频率信号发生单元第一电混频器、次频率信号发生单元第二电混频器以及第二伺服器；所述第二激光系统依次通过第二光电探测器、第二电滤波器、第二电放大器以及次频率信号发生单元第一电混频器接入次频率信号发生单元第二电混频器；所述功分器接入次频率信号发生单元第一电混频器；所述标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二激光系统。

4.根据权利要求3所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述次频率信号发生单元还包括设置在第二激光系统上的第二频率锁定单元；所述标准电信号产生单元依次通过次频率信号发生单元第二电混频器和第二伺服器接入第二频率锁定单元。

5.根据权利要求4所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述第一频率锁定单元以及第二频率锁定单元均是由压电陶瓷或声光调制器所形成的频率锁定单元。

6.根据权利要求1-5中任一所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述第一激光系统以及第二激光系统均是光频梳系统或激光产生系统。

7.根据权利要求6所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述第一激光系统以及第二激光系统均是光频梳系统时，所述光频梳系统包括固体光频梳系统、光纤光频梳系统、片上集成光频梳系统、微腔的光频梳系统以及由稳频方式所产生光频梳的系统；所述光频梳系统是光纤光频梳系统时，所述光纤光频梳系统包括保偏光纤光频梳系统、非保偏光纤光频梳系统以及不同波段的光纤光频梳系统；所述第一激光系统以及第二激光系统均是激光产生系统时，所述激光产生系统是以锁模方式产生的光脉冲激光产生系统、增益开关激光产生系统、调制产生的激光产生系统或准连续激光产生系统；所述激光产生系统是以锁模方式产生的光脉冲激光产生系统时，所述激光产生系统是主动锁模方式产生的光脉冲激光产生系统或被动锁模方式产生的光脉冲激光产生系统。

8.根据权利要求7所述的激光系统频率同步系统，其特征在于：所述标准电信号产生单元包括原子钟以及频率综合器；所述频率综合器的数量与主频率信号发生单元和次频率信号发生单元的数量和相同；所述原子钟分别通过频率综合器与主频率信号发生单元以及次频率信号发生单元相连。

9.一种基于如权利要求8所述的激光系统频率同步系统的频率同步方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)由第一激光系统以及第二激光系统分别输出含有重复频率fr1的光信号以及含有重复频率fr2的光信号；

2)使含有重复频率fr1的光信号以及含有重复频率fr2的光信号分别经过第一光电探测器以及第二光电探测器，将重复频率fr1光信号以及含有重复频率fr2的光信号分别转换成第一电信号以及第二电信号；

3)第一电信号依次经第一滤波器、第一电放大器以及功分器后的电信号分为两路，其中一路与来自原子钟经第一频率综合器变频的标准电信号在第一电混频器上进行混频，获得的误差信号经第一伺服器反馈给第一光频梳系统的频率锁定单元；另一路注入次频率信号发生单元第一电混频器；

4)第二电信号依次经过第二滤波器以及第二电放大器后与来自第一电信号经功分器后的电信号一同注入次频率信号发生单元第一电混频器进行混频，得到误差电信号，所述次频率信号发生单元第一电混频器产生的误差电信号包含第一激光系统频率变化信息以及第二激光系统频率变化信息；

5)将步骤4)中由次频率信号发生单元第一电混频器所产生的误差信号与来自原子钟经第二频率综合器变频的标准电信号在次频率信号发生单元第二电混频器上进行混频，获得由次频率信号发生单元第二电混频器产生的误差信号；将由次频率信号发生单元第二电混频器产生的误差信号经第二伺服器反馈给第二激光系统的频率锁定单元。