CN106159668B - 一种重复频率锁定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种重复频率锁定装置，具有：第一分束器；细调节部，用于对激光器的重复频率进行细调节，包括第一光电二极管、高压差频信号发生电路以及压电陶瓷，该压电陶瓷在高压差频信号的驱动下伸长或缩短，改变光学镜片的位置从而实现细调节；粗跟踪部，用于对激光器的重复频率进行粗跟踪，包括精密步进电机以及步进电机驱动器；数模转换电路，用于将高压差频信号转换为对应的数字信号；控制部，根据数字信号及预设程序对步进电机驱动器进行控制，从而实现对粗调节的控制。本发明还提供了一种重复频率锁定方法，该装置及方法能够实现较大范围内的精确调节，能够将激光器的重复频率锁定在预定的重复频率。

Description

一种重复频率锁定装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种重复频率锁定装置及方法。

背景技术

光学频率梳是一种超短脉冲激光，包含了一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。光学频率梳能够将光频测量转换成一系列的射频测量，因此在高精度时间测量、精密物理测量上有着重要的应用价值。

光学频率梳由锁模激光器产生，将锁模激光器的重复频率和载波包络相位锁定后即可产生光学频率梳。

图2为现有技术中锁模激光器的结构示意图。

如图2所示，现有技术中的一种锁模激光器30包括泵源302、第一复合器件301、掺Yb光纤303、第二复合器件304、第一1/4波片305-1、1/2玻片306、偏振分束镜308、第二1/4波片305-2、光栅对309、高反镜片310以及第三1/4波片305-3。其中，第一复合器件301为波分复用器与准直器耦合而成，第二复合器件304为隔离器与准直器耦合而成。

泵源302为980nm光源，输出的光经第一复合器件301中的波分复用器端面反射进入掺Yb光纤303，泵浦产生了1030nm的光，该1030nm光为光纤光，经第二复合器件304变为空间光。该空间光为线偏振光，经第一1/4波片305-1转变后得到椭圆偏振光。通过1/2玻片306调整该椭圆偏振光中水平和垂直偏振态的光的比例后，再用偏振分束镜308进行分束，其中的垂直偏振光被偏振分束镜308折射出去成为输出光(即图中的output)；水平偏振光通过偏振分束镜308、第二1/4波片305-2后进入光栅309进行脉宽的压缩，并经高反镜片310反射后返回，再次通过光栅309和第二1/4波片305-2回到偏振分束镜308。由于两次通过第二1/4波片305-2，该束光的偏振态旋转90度，成为另一束垂直偏振光，在偏振分束镜308中被折射，在通过第三1/4波片305-3后进入第一复合器件301，由空间光转变为光纤光，由此，输出光中就具有了一定的重复频率。

在上述的锁模激光器中，激光器输出的重复频率与其中激光腔的长度直接对应，即f＝c/nL，其中f为重复频率，c为光速，n为介质折射率(上述锁模激光器中，该介质为空气)，L为激光腔的长度。由此可知，激光腔长度的微小变化即可引起激光器输出的重复频率发生变化。在实际应用过程中，由于外界环境中存在干扰，激光腔的长度难以稳定不变，因而使得激光器输出的重复频率发生漂移，难以稳定在预定重复频率。

目前常用的重复频锁定率方式是利用压电陶瓷进行反馈调节：将激光腔端部的光学镜片(即高反镜片310)固定在压电陶瓷上，检测激光器实际输出频率与预定的重复频率之间的差别，并将光信号转变为表示出该差别的电信号加载在压电陶瓷的两端，使得激光器输出的重复频率变化时，压电陶瓷反馈性地伸长或缩短，带动光学镜片发生位置变化，从而改变激光腔的长度，达到控制激光器的重复频率的目的。

但是，由于压电陶瓷的伸缩能力有限，在环境复杂、干扰较多的情况下，重复频率所发生的漂移较为严重，上述反馈调节难以实现重复频率的稳定，导致重复频率容易失锁。这种缺陷使锁模激光器对环境要求较高，限制了其应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种重复频率锁定装置，用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔以及设置在该激光腔端部的光学镜片，其特征在于，具有：第一分束器，设置在激光器的输出光路上，将激光器输出的激光分成输出束以及信号束；细调节部，用于对激光器的重复频率进行细调节，包括设置在信号束光路上并将信号束转变为电信号的第一光电二极管、接收电信号并获得高压差频信号的高压差频信号发生电路以及承载有光学镜片的压电陶瓷，该压电陶瓷在高压差频信号的驱动下伸长或缩短，改变光学镜片的位置从而实现细调节；粗跟踪部，用于对激光器的重复频率进行粗跟踪，包括步进电机以及步进电机驱动器，步进电机承载有压电陶瓷，在步进电机驱动器的驱动下改变压电陶瓷的位置，从而实现粗跟踪；数模转换电路，与高压差频信号发生电路连接，用于将高压差频信号分压后转变为对应的数字信号；控制部，接收数字信号，并根据数字信号及预设程序对步进电机驱动器进行控制，从而实现对粗跟踪的控制。

本发明提供的重复频率锁定装置，还可以包括：重复频率监测部，具有第二分束器、第二光电转换器以及频率计，第二分束器设置在信号束的光路上，从信号束中分出一部分作为监测信号束，第二光电转换器与频率计配合，用于检测得到监测信号束的重复频率并对该重复频率进行显示输出。

本发明提供的重复频率锁定装置，还可以具有如下技术特征：其中，高压差频信号发生电路包括信号发生器以及依次连接的带通滤波器、混频器、低通滤波器、二级高压功率运算放大器，信号发生器与混频器连接，用于输出与预定重复频率相同的定频正弦信号，混频器接收第一光电二极管产生的电信号，将电信号与定频正弦信号进行混合并输出给低通滤波器，得到差频信号，该差频信号经二级高压功率运算放大器放大得到高压差频信号。

本发明还提供了一种重复频率锁定方法，用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔以及设置在该激光腔端部的光学镜片，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，打开激光器，采用第一分束器将激光器输出的激光分为输出束和信号束；

步骤2，采用第一光电二极管接收信号束并将其转变为与激光器当前的重复频率相对应的电信号，将该电信号与具有一定频率的定频正弦信号混合后提取差频信号并放大输出，得到高压差频信号；

步骤3，采用数模转换电路将高压差频信号进行分压，转变为与高压差频信号相对应的数字信号，并将该数字信号传输给控制部；

步骤4，将高压差频信号直接输出到压电陶瓷上，压电陶瓷被高压差频信号驱动而伸长或缩短，带动光学镜片的位置发生变化，改变激光腔的长度，从而改变激光器输出的重复频率，使激光器的重复频率与定频正弦信号的频率一致；

步骤5，调节定频正弦信号的频率，进行细调节范围测试，得到细调节范围，控制部对该细调节范围进行存储；

步骤6，将定频正弦信号调节至与预定重复频率一致，重复步骤2至步骤3，得到此时的高压差频信号所对应的数字信号，控制部判断该数字信号是否在细调节范围内，

若该数字信号在细调节范围内，则进入步骤7，

若该数字信号超过细调节范围则由控制部发送信号给步进电机驱动器，驱动步进电机对压电陶瓷的位置进行调节，带动光学镜片的位置发生变化，改变激光腔的长度，从而调节激光器的输出频率，直到高压差频信号所对应的数字信号落入细调节范围内，重复步骤2至步骤3，然后进入步骤7；

步骤7，重复步骤4，使激光器的重复频率与定频正弦信号一致，即、与预定重复频率一致。

本发明提供的重复频率锁定方法，还可以具有如下技术特征：

在步骤5中，细调节范围测试包括如下子步骤：

步骤5.1，增大定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后激光器输出的重复频率不能与定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.2，减小定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后激光器输出的重复频率不能与定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.3，将细调节范围上限和细调节范围下限输入控制部并进行存储，细调节范围上限和细调节范围下限之间的范围为细调节范围。

发明作用与效果

根据本发明提供的重复频率锁定装置及方法，由于细调节部能够对激光器输出的重复频率进行精确的反馈调节，并且控制部及粗跟踪部互相配合还能够对激光器输出的重复频率进行更大范围内的调节，因此利用本发明提供的装置及方法能够实现较大范围内的精确调节，即使是在环境干扰较大的情况下，也能够将激光器的重复频率锁定在预定的重复频率。

附图说明

图1为本发明的重复频率锁定装置结构示意图；

图2为现有技术中锁模激光器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

一、重复频率锁定装置

图1为本发明的重复频率锁定装置结构示意图。

如图1所示，本发明提供的重复频率锁定装置(以下简称锁定装置)10包括第一分束器11、细调节部13、粗跟踪部15、数模转换电路16以及控制部17。

锁定装置10用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔202以及设置在该激光腔202端部的光学镜片201。本实施例中，该激光器为锁模激光器，光学镜片201为高反镜片。

第一分束器11安装在激光器的输出光路上，将激光器的输出光output分为输出束output’以及信号束S。在本实施例中，第一分束器11的分束比为9:1，使得输出束output’的能量大于信号束S。

本实施例的锁定装置10还具有重复频率监测部14，包括第二分束器141、第二光电二极管142以及频率计143。第二分束器141设置在信号束S的光路上，将信号束分为第一信号束S1和第二信号束S2，并将该第二信号束S2作为监测信号束。第二光电二极管142设置在第二信号束S2的光路上，与频率计143配合，检测得到该第二信号束S2的重复频率并对该重复频率进行显示输出。由于第二信号束S2为信号束S的一部分，即、激光器输出的激光的一部分，因此重复频率检测部14所显示输出的频率即为当前激光器的重复频率。

细调节部13包括第一光电二极管131、高压差频信号发生电路以及压电陶瓷137。第一光电二极管131设置在第一信号束S1的光路上，将第一信号束S1转变为电信号传入高压差频信号发生电路。高压差频信号发生电路包括信号发生器136以及依次连接的带通滤波器132、混频器133、低通滤波器134、二级高压功率运算放大器135。带通滤波器132接收第一光电二极管131传来的电信号，滤出代表激光器输出光重复频率的正弦信号并传给混频器133；混频器133接收该正弦信号以及信号发生器136传来的代表预定重复频率的定频正弦信号，将两个信号混合后传给低通滤波器134，低通滤波器对传来的混合信号进行提取得到两个正弦信号的差频信号。该差频信号较为微弱，在经二级高压功率运算放大器135增强后即得到高压差频信号。

压电陶瓷137与高压差频信号发生电路中的二级高压功率运算放大器135连接，使得上述得到的高压差频信号被直接加载到压电陶瓷137的两端。压电陶瓷137上安装有激光器的光学镜片201，当压电陶瓷137被加载在两端的电压驱动时发生长度变化(电压增大时沿轴向伸长，电压减小时沿轴向缩短)，使得该光学镜片201的位置发生变化，从而改变激光腔202的长度L。

此外，二级高压功率运算放大器135还与数模转换电路16连接，该数模转换电路16能够将高压差频信号进行分压，转换为数字信号并传输给控制部17。

粗跟踪部15包括步进电机151和步进电机驱动器152，步进电机151上承载有压电陶瓷137，能够在步进电机驱动器152的驱动下调节压电陶瓷137的位置，从而改变光学镜片201的位置，使得激光腔202的长度改变，最终达到调节激光器输出的重复频率的目的。步进电机驱动器152接收控制部17的指令，并根据该指令对步进电机151进行驱动。

本实施例中，控制部17为计算机，具有预设的控制程序，接收数模转换电路16传来的数字信息，根据该数字信息、预设的控制程序以及使用者输入的信息对步进电机驱动器152发出相应的指令。

二、重复频率锁定方法

下面以预定重复频率已经确定为前提，对本实施例提供的重复频率锁定方法进行说明。本实施例提供的方法用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔以及设置在该激光腔端部的光学镜片。

步骤1，打开激光器，采用第一分束器将激光器输出的激光分为输出束和信号束；

步骤2，采用第一光电二极管接收信号束并将其转变为与激光器当前的重复频率相对应的电信号，将该电信号与具有一定频率的定频正弦信号混合后放大输出，得到高压差频信号；

步骤3，采用数模转换电路将高压差频信号进行分压，转变为与高压差频信号相对应的数字信号，并将该数字信号传输给控制部；

步骤4，将高压差频信号直接输出到压电陶瓷上，压电陶瓷被高压差频信号驱动而伸长或缩短，带动光学镜片的位置发生变化，改变激光腔的长度，从而改变激光器输出的重复频率，使激光器的重复频率与定频正弦信号的频率一致；

步骤5，调节定频正弦信号的频率，进行细调节范围测试，得到细调节范围，控制部对该细调节范围进行存储，包括如下子步骤：

步骤5.1，增大定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后激光器输出的重复频率不能与定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.2，减小定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后激光器输出的重复频率不能与定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.3，将细调节范围上限和细调节范围下限输入控制部并进行存储，细调节范围上限和细调节范围下限之间的范围为细调节范围；

步骤6，将定频正弦信号调节至与预定重复频率一致，重复步骤2至步骤3，得到此时的高压差频信号所对应的数字信号，控制部判断该数字信号是否在细调节范围内，若超过细调节范围则发送信号给步进电机驱动器，驱动步进电机对压电陶瓷的位置进行调节，带动光学镜片的位置发生变化，改变激光腔的长度，从而调节激光器的输出频率，直到高压差频信号所对应的数字信号落入细调节范围内，然后再重复步骤2至步骤3；

步骤7，重复步骤4，使激光器的重复频率与定频正弦信号一致，即、与预定重复频率一致。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的重复频率锁定装置及方法，由于细调节部能够对激光器输出的重复频率进行精确的反馈调节，并且控制部及粗跟踪部互相配合还能够对激光器输出的重复频率进行更大范围内的调节，因此利用本实施例提供的装置能够达到较大范围内的精确调节，即使是在环境干扰较大的情况下，也能够将激光器的重复频率锁定在预定的重复频率。其中，压电陶瓷的伸缩精度可达um量级，因此激光器重复频率的锁定精度可达mHz量级。

此外，本实施例提供的方法中，细调节范围是通过细调节上限及细调节下限测试得到的，在使用同样的装置或设备的情况下，该测试可以只进行一次，将得到的细调节范围进行存储，即可在此后的激光器重复频率锁定过程中一直使用。

以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而本发明的范围不仅限于上述实施例所描述的范围。

例如，在实施例的锁定装置中，信号发生器是独立的，其输出的定频正弦信号需要单独设定，但在本发明中，该信号发生器也可以与控制部连接，通过控制部对输出的定频正弦信号进行控制。

在实施例的锁定装置中，控制部为计算机，但在本发明中，该控制部也可以是具有输入、输出、计算及存储功能的控制盒。

在实施例中，锁定装置具有重复频率监测部以便对激光器输出的实时重复频率进行显示输出，但在本发明中，当不需要进行重复频率监控时，该重复频率监测部也可以去掉，信号束不分为第一信号束和第二信号束，而是全部被第一光电二极管接收，此时信号束的作用与实施例中的第一信号束相同。

在实施例提供的方法中，细调节范围是细调节范围上限和细调节范围下限之间的范围，但在本发明中，为了提高粗跟踪的反应灵敏度，细调节范围可以小于细调节范围上限和细调节范围下限之间的范围。

Claims (4)

1.一种重复频率锁定装置，用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔以及设置在该激光腔端部的光学镜片，其特征在于，具有：

第一分束器，设置在所述激光器的输出光路上，将所述激光器输出的激光分成输出束以及信号束；

细调节部，用于对所述激光器的重复频率进行细调节，包括设置在所述信号束光路上并将所述信号束转变为电信号的第一光电二极管、接收所述电信号并获得高压差频信号的高压差频信号发生电路以及承载有所述光学镜片的压电陶瓷，该压电陶瓷在所述高压差频信号的驱动下伸长或缩短，改变所述光学镜片的位置从而实现所述细调节；

粗跟踪部，用于对所述激光器的重复频率进行粗跟踪，包括步进电机以及步进电机驱动器，所述步进电机承载有所述压电陶瓷，在所述步进电机驱动器的驱动下改变所述压电陶瓷的位置，从而实现所述粗跟踪；

模数转换电路，与所述高压差频信号发生电路连接，用于将所述高压差频信号分压后转变为对应的数字信号；

控制部，接收所述数字信号，并根据所述数字信号及预设程序对所述步进电机驱动器进行控制，从而实现对所述粗跟踪的控制，

其中，还具有一种基于所述重复频率锁定装置的重复频率锁定方法，用于将激光器的重复频率锁定至预定重复频率，该激光器具有激光腔以及设置在该激光腔端部的光学镜片，包括如下步骤：

步骤1，打开所述激光器，采用第一分束器将所述激光器输出的激光分为输出束和信号束；

步骤2，采用第一光电二极管接收所述信号束并将其转变为与所述激光器当前的重复频率相对应的电信号，将该电信号与具有一定频率的定频正弦信号混合后提取差频信号并放大输出，得到高压差频信号；

步骤3，采用模数转换电路将所述高压差频信号进行分压，转变为与所述高压差频信号相对应的数字信号，并将该数字信号传输给控制部；

步骤4，将所述高压差频信号直接输出到所述压电陶瓷上，所述压电陶瓷被所述高压差频信号驱动而伸长或缩短，带动所述光学镜片的位置发生变化，改变所述激光腔的长度，从而改变所述激光器输出的重复频率，使所述激光器的重复频率与所述定频正弦信号的频率一致；

步骤5，调节所述定频正弦信号的频率，进行细调节范围测试，得到细调节范围，控制部对该细调节范围进行存储；

步骤6，将所述定频正弦信号调节至与所述预定重复频率一致，重复步骤2至步骤3，得到此时的高压差频信号所对应的数字信号，所述控制部判断该数字信号是否在所述细调节范围内，

若该数字信号在所述细调节范围内，则进入步骤7，

若该数字信号超过所述细调节范围则由所述控制部发送信号给步进电机驱动器，驱动步进电机对所述压电陶瓷的位置进行调节，带动所述光学镜片的位置发生变化，改变所述激光腔的长度，从而调节所述激光器的输出频率，直到高压差频信号所对应的数字信号落入所述细调节范围内，重复步骤2至步骤3，然后进入步骤7；

步骤7，重复步骤4，使所述激光器的重复频率与所述定频正弦信号一致，即、与所述预定重复频率一致。

2.根据权利要求1所述的重复频率锁定装置，其特征在于，还包括：

重复频率监测部，具有第二分束器、第二光电转换器以及频率计，所述第二分束器设置在所述信号束的光路上，从所述信号束中分出一部分作为监测信号束，

所述第二光电转换器与所述频率计配合，用于检测得到所述监测信号束的重复频率并对该重复频率进行显示输出。

3.根据权利要求1所述的重复频率锁定装置，其特征在于：

其中，所述高压差频信号发生电路包括信号发生器以及依次连接的带通滤波器、混频器、低通滤波器、二级高压功率运算放大器，

所述信号发生器与所述混频器连接，用于输出与预定重复频率相同的定频正弦信号，

所述混频器接收所述第一光电二极管产生的电信号，将所述电信号与所述定频正弦信号进行混合并输出给所述低通滤波器，得到差频信号，该差频信号经所述二级高压功率运算放大器放大得到所述高压差频信号。

4.根据权利要求1所述的重复频率锁定装置，其特征在于，

在步骤5中，所述细调节范围测试包括如下子步骤：

步骤5.1，增大所述定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后所述激光器输出的重复频率不能与所述定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.2，减小所述定频正弦信号的频率，重复步骤2至步骤4，直到步骤4结束后所述激光器输出的重复频率不能与所述定频正弦信号的频率一致，此时得到的高压差频信号所对应的数字信号为细调节范围上限；

步骤5.3，将细调节范围上限和细调节范围下限输入控制部并进行存储，所述细调节范围上限和细调节范围下限之间的范围为所述细调节范围。