CN109343031A - 一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，包含基准信号生成模块、参考飞秒激光器、采样飞秒激光器、参考飞秒激光重频的稳频模块、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块。基准信号生成模块以铷原子钟作为基准时钟，以此生成两路具有更高频率稳定度的基准信号。通过将两路基准信号分别与参考飞秒激光重频的稳频模块、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块进行混频，补偿了参考飞秒激光重频的变化、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。使得在实际空间绝对距离测量中，提高了双飞秒光梳空间绝对距离测量的精度及抗环境干扰的能力。

Description

一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统
技术领域
本发明属于双飞秒光梳测距领域，特别涉及一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频技术领域。
背景技术
飞秒，是度量时间的一种单位，1秒为一千万亿飞秒。飞秒激光的脉冲是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。
随着飞秒激光技术的发展，基于双飞秒光梳的测量法能够实现空间绝对距离的微纳米精度测量，但是却需要参考飞秒光梳重频的稳定，以及参考飞秒光梳与采样飞秒光梳重频差的稳定，否则难以达到微纳米的测量精度。实际测量中，由于温度变化，空气扰动或平台振动等，都会造成飞秒激光器的频率扰动，造成参考飞秒光梳重频和采样飞秒光梳重频的变化，影响空间绝对距离测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，以解决由于温度变化，空气扰动或平台振动等造成的参考飞秒光梳重频和采样飞秒光梳重频的变化问题，从而实现微纳米精度的绝对距离测量。
为了解决上述技术问题，一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，包括：基准信号生成模块，为所述的双飞秒光梳稳频系统提供两路频率不同的基准信号，记为第一路基准信号和第二路基准信号；参考飞秒激光器，发射参考飞秒激光频率梳；采样飞秒激光器，发射采样飞秒激光频率梳；参考飞秒激光重频的稳频模块，与参考飞秒激光器和基准信号生成模块相连，获取参考飞秒激光重频误差信号，调节参考飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光重频的变化；参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块，与参考飞秒激光重频的稳频模块、基准信号生成模块、采样飞秒激光器相连，获取参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的信号，调节采样飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
所述基准信号生成模块包括铷原子钟和信号发生器：铷原子钟提供外部基准时钟；信号发生器与铷原子钟相连，根据铷原子钟提供的外部基准时钟生成两路可溯源于铷原子钟的基准信号，分别记为第一路基准信号和第二路基准信号。
所述参考飞秒激光重频的稳频模块包括：参考激光谐波信号生成模块，与参考飞秒激光器相连，将参考激光频率梳转化为参考飞秒激光重频的五次谐波信号；参考激光混频模块，为参考混频电路，与信号发生器和参考激光谐波信号生成模块相连，将第一路基准信号和参考飞秒激光重频的五次谐波信号进行混频，生成参考差频信号；参考激光补偿模块，与参考飞秒激光器和参考激光混频模块相连，根据参考差频信号，调节参考飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光重频的变化。
所述参考激光谐波信号生成模块包含参考光电转换电路和参考带通滤波放大电路；所述参考光电转换电路连接参考飞秒激光器，将参考飞秒激光信号转化为参考电信号并放大输出；所述参考带通滤波放大电路连接参考光电转换电路，从所述放大后的参考电信号中提取参考飞秒激光重频的五次谐波信号。
所述参考混频电路具体与参考激光谐波信号生成模块的参考带通滤波放大电路相连。
所述参考激光补偿模块包含参考PZT控制驱动电路和参考PZT；所述参考 PZT控制驱动电路与参考混频电路相连，对参考差频信号进行PID运算；所述参考PZT，与参考PZT控制驱动电路和参考飞秒激光器相连，由参考PZT控制驱动电路来驱动，根据参考PZT控制驱动电路的PID计算结果，调节参考飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光重频的变化。
所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块包括：采样激光谐波信号生成模块，与采样飞秒激光器相连，将采样激光频率梳转化为采样飞秒激光重频的五次谐波信号；采样信号混频模块，与采样激光谐波信号生成模块、参考带通滤波放大电路、信号发生器相连；根据参考飞秒激光重频的五次谐波信号、采样飞秒激光重频的五次谐波信号、第二路基准信号，经过两次混频生成采样第二差频信号；参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块，与采样飞秒激光器和采样信号混频模块连接，根据采样第二差频信号，调节采样飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
所述采样激光谐波信号生成模块包含采样光电转换电路和采样带通滤波放大电路；所述采样光电转换电路连接采样飞秒激光器，将采样飞秒激光信号转化为采样电信号并放大输出；所述采样带通滤波放大电路，与采样光电转换电路、采样信号混频模块中的采样第一混频电路相连，从所述放大后的采样电信号中提取采样飞秒激光重频的五次谐波信号。
所述采样信号混频模块包含依次连接的采样第一混频电路、采样放大电路和采样第二混频电路；所述采样第一混频电路与参考带通滤波放大电路和采样激光谐波信号生成模块的采样带通滤波放大电路连接，将参考飞秒激光重频的五次谐波信号和采样飞秒激光重频的五次谐波信号进行混频，所述混频结果经采样放大电路进行放大，得到采样第一差频信号；采样第二混频电路还与信号发生器连接，将第二路基准信号和采样第一差频信号进行混频，生成采样第二差频信号。
所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块，包含采样PZT控制驱动电路和采样PZT；所述采样PZT控制驱动电路与采样信号混频模块的采样第二混频电路相连，对采样第二差频信号进行PID运算；所述采样PZT，与采样 PZT控制驱动电路和采样飞秒激光器相连，由采样PZT控制驱动电路来驱动，根据采样PZT控制驱动电路的PID计算结果，调节采样飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
与现有技术相比，本发明的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统具有以下优点：采用铷原子钟作为基准信号，为测量提供了具有更高频率稳定度的基准信号；由于飞秒激光器重频高次谐波信号能量较弱，信噪比较低，而低次谐波信号难以进行快速补偿，故采用提取参考飞秒激光器与采样飞秒激光器重频五次谐波信号的方式进行控制，使得飞秒激光器能够快速补偿由于温度、振动等环境变化而造成的频率扰动；通过铷原子钟生成的两路基准信号，分别稳定参考飞秒激光器的重频以及参考飞秒激光器与采样飞秒激光器重频的差频。通过采用二次稳频的方式，使得空间绝对距离测量具有更高的精度和分辨率。本发明的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，大大提高了双飞秒光梳空间绝对距离测量的精度及抗环境干扰的能力，满足极大的工程应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图:
图1为本发明实施例提供的一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统的结构示意图。
图中：11、参考飞秒激光器；12、参考光电转换电路；13、参考带通滤波放大电路；14、参考混频电路；15、参考PZT控制驱动电路；16、参考PZT； 21、采样飞秒激光器；22、采样光电转换电路；23、采样带通滤波放大电路； 24、采样第一混频电路；25、采样放大电路；26、采样第二混频电路；27、采样PZT控制驱动电路；28、采样PZT；31、信号发生器；32、铷原子钟。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特征、目的和效果，下面结合附图对本发明进行更为详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明专利。需要说明的是，这些附图中均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明专利。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，包括：基准信号生成模块、参考飞秒激光器11、采样飞秒激光器21、参考飞秒激光重频的稳频模块、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块。基准信号生成模块，为所述的双飞秒光梳稳频系统提供两路频率不同的基准信号，记为第一路基准信号和第二路基准信号；参考飞秒激光器，发射参考飞秒激光频率梳；采样飞秒激光器，发射采样飞秒激光频率梳；参考飞秒激光重频的稳频模块，与参考飞秒激光器和第一路基准信号相连，获取参考飞秒激光重频误差信号，调节参考飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光重频的变化；参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块，与参考飞秒激光重频的稳频模块、基准信号生成模块的第二路信号、采样飞秒激光器相连，获取参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的信号，调节采样飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
所述基准信号生成模块，包括铷原子钟32和信号发生器31；铷原子钟32 提供外部基准时钟；信号发生器31与铷原子钟32相连，根据铷原子钟32提供的外部基准时钟生成两路可溯源于铷原子钟32的基准信号，其中第一路基准信号提供给参考飞秒激光重频的稳频模块，其频率为fref_base＝375MHz；第二路基准信号提供给参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块，其频率为 fref_samp_base＝10KHz。
参考飞秒激光器11，作为测量飞秒激光发射源，发射参考飞秒激光频率梳，其频率为fref＝75MHz。
所述参考飞秒激光重频的稳频模块，与参考飞秒激光器11和信号发生器31 相连，获取参考飞秒激光重频误差信号，调节参考飞秒激光器11的谐振腔，补偿参考飞秒激光重频的变化。所述参考飞秒激光重频的稳频模块包括参考激光谐波信号生成模块、参考激光混频模块、参考激光补偿模块。
参考激光谐波信号生成模块，由参考光电转换电路12和参考带通滤波放大电路13组成；所述参考光电转换电路12连接参考飞秒激光器11，将参考飞秒激光信号转化为参考电信号并放大输出；所述参考带通滤波放大电路13，与参考光电转换电路12连接，从所述放大后的参考电信号中提取参考飞秒激光重频的五次谐波信号，该谐波信号重频为fref5＝75MHz*5＝375MHz。
参考激光混频模块，为参考混频电路14，与信号发生器31和参考带通滤波放大电路13相连，将第一路频率为fref_base＝375MHz的基准信号和频率为 fref5＝375MHz参考飞秒激光重频的五次谐波信号进行混频，生成参考差频信号Δfref＝fref5-fref_base。
参考激光补偿模块包含参考PZT(Piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)控制驱动电路15和参考PZT16；所述参考PZT控制驱动电路15 与参考混频电路14相连，对参考差频信号Δfref进行PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)运算；所述参考PZT16，与参考PZT控制驱动电路15和参考飞秒激光器11相连，由参考PZT控制驱动电路15来驱动，根据参考PZT控制驱动电路15的PID计算结果，调节参考飞秒激光器11的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光重频频率fref的变化。
以上完成了对参考飞秒激光重频的稳频。下面是对参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频。
采样飞秒激光器21，作为采样飞秒激光发射源，发射采样飞秒激光频率梳；其频率为fsamp＝75.002MHz。
所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块，与参考带通滤波放大电路13、信号发生器31、采样飞秒激光器21相连，获取参考飞秒激光与采样飞秒激光重频的差频误差信号，调节采样飞秒激光器21的谐振腔，补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块包括：采样激光谐波信号生成模块、采样信号混频模块、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块。
采样激光谐波信号生成模块包含采样光电转换电路22和采样带通滤波放大电路23；所述采样光电转换电路22连接采样飞秒激光器21，将采样飞秒激光频率梳转化为采样电信号并放大输出；所述采样带通滤波放大电路23，与采样光电转换电路22相连，从所述放大后的采样电信号中提取采样飞秒激光重频的五次谐波信号，该谐波信号重频为fsamp5＝75.002MHz*5＝375.01MHz。
采样信号混频模块，包含依次连接的采样第一混频电路24、采样放大电路 25和采样第二混频电路26；所述采样第一混频电路24与采样带通滤波放大电路23和参考带通滤波放大电路13连接，将参考飞秒激光重频的五次谐波信号fref和采样飞秒激光重频的五次谐波信号fsamp进行混频；其频率为 fref_samp＝fsamp5-fref5＝375.01MHz-375MHz＝10KHz。所述混频结果经采样放大电路25 进行放大，得到采样第一差频信号；采样第二混频电路26还连接信号发生器31 重频为fref_samp_base＝10KHz的第二路基准信号，将第二路基准信号fref_samp_base和采样第一差频信号fref_samp进行混频，生成采样第二差频信号，其频率为Δfref_samp＝fref_samp-fref_samp_base。
参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块，包含采样PZT控制驱动电路27和采样PZT28；所述采样PZT控制驱动电路27与采样第二混频电路26 相连，对频率为Δfref_samp的采样第二差频信号进行PID运算；所述采样PZT28与采样PZT控制驱动电路27和采样飞秒激光器21相连，由采样PZT控制驱动电路27来驱动，根据采样PZT控制驱动电路27的PID计算结果，调节采样飞秒激光器21的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差fref_samp的变化。
优选的所述采样PZT28，为压电陶瓷微动器，具有响应速度快，位移精度高，体积小的优点。
在本发明实施例中，所述参考光电转换电路12和采样光电转换电路22均包括PIN光电探测器和预放电路。PIN光电探测器为带尾纤的光电探测器，通过光纤法兰与飞秒激光器光纤输出头连接。预放电路由两级低噪声放大器实现所选低噪声放大器为OPA657，具有带宽1.6G。
在本发明实施例中，所述参考带通滤波放大电路13和采样带通滤波放大电路23均包括带通滤波器及大带宽放大器。所选带通滤波器中心频率为375MHz， 3dB带宽为70MHz；所选大带宽放大器为AD8009，具有带宽1.0G。
在本发明实施例中，所述参考混频电路14和采样第一混频电路24均选用ADL5391；所述采样第二混频电路26选用MPY634。
本发明以铷原子钟32作为基准时钟，以此生成两路具有更高频率稳定度的基准信号。通过将两路基准信号分别与参考飞秒激光重频的稳频模块、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块进行混频，补偿了参考飞秒激光重频的变化、参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。通过二次混频方式，提高了双飞秒光梳空间绝对距离测量的精度及抗环境干扰的能力。本发明的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统具有快速响应及高稳定性的优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，包括：
基准信号生成模块，为所述的双飞秒光梳稳频系统提供两路频率不同的基准信号，记为第一路基准信号和第二路基准信号；
参考飞秒激光器，发射参考飞秒激光频率梳；
采样飞秒激光器，发射采样飞秒激光频率梳；
参考飞秒激光重频的稳频模块，与参考飞秒激光器和基准信号生成模块相连，获取参考飞秒激光重频误差信号，调节参考飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光重频的变化；
参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块，与参考飞秒激光重频的稳频模块、基准信号生成模块、采样飞秒激光器相连，获取参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的信号，调节采样飞秒激光器的谐振腔，补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
2.如权利要求1所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述基准信号生成模块包括铷原子钟和信号发生器：
铷原子钟提供外部基准时钟；
信号发生器与铷原子钟相连，根据铷原子钟提供的外部基准时钟生成两路可溯源于铷原子钟的基准信号，分别记为第一路基准信号和第二路基准信号。
3.如权利要求1所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考飞秒激光重频的稳频模块包括：
参考激光谐波信号生成模块，与参考飞秒激光器相连，将参考激光频率梳转化为参考飞秒激光重频的五次谐波信号；
参考激光混频模块，为参考混频电路，与信号发生器和参考激光谐波信号生成模块相连，将第一路基准信号和参考飞秒激光重频的五次谐波信号进行混频，生成参考差频信号；
参考激光补偿模块，与参考飞秒激光器和参考激光混频模块相连，根据参考差频信号，调节参考飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光重频的变化。
4.如权利要求3所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考激光谐波信号生成模块包含参考光电转换电路和参考带通滤波放大电路；
所述参考光电转换电路连接参考飞秒激光器，将参考飞秒激光信号转化为参考电信号并放大输出；
所述参考带通滤波放大电路连接参考光电转换电路，从所述放大后的参考电信号中提取参考飞秒激光重频的五次谐波信号。
5.如权利要求4所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考混频电路具体与参考激光谐波信号生成模块的参考带通滤波放大电路相连。
6.如权利要求3所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考激光补偿模块包含参考PZT控制驱动电路和参考PZT；
所述参考PZT控制驱动电路与参考混频电路相连，对参考差频信号进行PID运算；
所述参考PZT，与参考PZT控制驱动电路和参考飞秒激光器相连，由参考PZT控制驱动电路来驱动，根据参考PZT控制驱动电路的PID计算结果，调节参考飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光重频的变化。
7.如权利要求4所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的稳频模块包括：
采样激光谐波信号生成模块，与采样飞秒激光器相连，将采样激光频率梳转化为采样飞秒激光重频的五次谐波信号；
采样信号混频模块，与采样激光谐波信号生成模块、参考带通滤波放大电路、信号发生器相连；根据参考飞秒激光重频的五次谐波信号、采样飞秒激光重频的五次谐波信号、第二路基准信号，经过两次混频生成采样第二差频信号；
参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块，与采样飞秒激光器和采样信号混频模块连接，根据采样第二差频信号，调节采样飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
8.如权利要求3所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述采样激光谐波信号生成模块包含采样光电转换电路和采样带通滤波放大电路；
所述采样光电转换电路连接采样飞秒激光器，将采样飞秒激光信号转化为采样电信号并放大输出；
所述采样带通滤波放大电路，与采样光电转换电路、采样信号混频模块中的采样第一混频电路相连，从所述放大后的采样电信号中提取采样飞秒激光重频的五次谐波信号。
9.如权利要求8所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述采样信号混频模块包含依次连接的采样第一混频电路、采样放大电路和采样第二混频电路；所述采样第一混频电路与参考带通滤波放大电路和采样激光谐波信号生成模块的采样带通滤波放大电路连接，将参考飞秒激光重频的五次谐波信号和采样飞秒激光重频的五次谐波信号进行混频，所述混频结果经采样放大电路进行放大，得到采样第一差频信号；采样第二混频电路还与信号发生器连接，将第二路基准信号和采样第一差频信号进行混频，生成采样第二差频信号。
10.如权利要求9所述的用于空间绝对距离测量的双飞秒光梳稳频系统，其特征在于，所述参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差补偿模块，包含采样PZT控制驱动电路和采样PZT；
所述采样PZT控制驱动电路与采样信号混频模块的采样第二混频电路相连，对采样第二差频信号进行PID运算；
所述采样PZT，与采样PZT控制驱动电路和采样飞秒激光器相连，由采样PZT控制驱动电路来驱动，根据采样PZT控制驱动电路的PID计算结果，调节采样飞秒激光器的谐振腔，从而补偿参考飞秒激光与采样飞秒激光重频差的变化。
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