CN107240854B - 基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法及装置。将待稳频激光和光频梳的激光合光后处理得到探测信号，通过滤波器去除光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号，然后对保留的拍频信号进行欠采样采集为数字信号，欠采样过程中各个拍频信号频谱将反折或折叠到第一奈奎斯特区，将各个拍频信号叠加获得总拍频信号，通过锁相放大器获得总拍频信号和参考正弦信号之间的相位误差信号，通过数字PID运算后获得频率反馈控制信号，用频率反馈控制信号对待稳频激光器的输出频率进行调整实现偏频锁定。本发明解决了激光器锁定至光频梳技术中拍频信号信噪比难以提高的问题，提高了激光频率稳定度，可以广泛适用于激光精密计量领域。

Description

基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法及装置
技术领域
本发明属于激光稳频技术领域，特别是一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法及装置。
背景技术
激光干涉测量技术具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、可直接溯源到米定义等优越性能，因此被广泛用于高精度位移测量、超精密加工制造及仪器检测校准中。激光稳频技术的关键在于选取稳定的参考频率标准，常见激光稳频技术主要可以分为四类：第一类为以增益曲线中心频率为标准和以Lamb凹陷中心频率为标准，但其中心频率容易受到温度、气压等条件的影响，频率稳定度只能达到10-9；第二类采用稳定度高且线宽窄的原子或分子谱线作参考进行稳频，通过伺服系统将激光频率锁定吸收线中心频率处，具有较好的长期稳定性，频率稳定度可达10-13，但通常激光频率和强度都存在附加调制，并且输出功率低；第三类采用光学元件作为参考频率基准，多数采用法珀标准具，优点是适用于多种波段，精细度高，但法珀标准具对光学器件、环境要求较高，容易受到声音、震动的影响；第四类是采用高稳定性的激光作为参考频率标准，通过偏频锁定的方法将待稳频激光频率锁定至该频率标准，常见的有将可调谐激光器锁定至碘稳频激光器，稳定后的激光与碘稳频激光器频率稳定度处于同一量级，但和上述方法一样，受光电探测器的响应带宽限制，只能将待稳频激光频率稳定在特定值或特定的一个小范围内，不能实现大范围的频率锁定。
飞秒光频梳是一种在频率域上由许多个等间距的频率成分(梳齿)组合而成的宽光谱光源，波长范围覆盖可见光与近红外区域，其各个梳齿均可溯源至频率基准。将激光频率锁定至光频梳解决了上述频率锁定范围小等问题，但是飞秒光频梳单个梳齿的功率极低，导致了待稳频激光与光频梳的拍频信号的信噪比难以提高。所以，提高待稳频激光与光频梳的拍频信号信噪比成为提高激光频率稳定性需要解决的关键技术问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法及装置，解决了激光频率锁定至光频梳技术中拍频信号信噪比难以提高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
二、一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法：
1)将待稳频激光和光频梳的激光合光后依次经高速光电探测器、滤波器、射频放大器处理得到探测信号，拍频信号包括光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号以及待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的拍频信号；
2)通过滤波器去除光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号，然后通过模数转换器对保留的拍频信号进行欠采样并将模拟信号采集为数字信号，其中欠采样的采样频率与光频梳的重复频率相同且溯源至同一原子时钟，具体实施中模数转换器模拟带宽达到1GHz；
3)根据信号频谱对待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号按照待稳频激光和梳齿之间的相邻程度进行排序编号，从最相邻的梳齿开始从数字0开始用阿拉伯数字编号，并按梳齿在待稳频激光的左右侧位置将编号分为正负号，在待稳频激光左侧的梳齿对应的拍频信号编为正号，在待稳频激光右侧的梳齿对应的拍频信号编为负号，与待稳频激光频率左侧最接近的梳齿对应的拍频信号编为零；
具体是将与待稳频激光频率左侧最接近的梳齿对应的拍频信号编为零，将在待稳频激光左侧的梳齿对应的拍频信号从频率最接近编为数字1开始编号，将在待稳频激光右侧的梳齿对应的拍频信号从频率最接近编为数字-1开始编号。
4)由欠采样获得的数字信号进行求解获得待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号；
5)将各个拍频信号叠加获得总拍频信号，公式如下：
其中，j表示拍频信号的编号，-4～4表示拍频信号的编号的范围，A[j]表示编号j的拍频信号的幅值，Ts表示欠采样的采样周期，k表示离散的时间序号，Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数；
6)通过锁相放大器获得总拍频信号和参考正弦信号之间的相位误差信号，参考正弦信号是由直接数字频率合成器产生的正弦信号，通过数字PID运算后获得激光频率反馈控制信号，用激光频率反馈控制信号对待稳频激光器的输出频率进行调整实现偏频锁定。
具体实施中是，在FPGA内，使用锁相放大器获得误差信号，误差信号是指总拍频信号和参考正弦信号之间的相位误差信号，通过数字PID运算后获得频率反馈控制信号，频率反馈控制信号经由数模转换器、低通滤波器产生控制电压，控制电压传输到待稳频激光器的电压控制端，最终实现偏频锁定。
本发明经过步骤2)～4)处理获得的总拍频信号具备更高的信噪比。
所述步骤3)获得的各个拍频信号均可表示为xb[j](t)＝A[j]sin(2πfb[j]t)，各个拍频信号的拍频频率均可表示为fb[j]＝|j|·fr+s(j)·fb，其中，A[j]表示编号j的拍频信号的幅值，t表示时间，j表示拍频信号的编号，具体实施中取9个相邻梳齿，j＝-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，s(j)为符号函数，当j≥0时s(j)＝1，当j<0时s(j)＝-1，fr表示光频梳的重复频率，fb表示偏差频率，偏差频率是指待稳频激光与待锁定的梳齿之间的频率差。
上述公式中，当光频梳的梳齿频率小于待稳频激光频率fe时(即梳齿在待稳频激光频率左侧)，对应拍频频率按小到大排序的编号j为0,1,2,3,4；当光频梳的梳齿频率大于待稳频激光频率fe时(即梳齿在待稳频激光频率右侧)，对应拍频频率按小到大排序的编号j为-1,-2,-3,-4；当光频梳的梳齿频率等于待稳频激光频率fe时，拍频信号频率公式中的偏差频率fb取零。
所述步骤4)具体为：
欠采样后，将各个拍频信号的频谱转换到第一奈奎斯特区，并使得转换后各拍频信号的频率均等于fb，求解获得各个拍频信号：
Fsample(fb[j])＝fb
其中，Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数，fb表示偏差频率，fb[j]表示编j的拍频信号的频率；
欠采样的频谱转换函数Fsample(fb[j])表示为以下公式：
其中，fb[j]表示采样前的模拟信号的频率，fs表示欠采样的采样频率；
结合上述两个公式求解获得各个拍频信号。
所述的相邻梳齿是指梳齿频率和待稳频激光频率之间的频差在1.2Ghz以内的梳齿。
二、一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置：
装置包括飞秒光频梳、可调谐激光器、光纤分配器、偏振控制器、波长计、光纤耦合器、光电探测器、射频放大器和陷波滤波器；可调谐激光器发出的激光经光纤分配器后分为两路，光纤分配器的一部分激光传输到波长计进行波长监测，波长计将波长值输入到现场可编程门阵列信号处理器，光纤分配器的另一部分经过偏振控制器后与飞秒光频梳发出的激光在光纤耦合器中进行合光，光纤耦合器输出的合光被光电探测器探测；光电探测器探测信号含有拍频信号，探测信号输入到陷波滤波器滤除谐波成分，陷波滤波器输出端再经射频放大器放大后输入到欠采样处理模块处理获得总拍频信号。
所述的欠采样处理模块包括第一低通滤波器、第一数模转换器、现场可编程门阵列信号处理器、第二低通滤波器、铷原子钟、第二数模转换器、时钟信号生成器和模数转换器，铷原子钟输出两路参考时钟信号，一路参考时钟信号传输到飞秒光频梳，另一路参考时钟信号经过时钟信号生成器产生两路频率不同的时钟信号分别输入到现场可编程门阵列信号处理器和模数转换器，射频放大器的输出信号传输到模数转换器进行欠采样处理，模数转换器采集到的欠采样后的数字总拍频信号传输到现场可编程门阵列信号处理器。
现场可编程门阵列信号处理器中，将根据波长计发送过来的波长值和模数转换器发送过来的数字总拍频信号进行误差计算，计算结果输入到比例积分微分控制器产生两路激光频率反馈控制信号，一路激光频率反馈控制信号经由第一数模转换器、第一低通滤波器后传输到可调谐激光器的PZT调制端，另一路激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器、第二低通滤波器后传输到可调谐激光器的电流调制端，从而实现对可调谐激光器进行激光波长的闭环控制。
所述的现场可编程门阵列信号处理器包括波长信号处理模块、第一比例积分微分控制器、频率计、第二比例积分微分控制器、第三比例积分微分控制器、锁相放大器和加法器；波长计测得的激光频率经第一比例积分微分控制器处理后输入到波长信号处理模块中，波长信号处理模块根据波长计测得的激光频率计算激光频率与光频梳中频率最接近的梳齿的序号以及激光频率与该梳齿之间的频差，并发送控制信号传输到可调谐激光器的PZT调制端；数字总拍频信号一方面输入到频率计中获得拍频信号频率，拍频信号频率输入到第二比例积分微分控制器处理并输出到加法器；拍频数字信号另一方面输入到锁相放大器中，锁相放大器对总拍频信号进行正交下混频以及四象限反正切运算测得拍频信号与参考正弦信号之间的相位误差信号，参考正弦信号是由现场可编程门阵列信号处理器内的直接数字频率合成器(DDS)产生的正弦信号，其中直接数字频率合成器的时钟信号溯源至铷原子钟，然后通过第三比例积分微分控制器处理并输出到加法器，加法器输出的激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器、第二低通滤波器后传输到可调谐激光器的电流调制端精密地闭环修正激光频率，将拍频信号与参考正弦信号之间的相位差控制为零。
本发明将待稳频激光和光频梳的激光合光后经光电探测器、滤波器、放大器处理后得到探测信号，通过模数转换器进行欠采样，其中采样频率与光频梳重复频率相同，从而将多个拍频信号的频谱成分反折或折叠到第一奈奎斯特区，实现多个拍频信号的叠加，进而提高了拍频信号信噪比，随后在FPGA内，使用锁相放大器测量相位误差，并通过PID运算后，通过数模转换器，低通滤波器产生反馈控制电压控制待稳频激光频率，最终实现激光频率的快速锁定。
本发明具有的有益效果是：
本发明采用模数转换器对拍频信号进行欠采样，采样频率与光频梳重复频率相同并溯源至同一原子钟，从而将多个拍频信号频谱成分反折或折叠到第一奈奎斯特区，实现多个拍频信号的叠加，进而提高拍频信号信噪比，降低了偏频锁定系统的输出噪声，最终提高了激光频率稳定度。
附图说明
图1是基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法的原理框图。
图2是可调谐激光器锁定至光频梳伺服控制的原理框图。
图3是可调谐激光器与飞秒光频梳拍频示意图。
图4是可调谐激光器与飞秒光频梳拍频信号频谱示意图。
图5是基于欠采样原理的多拍频信号频谱成分转换示意图。
图中：1、飞秒光频梳，2、可调谐激光器(ECDL)，3、光纤分配器，4、偏振控制器，5、波长计，6、光纤耦合器，7、光电探测器，8、第一低通滤波器，9、第一数模转换器(DAC)，10、现场可编程门阵列信号处理器(FPGA)，11、第二低通滤波器，12、铷原子钟，13、第二数模转换器(DAC)，14、时钟信号生成器，15、模数转换器(ADC)，16、射频放大器，17、陷波滤波器，18、波长信号处理模块，19、第一比例积分微分控制器(PID)，20、频率计，21、第二比例积分微分控制器(PID)，22、第三比例积分微分控制器(PID)，23、锁相放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
本发明的实施例中可调谐激光器输出波长为633nm、可以通过PZT调制端与电流调制端来调节激光波长；采用Menlo公司飞秒光频梳系统，其光频梳重复频率fr＝250MHz，光频梳偏置频率fo＝20MHz；光电探测器的带宽为1.1GHz，拍频信号的滤波器由4个陷波器串联组成，陷波频率分别为250MHz，500MHz，750MHz，1000MHz；ADC芯片模拟带宽为1GHz，采样频率为250MHz；现场可编程门阵列信号处理器为ZYNQ7020，内置双核ARM A9处理器。
具体实施如下：
如图1所示，基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法实施步骤为：
(1)可调谐激光器2产生的激光经光纤分配器3后，一部分激光传输到波长计5进行波长监测并将测量结果传输到现场可编程门阵列信号处理器10，另一部分经过偏振控制器4后与飞秒光频梳1的激光在光纤耦合器6中进行合光，其中偏振控制器用于调整可调谐激光器激光偏振态使之与光频梳激光处于同一偏振态，随后由光电探测器7对光纤耦合器6的输出激光进行探测得到探测信号；然后探测信号通过陷波滤波器17滤除250MHz谐波成分，随后传输到射频放大器16进行放大；然后传输到模数转换器15进行欠采样处理；
(2)铷原子钟12提供高稳定性的10MHz参考时钟信号，一路传输到飞秒光频梳系统作为时钟基准，另一路经过时钟信号生成器14产生供现场可编程门阵列信号处理器10使用的50MHz时钟信号和模数转换器15所需的250MHz采样时钟信号；模数转换器15将欠采样后的数字总拍频信号传输到现场可编程门阵列信号处理器10；
在现场可编程门阵列信号处理器10中将根据波长计5提供的激光频率和通过模数转换器15欠采样所得的总拍频信号进行误差计算，通过比例积分微分控制器产生两路激光频率反馈控制信号，各自分别经由数模转换器9、低通滤波器8和数模转换器13、低通滤波器11处理后传输到可调谐激光器2的PZT调制端和电流调制端进行激光波长的闭环控制；
偏频锁定通常指将激光频率锁定在光频梳特定梳齿右侧并且与梳齿保持特定频差(即偏差锁定频率)；光频梳梳齿数目多，激光频率锁定至光频梳的不同梳齿就可以实现激光频率的大范围锁定。拍频信号包含激光频率与相近的梳齿之间的相位信息，但无法判断激光频率是锁定至光频梳的哪一梳齿，因此在偏频锁定之前需要先将激光频率控制在所需锁定的梳齿右侧。图2所示为激光频率锁定至光频梳伺服控制的原理框图，即对图1中的现场可编程门阵列信号处理器10信号处理方法进一步说明，具体分为三个阶段进行：
第一个阶段通过精度为30MHz的波长计5测量激光频率，波长信号处理模块18根据波长计5测得的激光频率计算其与光频梳中最接近的梳齿的序号以及与该梳齿的频差，若激光频率不在所需锁定的梳齿右侧，则启动第一比例积分微分控制器19产生控制信号传输到可调谐激光器的PZT调制端，最终将激光频率控制在所需锁定的梳齿右侧。但是受波长计精度限制，上述控制后激光与待锁定梳齿之间的频差与偏差锁定频率有一定偏差。
第二阶段伺服控制系统根据频率计20测得的拍频信号频率，通过第二比例积分微分控制器21进行激光频率控制，最终将激光频率控制在待锁定梳齿右侧偏差锁定频率附近(频差小于1MHz)。
第三阶段锁相放大器23对欠采样后的拍频信号进行正交下混频以及四象限反正切运算测得拍频信号与参考正弦信号之间的相位误差信号，其中参考正弦信号是由现场可编程门阵列信号处理器(10)内的直接数字频率合成器(DDS)产生的正弦信号，其中DDS的时钟信号溯源至铷原子钟，随后通过第三比例积分微分控制器22进行激光频率控制，最终将拍频信号与参考正弦信号之间的相位差控制为零(即激光频率锁定至飞秒光频梳)。
飞秒光频梳的激光在频域上呈现等间隔梳状分布，第i根梳齿的频率可表示为fi＝i·fr+fo，其中fr为光频梳重复频率，fo为光频梳偏置频率；图3是可调谐激光器与飞秒光频梳相邻梳齿拍频示意图，其中，端点为实心圆的长线表示可调谐激光器的激光，端点2为箭头的短线表示光频梳的梳齿，当飞秒光频梳和频率为fe的可调谐激光器进行拍频时，可调谐激光器和相邻梳齿之间同时进行了拍频，各个拍频信号的频率可表示为fb[j]＝|j|·fr+s(j)·fb，其中，j表示拍频信号的编号，具体实施中取9个相邻梳齿，j＝-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，s(j)为符号函数，当j≥0时s(j)＝1，当j<0时s(j)＝-1,fr表示光频梳的重复频率，fb表示偏差频率，即待稳频激光与待锁定的梳齿之间的频率差。由于光电探测器的带宽为1.1GHz，光频梳重复频率fr为250MHz，实际中光电探测器最高能探测到激光与相邻两侧4根梳齿之间的拍频信号，因此j最大取4，同时飞秒光梳的不同梳齿之间也进行了拍频，即模间自拍频，频率可以表示为fc[k]＝k·fr，最终光电探测器输出的探测信号包含可调谐激光器和光频梳之间的拍频信号与光频梳模间自拍频信号，探测信号的频谱如图4所示。由于光频梳单个梳齿的功率仅为纳瓦量级，探测信号包含可调谐激光器和光频梳之间的拍频信号的信噪比难以提高，同时功率又远低于光频梳模间自拍频信号的功率，在传统的可调谐激光器锁定至光频梳系统中，通过低通滤波器取出单个拍频信号(fb)用于后续偏频锁定，因此信噪比更难以提高。显然，在偏频锁定技术中提高拍频信号信噪比是提高激光频率稳定度的关键。
本发明中基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法可以充分利用9个拍频信号(fb[j]＝|j|·fr+s(j)·fb，j＝-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4)来提高偏频锁定中激光频率稳定度。在运用这些拍频信号前，需要对这些拍频信号进行放大；如图4所示，拍频信号的功率远低于光频梳模间自拍频信号的功率，当对光电探测器输出的探测信号进行放大时，容易出现光频梳模间自拍频信号(fc[k]＝k·fr)功率过强而导致放大器发生削顶失真的情况，对此本发明中采用陷波滤波器17(由多个陷波器级联组成)滤除信号中光频梳模间自拍频信号后再对拍频信号进行放大。
当采样频率为fs时，从直流到fs/2频率范围称为第一奈奎斯特(Nyquist)区，fs/2到fs的频率范围称为第二奈奎斯特区，以此类推，第n奈奎斯特区表示频率区间为[(n-1)fs/2,nfs/2)。当信号频率fb[j]高于fs/2时，进行的采样一般称为欠采样，欠采样时信号频谱成分以fs/2反折或折叠进入第一奈奎斯特区，最终将所有高于第一奈奎斯特区的信号都用位于第一奈奎斯特区的相应基带信号来表示，即频谱转换，频谱转换函数Fsample(fb[j])可以表示如下：
其中表示向下取整。显然，对拍频信号进行欠采样时，各拍频信号将以fs/2反折或折叠进入第一奈奎斯特区，当采样频率fs与光频梳重复频率fr相等时，如图5所示，所有拍频信号(fb[j]＝|j|·fr+s(j)·fb，j＝-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4)频谱成分将转换至频率为fb的基带信号处，最终实现多个拍频信号的叠加，公式如下：
Fsample(fb[j])＝fb
显然，多个拍频信号叠加后的总拍频信号具备更高的功率和信噪比，理想情况下，假定各拍频信号幅值A[j]相等，则总拍频信号幅值为单个拍频信号的9倍，对应功率提高到单个拍频信号的81倍，信噪比相对单个梳齿提高10lg(81)＝19dB，假设单个拍频信号信噪比为15dB～25dB，理想情况下，通过本方法获得的总拍频信号信噪比可以达到31dB～44dB；进而锁相放大器23检测的相位误差信号会具备更低的相位噪声，最终带稳频激光器的控制电压也具备更低的噪声。
综上，本发明方法可以充分运用多个拍频信号来提高拍频信号的信噪比，并最终提高激光器偏频锁定的频率稳定度。

Claims (7)

1.一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法，其特征在于：
1)将待稳频激光和光频梳的激光合光后处理得到探测信号，拍频信号包括光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号以及待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的拍频信号；
2)通过滤波器去除光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号，然后对保留的拍频信号进行欠采样采集为数字信号，其中欠采样的采样频率与光频梳的重复频率相同且溯源至同一原子时钟；
3)根据信号频谱对待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号按照待稳频激光和梳齿之间的相邻程度进行排序编号，从最相邻的梳齿开始从数字0开始用阿拉伯数字编号，并按梳齿在待稳频激光的左右侧位置将编号分为正负号，在待稳频激光左侧的梳齿对应的拍频信号编为正号，在待稳频激光右侧的梳齿对应的拍频信号编为负号，与待稳频激光频率左侧最接近的梳齿对应的拍频信号编为零；
4)由欠采样获得的数字信号进行求解获得待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号；
5)将各个拍频信号叠加获得总拍频信号，公式如下：
其中，j表示拍频信号的编号，-4～4表示拍频信号的编号的范围，A[j]表示编号j的拍频信号的幅值，Ts表示欠采样的采样周期，k表示离散的时间序号，Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数，fb表示偏差频率；
6)通过锁相放大器获得总拍频信号和参考正弦信号之间的相位误差信号，参考正弦信号是由直接数字频率合成器产生的正弦信号，通过数字PID运算后获得激光频率反馈控制信号，用激光频率反馈控制信号对待稳频激光器的输出频率进行调整实现偏频锁定。
2.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法，其特征在于：
所述步骤3)获得的各个拍频信号均可表示为xb[j](t)＝A[j]sin(2πfb[j]t)，各个拍频信号的拍频频率均可表示为fb[j]＝|j|·fr+s(j)·fb，其中，A[j]表示编号j的拍频信号的幅值，t表示时间，j表示拍频信号的编号，具体实施中取9个相邻梳齿，j＝-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，s(j)为符号函数，当j≥0时s(j)＝1，当j<0时s(j)＝-1，fr表示光频梳的重复频率，fb表示偏差频率，偏差频率是指待稳频激光与待锁定的梳齿之间的频率差。
3.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：
欠采样后，将各个拍频信号的频谱转换到第一奈奎斯特区，并使得转换后各拍频信号的频率均等于fb，求解获得各个拍频信号：
Fsample(fb[j])＝fb
其中，Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数，fb表示偏差频率，fb[j]表示编号为j的拍频信号的频率；
欠采样的频谱转换函数Fsample(fb[j])表示为以下公式：
其中，fb[j]表示编号为j的拍频信号的频率，fs表示欠采样的采样频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法，其特征在于：所述的相邻梳齿是指梳齿频率和待稳频激光频率之间的频差在1.2Ghz以内的梳齿。
5.用于实施权利要求1-4任一所述方法的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置，其特征在于：包括飞秒光频梳(1)、可调谐激光器(2)、光纤分配器(3)、偏振控制器(4)、波长计(5)、光纤耦合器(6)、光电探测器(7)、射频放大器(16)和陷波滤波器(17)；可调谐激光器(2)发出的激光经光纤分配器(3)后分为两路，光纤分配器(3)的一部分激光传输到波长计(5)进行波长监测，波长计(5)将波长值输入到现场可编程门阵列信号处理器(10)，光纤分配器(3)的另一部分经过偏振控制器(4)后与飞秒光频梳(1)发出的激光在光纤耦合器(6)中进行合光，光纤耦合器(6)输出的合光被光电探测器(7)探测；光电探测器(7)探测信号含有拍频信号，探测信号输入到陷波滤波器(17)滤除谐波成分，陷波滤波器(17)输出端再经射频放大器(16)放大后输入到欠采样处理模块处理获得总拍频信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置，其特征在于：所述的欠采样处理模块包括第一低通滤波器(8)、第一数模转换器(9)、现场可编程门阵列信号处理器(10)、第二低通滤波器(11)、铷原子钟(12)、第二数模转换器(13)、时钟信号生成器(14)和模数转换器(15)，铷原子钟(12)输出两路参考时钟信号，一路参考时钟信号传输到飞秒光频梳(1)，另一路参考时钟信号经过时钟信号生成器(14)产生两路频率不同的时钟信号分别输入到现场可编程门阵列信号处理器(10)和模数转换器(15)，射频放大器(16)的输出信号传输到模数转换器(15)进行欠采样处理，模数转换器(15)采集到的欠采样后的数字总拍频信号传输到现场可编程门阵列信号处理器(10)；
现场可编程门阵列信号处理器(10)中，将根据波长计(5)发送过来的波长值和模数转换器(15)发送过来的数字总拍频信号进行误差计算，计算结果输入到比例积分微分控制器产生两路激光频率反馈控制信号，一路激光频率反馈控制信号经由第一数模转换器(9)、第一低通滤波器(8)后传输到可调谐激光器(2)的PZT调制端，另一路激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器(13)、第二低通滤波器(11)后传输到可调谐激光器(2)的电流调制端，从而实现对可调谐激光器(2)进行激光波长的闭环控制。
7.根据权利要求5所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置，其特征在于：所述的现场可编程门阵列信号处理器(10)包括波长信号处理模块(18)、第一比例积分微分控制器(19)、频率计(20)、第二比例积分微分控制器(21)、第三比例积分微分控制器(22)、锁相放大器(23)和加法器；波长计(5)测得的激光频率经第一比例积分微分控制器(19)处理后输入到波长信号处理模块(18)中，波长信号处理模块(18)根据波长计(5)测得的激光频率计算激光频率与光频梳中频率最接近的梳齿的序号以及激光频率与该梳齿之间的频差，并发送控制信号传输到可调谐激光器(2)的PZT调制端；数字总拍频信号一方面输入到频率计(20)中获得拍频信号频率，拍频信号频率输入到第二比例积分微分控制器(21)处理并输出到加法器；拍频数字信号另一方面输入到锁相放大器(23)中，锁相放大器(23)对总拍频信号进行正交下混频以及四象限反正切运算测得拍频信号与参考正弦信号之间的相位误差信号，参考正弦信号是由现场可编程门阵列信号处理器(10)内的直接数字频率合成器(DDS)产生的正弦信号，其中直接数字频率合成器的时钟信号溯源至铷原子钟，然后通过第三比例积分微分控制器(22)处理并输出到加法器，加法器输出的激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器(13)、第二低通滤波器(11)后传输到可调谐激光器(2)的电流调制端精密地闭环修正激光频率，将拍频信号与参考正弦信号之间的相位差控制为零。
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