CN106842761A - 基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法 - Google Patents

基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法 Download PDF

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Abstract

一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法，其特点在于该装置包括光学系统和电子学控制系统，所述的光学系统，包括半导体激光器、光纤激光放大器、环形倍频腔和HC鉴频光路，所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置、光电探测器、压电陶瓷、高压放大器和示波器。本发明根据光学腔信号在锁定前后的特点，利用简单的模拟电子元件实现了环形倍频腔的快速自动锁定，无需数字自动锁腔装置所需的软件编程和模数转换过程，具有锁定时间短、结构简单、成本低廉和快速自动锁腔优点，提高了连续窄线宽激光器的长期稳定运行能力。

Description

基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法
技术领域
本发明属于光学腔自动锁定装置，具体是一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法。
背景技术
目前，连续可调谐窄线宽激光已经广泛用在高分辨激光光谱和光晶格原子钟等精密测量物理实验中，其中，某些特殊波长的激光需要通过连续激光器进行倍频获得。通过外腔增益倍频是提高倍频效率的有效途径，其基本原理是把环形腔锁定到基频光频率，使环形腔和基频光达到共振以提高腔内基频光功率，从而提高倍频效率。然而，环形腔在实验过程中非常容易受到外界环境中声音、振动的干扰导致失锁，失锁后往往需要科研人员重新手动锁定，这对于像光晶格原子钟这样需要连续运行的物理系统是不利的，所以我们在实现环形腔锁定的同时，还需要使环形腔失锁后可以快速自动锁定。光学腔自动锁定装置除了可以应用于环形倍频腔，还适用于其他的激光稳频实验，比如激光频率锁定到相应参考标准(如FP腔)的稳频实验。实验室中通常采用PDH方法、HC方法等手段来产生光学腔的鉴频光谱，再通过伺服反馈给腔镜上的压电陶瓷(PZT)实现光学腔的锁定。目前常见的数字自动锁定装置和方法[CN103513490B]往往通过数据采集板卡进行高速采样，再通过电脑软件编程对数字信号进行所需的PID运算并编写锁腔所需的逻辑功能来实现激光的自动稳频。这类自动锁定装置可以应用到激光光谱、非经典光学态的制备等实验中，具有适用范围广，易于逻辑编程等优点，但它的缺点在于所需的数据采集卡价格昂贵，对于一些仅需要光学腔锁定的实验造成了资源的浪费。此外，还有基于惯性同步电路(flywheel circuit)和自动增益控制电路(automatic gain control circuit)来实现FP腔自动锁定的装置[Reviewof Scientific Instruments,76,026101(2005)]，其问题在于当FP腔远离共振点时需要较长时间自动锁定，较长的锁定时间对长期连续运行的实验显然是不利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其频腔方法，根据光学腔信号在锁定前后的特点，利用简单的模拟电子元件实现了环形倍频腔的快速自动锁定，无需数字自动锁腔装置所需的软件编程和模数转换过程，具有锁定时间短、结构简单、成本低廉和快速自动锁腔优点，提高了连续窄线宽激光器的长期稳定运行能力。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，其特点在于该装置包括光学系统和电子学控制系统：
所述的光学系统，包括半导体激光器、光纤激光放大器、环形倍频腔和HC鉴频光路，所述的环形倍频腔的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜、第二腔镜、第三腔镜、非线性晶体、耦合腔镜和输入耦合镜构成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器输出的基频光经所述的光纤激光放大器、输入耦合镜输入所述的环形倍频腔，在腔内共振增强，由非线性晶体倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜输出，所述的HC鉴频光路的输入端口位于所述的输入耦合镜的基频光的反射方向；
所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置、光电探测器、压电陶瓷、高压放大器和示波器，所述的自动锁腔装置设有误差信号端口、锁腔信号输出端口、参考电压端口、环形腔透射信号输入端口和信号监测端口，所述的光电探测器位于所述的第三腔镜的基频光的透射信号方向，该光电探测器的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口相连，所述的压电陶瓷贴在所述的第二腔镜的背面；
所述的HC鉴频光路的输出端与所述的误差信号端口相连，所述的光电探测器的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口相连，所述的参考电压端口供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口经所述的高压放大器与所述的压电陶瓷的控制端相连，所述的信号监测端口与所述的示波器的输入端相连；
所述的自动锁腔装置包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：
所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的一个输入端；
所述的PID伺服控制部分包括积分器、比例器、微分器、加法器和积分电容，由所述的HC鉴频光路的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口分别经过积分器、比例器和微分器输入加法器产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的另一输入端；
所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器、第一模拟开关、限流电阻、第二模拟开关、采样保持电阻、采样保持电容、第一电压跟随器和第二电压跟随器,所述的限流电阻和所述的第一模拟开关串联后与所述的积分器的积分电容并联，所述的电压比较器的负端接所述的参考电压端口，正端接所述的环形腔透射信号输入端口，电压比较器的输出端分别与所述的第一模拟开关的控制端和第二模拟开关的控制端相连，所述的第二模拟开关的输出端依次经第一电压跟随器、第二电压跟随器与所述的锁腔信号输出端口相连，在所述的第一电压跟随器和第二电压跟随器之间经所述的采样保持电阻、采样保持电容接地。
利用上述基于模拟电路的光学腔锁定装置的自动锁腔方法，该方法包括如下步骤：
1)自动锁腔装置设置参数：
设置三角波的扫描信号周期T>>采样保持电容的充放电时间τ>>第二模拟开关的切换时间t，设置锁腔PID参数：包括比例、积分、微分参数，所述的电压比较器负端的参考电压设置为环形腔透射信号最大电压值的50％到60％；第一模拟开关的控制端和第二模拟开关的切换时间t为10ns左右，第一模拟开关串联的限流电阻的阻值为1K欧姆；
2)所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的一个输入端；启动所述的半导体激光器，所述的光电探测器探测所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口输入所述的自动锁腔装置；所述的HC鉴频光路在接收所述的输入耦合镜反射的基频光后产生误差信号，经所述的误差信号端口输入所述的自动锁腔装置，该误差信号经所述的积分器、比例器和微分器由加法器产生锁腔伺服控制信号输入第二模拟开关的另一输入端；当所述的第二模拟开关关闭时，输入的信号依次经所述的第一电压跟随器、第二电压跟随器、锁锁腔信号输出端口、高压放大器后施加在所述的压电陶瓷的控制端，实现锁腔；
3)所述的光电探测器将所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口输入所述的自动锁腔装置：
当所述的环形腔失锁时，所述的电压比较器输出低电位，第二模模拟开关自动断开锁腔伺服控制信号而连接所述的扫腔信号，同时第一模拟开关闭合，积分电容放电，关闭所述的积分器，所述的限流电阻起保护第一模拟开关的作用；
当所述的光电探测器探测到所述的环形腔的共振峰时，所述的电压比较器输出高电位，第二模拟开关断开扫腔信号重新切换到锁腔伺服控制信号，同时第一模拟开关自动断开，使积分器重新起作用，在开关切换时间内所述的采样保持电容使压电陶瓷上的电位维持在共振峰电位，实现自动锁定功能。
本发明的技术效果：
在光学腔受到环境干扰导致失锁后，本发明可以实现环形腔的快速自动锁定，从而提高连续窄线宽激光器长期稳定运行能力，有利于光晶格钟和冷原子物理实验的长期连续测量。本发明与常见的激光自动稳频装置相比无需采购昂贵的数据采集板卡，也无需利用计算机软件编程实现相应的PID算法和逻辑判断，具有锁定时间短，结构简单，成本低廉的优点。
附图说明
图1是本发明基于模拟电路的光学腔自动锁定装置结构示意图；
图2是本发明自动锁定装置的示意图；
图3是本发明实施例自动锁定结果图；
具体实施方式
下面结合附图的实施例对本发明做进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1、图1是本发明基于模拟电路的光学腔自动锁定装置结构示意图，由图可见，本发明基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，包括光学系统和电子学控制系统：
所述的光学系统，包括半导体激光器1、光纤激光放大器2、环形倍频腔4和HC鉴频光路5，所述的环形倍频腔4的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜401、第二腔镜402、第三腔镜403、非线性晶体405、耦合腔镜404和输入耦合镜401成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器1输出的基频光经所述的光纤激光放大器2、输入耦合镜401输入所述的环形倍频腔4，在腔内共振增强，由非线性晶体405倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜404输出，所述的HC鉴频光路5的输入端口位于所述的输入耦合镜401的基频光的反射方向；
所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置3、光电探测器6、压电陶瓷7、高压放大器8和示波器9，所述的自动锁腔装置3设有误差信号端口301、锁腔信号输出端口302、参考电压端口303、环形腔透射信号输入端口304和信号监测端口305，所述的光电探测器6位于所述的第三腔镜43的基频光的透射信号方向，该光电探测器6的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口304相连，所述的压电陶瓷7贴在所述的第二腔镜402的背面；
所述的HC鉴频光路5的输出端与所述的误差信号端口301相连，所述的光电探测器6的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口304相连，所述的参考电压端口303供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口302经所述的高压放大器8与所述的压电陶瓷7的控制端相连，所述的信号监测端口305与所述的示波器9的输入端相连；
请参见图2，图2是本发明自动锁定装置的示意图，所述的自动锁腔装置3包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：
所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关314的一个输入端；
所述的PID伺服控制部分包括积分器307、比例器308、微分器309、加法器310和积分电容313，由所述的HC鉴频光路5的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口301分别经过积分器307、比例器308和微分器309输入加法器310产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关314的另一输入端；
所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器306、第一模拟开关311、限流电阻312、第二模拟开关314、采样保持电阻315、采样保持电容316、第一电压跟随器317和第二电压跟随器318,所述的限流电阻312和所述的第一模拟开关311串联后与所述的积分器307的积分电容313并联，所述的电压比较器306的负端接所述的参考电压端口303，正端接所述的环形腔透射信号输入端口304，电压比较器306的输出端分别与所述的第一模拟开关311的控制端和第二模拟开关314的控制端相连，所述的第二模拟开关314的输出端依次经第一电压跟随器317、第二电压跟随器318与所述的锁腔信号输出端口302相连，在所述的第一电压跟随器317和第二电压跟随器318之间经所述的采样保持电阻315、采样保持电容316接地。
下面是本发明基于模拟电路实现的光学腔自动锁定装置实施例的情况补充说明如下：
所述的半导体激光器1是窄线宽可调谐激光器，输出连续窄线宽种子激光；
激光放大器2将输入种子光放大后输出大功率基频光；
HC鉴频光路5：包括中性滤波片，四分之一波片、偏振分束器和两个光电探测器。两个光电探测信号经过差分提取产生误差信号；
光电探测器6：腔镜M3后的光电探测器6探测环形腔4内基频光透射信号，接入到自动锁腔装置3；
压电陶瓷7：粘于第二腔镜402后面，通过改变压电陶瓷7上的电压来改变第二腔镜402的进退以控制环形腔4的腔长；
高压放大器8：将扫腔信号或锁腔伺服控制信号放大输出到压电陶瓷7；
示波器9：通过自动锁腔装置3的观测接口305观测透射腔信号303和参考电压信号304。
利用上述基于模拟电路的光学腔自动锁定装置的自动锁腔方法，包括如下步骤：
1)自动锁腔装置3设置参数：
设置三角波的扫描信号周期T>>采样保持电容316的充放电时间τ>>第二模拟开关314的切换时间t，设置锁腔PID参数：包括比例、积分、微分参数，所述的电压比较器306负端的参考电压设置为环形腔透射信号最大电压值的50％到60％；第一模拟开关311的控制端和第二模拟开关314的切换时间t为10ns左右，第一模拟开关311串联的限流电阻312的阻值为1K欧姆；
2)所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关314的一个输入端；启动所述的半导体激光器1，所述的光电探测器6探测所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口304输入所述的自动锁腔装置3；所述的HC鉴频光路5在接收所述的输入耦合镜41反射的基频光后产生误差信号，经所述的误差信号端口301输入所述的自动锁腔装置3，该误差信号经所述的积分器307、比例器308和微分器309由加法器310产生锁腔伺服控制信号输入第二模拟开关314的另一输入端；当所述的第二模拟开关314闭合时，输入的信号依次经所述的第一电压跟随器317、第二电压跟随器318、锁锁腔信号输出端口302、高压放大器8后施加在所述的压电陶瓷7的控制端，实现锁腔；
3)所述的光电探测器6将所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口304输入所述的自动锁腔装置3：
当所述的环形腔4失锁时，所述的电压比较器306输出低电位，第二模模拟开关314自动断开锁腔伺服控制信号而连接所述的扫腔信号，同时第一模拟开关311闭合，积分电容313放电，关闭所述的积分器307，所述的限流电阻312起保护第一模拟开关311的作用；
当所述的光电探测器6探测到所述的环形腔4的共振峰时，所述的电压比较器306输出高电位，第二模拟开关314断开扫腔信号重新切换到锁腔伺服控制信号，同时第一模拟开关311自动断开，使积分器307重新起作用，在开关切换时间内所述的采样保持电容316使压电陶瓷7上的电位维持在共振峰电位，实现自动锁定功能。
实施例的参数选择：
扫腔三角波信号由ICL8038芯片产生，需要选择合适的扫描周期T以减少失锁后重新锁定的时间，选择合适的扫描幅度观测环形腔共振透射信号。锁腔逻辑功能中电压比较器306负端的参考电压303设置为环形腔透射信号304最大电压值的50％到60％左右，通过观测端口305用示波器9观测；第一模拟开关311和第二模拟开关314的具体型号分别为Max317和Max319，切换时间t足够短(典型值为10ns左右)，为了保护模拟开关311，需要串联一个阻值约1K的限流电阻312；采样保持功能包括采样保持电容Ch316、电阻Rh315和两个第一电压跟随器317,第二电压跟随器318，第一电压跟随器317,第二电压跟随器318用来改善信号的输入输出特性，采样保持电容Ch(316)的充放电时间可以表示为τ＝RhCh，在第二模拟开关314切换前后采样保持电容316可以起到电位的采样保持作用；第一模拟开关311在失锁时闭合使积分电容313放电，在找到共振峰时断开使积分器307重新起作用。
要实现自动锁腔功能，必须选择合适的时间参数：三角波的扫描周期T>>采样保持电容316的充放电时间τ>>第二模拟开关314的切换时间t。一般选择的扫描周期T约为几十到100ms，选择过大的T会增加共振峰的寻找时间，导致自动锁定速度降低，而过小的T又会导致采样保持电容316的采样信号滞后(电容来不及充电到当前电位)；采样保持电容316充放电时间τ设置在几十微秒到一千微秒，相应的电容316选择范围为0.1-10μF；而第二模拟开关314切换时间为10ns左右，远远小于电容316的充放电时间。
图2是自动锁腔装置电路原理图。选择三角波扫腔周期T为90ms,峰峰值为1.5V；采样保持电容316为1μF，电阻315为50Ω，相应的充放电时间为50μs。透射腔信号304的最大电压为2.6V，参考电压值303预设为1.3V。
图3是本发明实施例的自动锁定结果图。在外界干扰导致失锁后，环形腔实现了快速自动锁定，锁定所需的典型时间约60ms,通过减小扫腔周期T，可以进一步的提升自动锁定速度。
实验表明，本发明根据光学腔信号在锁定前后的特点，利用简单的模拟电子元件实现了环形倍频腔的快速自动锁定，无需数字自动锁腔装置所需的软件编程和模数转换过程，具有锁定时间短、结构简单、成本低廉和快速自动锁腔优点，提高了连续窄线宽激光器的长期稳定运行能力。

Claims (2)

1.一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，其特征在于该装置包括光学系统和电子学控制系统：
所述的光学系统，包括半导体激光器(1)、光纤激光放大器(2)、环形倍频腔(4)和HC鉴频光路(5)，所述的环形倍频腔(4)的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜(401)、第二腔镜(402)、第三腔镜(403)、非线性晶体(405)、耦合腔镜(404)和输入耦合镜(401)成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器(1)输出的基频光经所述的光纤激光放大器(2)、经所述的输入耦合镜(401)输入所述的环形倍频腔(4)，在腔内共振增强，由非线性晶体(405)倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜(404)输出，所述的HC鉴频光路(5)的输入端口位于所述的输入耦合镜(401)的基频光的反射方向；
所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置(3)、光电探测器(6)、压电陶瓷(7)、高压放大器(8)和示波器(9)，所述的自动锁腔装置(3)设有误差信号端口(301)、锁腔信号输出端口(302)、参考电压端口(303)、环形腔透射信号输入端口(304)和信号监测端口(305)，所述的光电探测器(6)位于所述的第三腔镜(43)的基频光的透射信号方向，该光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的压电陶瓷(7)贴在所述的第二腔镜(42)的背面；
所述的HC鉴频光路(5)的输出端与所述的误差信号端口(301)相连，所述的光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的参考电压端口(303)供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口(302)经所述的高压放大器(8)与所述的压电陶瓷(7)的控制端相连，所述的信号监测端口(305)与所述的示波器(9)的输入端相连；
所述的自动锁腔装置(3)包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：
所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的一个输入端；
所述的PID伺服控制部分包括积分器(307)、比例器(308)、微分器(309)、加法器(310)和积分电容(313)，由所述的HC鉴频光路(5)的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口(301)分别经过积分器(307)、比例器(308)和微分器(309)输入加法器(310)产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的另一输入端；
所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器(306)、第一模拟开关(311)、限流电阻(312)、第二模拟开关(314)、采样保持电阻(315)、采样保持电容(316)、第一电压跟随器(317)和第二电压跟随器(318),所述的限流电阻(312)和所述的第一模拟开关(311)串联后与所述的积分器(307)的积分电容(313)并联，所述的电压比较器(306)的负端接所述的参考电压端口(303)，正端接所述的环形腔透射信号输入端口(304)，电压比较器(306)的输出端分别与所述的第一模拟开关(311)的控制端和第二模拟开关(314)的控制端相连，所述的第二模拟开关(314)的输出端依次经第一电压跟随器(317)、第二电压跟随器(318)与所述的锁腔信号输出端口(302)相连，在所述的第一电压跟随器(317)和第二电压跟随器(318)之间接所述的采样保持电阻(315)、采样保持电容(316)接地。
2.利用权利要求1所述的基于模拟电路的光学腔自动锁定装置的自动锁腔方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)自动锁腔装置3设置参数：
设置三角波的扫描信号周期T>>采样保持电容(316)的充放电时间τ>>第二模拟开关(314)的切换时间t，设置锁腔PID参数：包括比例、积分、微分参数，所述的电压比较器(306)负端的参考电压设置为环形腔透射信号最大电压值的50％到60％；第一模拟开关(311)和第二模拟开关(314)的切换时间t为10ns左右，第一模拟开关(311)串联的限流电阻(312)的阻值为1K欧姆；
2)所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的一个输入端；启动所述的半导体激光器(1)，所述的光电探测器(6)探测所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口(304)输入所述的自动锁腔装置(3)；所述的HC鉴频光路(5)在接收所述的输入耦合镜(401)反射的基频光后产生误差信号，经所述的误差信号端口(301)输入所述的自动锁腔装置(3)，该误差信号经所述的积分器(307)、比例器(308)和微分器(309)由加法器(310)产生锁腔伺服控制信号输入第二模拟开关(314)的另一输入端；当所述的第二模拟开关(314)关闭时，输入的信号依次经所述的第一电压跟随器(317)、第二电压跟随器(318)、锁锁腔信号输出端口(302)、高压放大器(8)后施加在所述的压电陶瓷(7)的控制端，实现锁腔；
3)所述的光电探测器(6)将所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口(304)输入所述的自动锁腔装置(3)：
当所述的环形腔(4)失锁时，所述的电压比较器(306)输出低电位，第二模模拟开关(314)自动断开锁腔伺服控制信号而连接所述的扫腔信号，同时第一模拟开关(311)闭合，积分电容(313)放电，关闭所述的积分器(307)，所述的限流电阻(312)起保护第一模拟开关(311)的作用；
当所述的光电探测器(6)探测到所述的环形腔(4)的共振峰时，所述的电压比较器(306)输出高电位，第二模拟开关(314)断开扫腔信号重新切换到锁腔伺服控制信号，同时第一模拟开关(311)自动断开，使积分器(307)重新起作用，在开关切换时间内所述的采样保持电容(316)使压电陶瓷(7)上的电位维持在共振峰电位，实现自动锁定功能。
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