CN111952831B - 双光频梳系统及其偏频控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种双光频梳系统及其偏频控制方法，该系统包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，数据采集、处理与偏频控制模块对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，根据误差信号，通过调节信号光频梳或本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制信号光频梳或本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。本发明仅使用双光频梳干涉信号本身的频谱即可实现不低于重频差刷新率的偏频控制，实现双光频梳系统的长期稳定运行。

Description

双光频梳系统及其偏频控制方法
技术领域
本发明涉及光频梳领域，特别是涉及一种双光频梳系统及其偏频控制方法。
背景技术
飞秒激光频率梳，简称光频梳，是一种脉冲间隔在飞秒级别的脉冲光。它在频域上表现为一定频谱宽度内等间隔的频率分量，在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲。
光频梳是21世纪初的一项重要发明，经过20年的不断发展，应用领域已经从早期的原子钟比对、绝对光学频率测量拓展到分子吸收光谱、绝对距离测量、高光谱成像、应力传感等领域。其中，双光频梳技术自2004年得到实验验证以来成为了物理学中最热门的方向之一，得到了环境监测、先进制造、国防军工和科学研究界的广泛重视，应用场景也从先进的计量实验室转到各种工业现场应用。虽然具有高分辨率、高准确度、高灵敏度、宽光谱范围和快检测速度等优点，但由于目前光频梳的常用精密控制系统较为复杂，成本较高，尤其是目前广泛使用的f-2f干涉偏频锁定方法对光频梳光源的功率和光谱范围提出了较高要求，远远超过很多实际应用对光源性能的需求，因此需要探索更加简化、低成本、易于实现的光频梳偏频控制方法。
随着同步锁定、实时数字误差补偿、自适应采样等方法的提出，双光频梳系统在秒尺度上的短期相干性得到了保障，但在更长的时间尺度上，光频梳的偏频仍会随着环境变化不断漂移，使频谱落入零频率或奈奎斯特频率附近的死区，产生频谱混叠，无法解算出准确的双光频梳幅值和相位信息。对于航空航天、气体监测等需要双光频梳系统独立长期工作的应用来说，开发一种新的小体积、低成本、鲁棒性强、易于实现的双光频梳系统偏频控制方法具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种双光频梳系统及其偏频控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，所述方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。
进一步地：
采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：
Figure BDA0002608811350000021
式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅频值，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；
或者，采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：
Figure BDA0002608811350000022
式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，N为幅值大于预设阈值的频率点总数，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；
或者，计算干涉信号频谱的最大值位置以表征干涉信号频谱的实际位置；
或者，计算干涉信号频谱的-3dB截止频率以表征干涉信号频谱的实际位置。
所述目标频谱中心位置位于fr1/4或fr2/4附近的预设范围内，将实时测出的中心频率fc与所述目标频谱中心位置之间的偏差作为误差信号进行反馈，其中，fr1为信号光频梳的重复频率，fr2为本振光频梳的重复频率。
在探测偏频误差时，根据需要提高误差信号探测的刷新率；优选地，直接提高双光频梳系统的重频差，或将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再合光产生干涉信号。
优选地，当中心频率偏差小于设定阈值时不调节偏频，超过阈值时才对泵浦电流进行控制。
将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分进行探测，获得重频信号，再分别通过锁相环溯源到射频基准上。
预先标定待调节光频梳泵浦电流与中心频率之间的关系，根据待调节偏频光频梳的性质，当泵浦电流与上限或下限之间的差值达到预定值时，一次性将泵浦电流向下或向上调节设定个周期值。
使用数字控制方法进行双光频梳相对偏频的反馈控制，或通过模拟电路实现，如使用带通滤波器滤波分隔出干涉信号频谱的上升或下降部分，将其功率变化作为误差信号进行连续的反馈控制，或使用多个不同中心频率的带通滤波器对完整频谱进行采样，通过加权求出频谱中心位置。
一种用于双光频梳系统的偏频控制系统，包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，信号光频梳和本振光频梳通过所述双光频梳干涉模块产生的干涉信号，所述数据采集、处理与偏频控制模块对所述信号光频梳和所述本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。
还包括第一探测器、第二探测器、第一锁相环以及第二锁相环，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分射入所述第一探测器和所述第二探测器，获得重频信号，再分别通过所述第一锁相环和所述第二锁相环溯源到射频基准上；
优选地，还包括延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入所述双光频梳干涉模块合光产生干涉信号；
优选地，重频锁定的执行器为光频梳谐振腔内的压电陶瓷，通过调节腔长来调节重复频率。
所述双光频梳干涉模块包括光纤耦合器、带通滤光片、光电探测器和低通滤波器，所述信号光频梳和所述本振光频梳通过所述光纤耦合器合光，合光的信号通过所述带通滤光片以满足带通采样定理要求，再通过所述光电探测器接收所述干涉信号，然后利用所述低通滤波器滤除所述干涉信号中高于fS/2的频率成分。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种双光频梳系统及其偏频控制方法，只实时检测干涉信号的实际位置，并对光频梳的泵浦电流加以控制即可实现长时间的双光频梳系统相对偏频的优化和锁定，对光频梳精密测量领域，尤其是双光频梳测距和双光频梳光谱具有非常重要的作用。
本发明有利于实现小体积、低成本、长期稳定的双光频梳测量系统，通过提出一种简单实用的偏频控制方案，提供了一种可长期稳定的双光频梳测量系统，为实现高性能的绝对距离测量、光谱分析和精密传感提供了可能。
由于采用以上技术方案，本发明具有如下具体优点：
无需额外的f-2f干涉仪或连续激光参考即可测量双光频梳偏频的实时变化，系统结构简单、体积小、成本低、易于实现；偏频调节速率至少可以达到kHz量级，具有非常好的实时性，足以保证双光频梳系统的长期抗干扰能力；由于泵浦电流对双光频梳信号频谱中心频率的影响具有周期性，可在短暂的测量间歇期重置泵浦电流大小以避免误差的单向累计。该发明可广泛应用于基于双光频梳干涉仪的测量应用，如绝对距离测量、气体监测、应力传感等。
附图说明
图1是本发明一种实施例的双光频梳系统的结构示意图。
图2是本发明一种实施例的数据采集、处理与偏频控制模块的处理流程图。
图3是双光频梳外差干涉的原理示意图。
图4是泵浦电流对双光频梳干涉信号中心频率的影响示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图2，本发明实施例提供一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源。信号光频梳和本振光频梳的重叠光谱范围和重频差大小满足带通采样定理要求。所述偏频控制方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围，避免由于环境干扰的长期漂移造成频谱失真、混叠，影响双光频梳系统的正常工作。
光频梳在光频域具有大量离散的连续激光纵模，将具有稳定重复频率差的信号光频梳和本振光频梳合光后，外差干涉效应会使光频梳在光频域的幅值、相位信息转移到射频域，形成一个射频子梳，通过探测器接收到表现为载波包络序列的干涉信号。射频子梳分立纵模的间距为两台光频梳的重频差Δfr，在两台光频梳的重频都已经被锁定时，纵模的共模位置抖动δfc直接对应了两台光频梳之间的相对偏移频率变化δf0。本发明实施例中，可通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)对双光频梳干涉信号进行高速数据采集、寻峰、周期截取、快速傅里叶变换求频谱，计算干涉信号幅频谱的实际位置。在一些实施例中，可将双光频梳干涉信号逐峰进行截取并做傅里叶变换。
在一些实施例中，对使信号光频梳分别经过参考臂和测量臂的双光频梳系统(如双光频梳测距或双光频梳光谱测量系统)，只需计算参考干涉信号或测量干涉信号中任意一个的频谱中心频率，即可进行重频差刷新率的偏频控制。
在一些实施例中，系统可以复用需要控制的双光频梳干涉仪。
在不同的实施例中，可以用各种方法确定干涉信号频谱的实际位置。
在一些实施例中，在优选的实施例中，采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：
Figure BDA0002608811350000051
式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅频值，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率。将中心频率fc与频谱的目标位置进行比较，可获得所述误差信号。目标位置可以是一个预设的目标频谱中心，也可以是一个范围。
将干涉信号的中心频率锁定于目标位置时，可认为双光频梳相对偏频也同时得到锁定控制。由于双光频梳的相对重频已经锁定，fc的抖动δfc等效于双光频梳的相对偏频抖动δf0。
应理解，也可以用其它任何方法来确定干涉信号频谱的实际位置。
例如，还可以采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：
Figure BDA0002608811350000061
式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，N为幅值大于预设阈值的频率点总数，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率。
或者，可以计算干涉信号频谱的最大值位置以表征干涉信号频谱的实际位置。
又或者，可以计算干涉信号频谱的-3dB截止频率以表征干涉信号频谱的实际位置，等等。
图2示出了数据采集、处理与偏频控制模块的算法流程图，首先，可使用FPGA对干涉信号进行实时采集，采样频率需满足奈奎斯特采样定律。随后，对干涉信号进行找峰，并截取出干涉峰附近的点用于中心频率测量。经过快速傅里叶变换后，获得实时干涉信号频谱，此时利用前述公式可求得当前时间的中心频率fc，将实时获得的fc值与目标频谱中心位置进行比较，获得误差信号，接着对泵浦电流进行调节实现相对偏频的反馈控制。
在优选的实施例中，所述目标频谱中心位置位于fr1/4或fr2/4附近的预设范围内，其中，fr1为信号光频梳的重复频率，fr2为本振光频梳的重复频率，将实时测出的中心频率fc与所述目标频谱中心位置之间的偏差作为误差信号进行反馈，确保双光频梳系统的相对偏频稳定并优化在一个合理的值。
当干涉信号的频谱中心位于重频的四分之一位置时，信号混叠达到最小，此时也表示双光频梳的相对偏频优化到最佳位置。由此可以最大限度地避免频谱混叠。
在无额外延迟臂的情况下，双光梳干涉信号相邻峰之间的时间间隔为1/Δfr，对应偏频锁定数字控制的刷新率也为Δfr，Δfr为两台光频梳的重频差(射频子梳分立纵模的间距)。根据误差信号对光频梳泵浦电流进行控制时，可根据需要将锁定系统的刷新率调节得更低或更高。对光频梳泵浦电流进行控制时，不一定要使用的连续的控制策略。在一些实施例中，可设置当频谱中心偏移超过设定阈值后再进行控制，实现较为松弛的偏频锁定系统。当中心频率偏差小于设定阈值时不调节偏频，超过设定阈值时才对泵浦电流进行控制，从而避免频繁调节偏频对测量带来的不利影响。而在另一些实施例中，偏频锁定的刷新率可通过增大重频差提高。在优选实施例中，在双光频梳系统中引入延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入双光频梳干涉模块合光产生干涉信号，从而提高一个干涉周期中干涉峰的数量，实现紧密的偏频锁定系统。
如果双光频梳系统所处的环境扰动变化速率远快于重频差，需要进一步提高偏频调节的速率。偏频锁定的刷新率可通过增大重频差提高，但重频差Δfr和光谱范围Δv之间需要满足带通采样定理的关系：
Figure BDA0002608811350000071
为了突破上述限制和更好地满足具体应用需求，优选实施例通过额外增加延迟臂进一步提高刷新率。引入多脉冲延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入双光频梳干涉仪，此时干涉峰之间的间隔会明显减小，显著提高相对偏频误差测量和控制的速率。
参阅图1，在优选的实施例中，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分射入第一探测器和第二探测器，获得重频信号，再分别通过第一、第二锁相环(PLL)将其准确地溯源到射频基准上，以稳定所述信号光频梳和所述本振光频梳的重复频率，保证其长期稳定性。
所述信号光频梳和所述本振光频梳的绝大部分能量通过光纤耦合器合光，尽量使二者具有相近的功率和偏振态以保证测量的高信噪比，合光后通过一个带通滤光片以满足带通采样定理要求，之后使用光电探测器接收干涉信号，并利用低通滤波器滤除干涉信号中高于fS/2的频率成分，进入FPGA的数据采集、处理与偏频控制模块。
重频锁定的执行器为粘接在光频梳谐振腔内的压电陶瓷，通过调节腔长调节重复频率。由于本方法主要注重长期稳定性，因此无需使用高速的压电陶瓷或电光调制器等高速执行器。
如果环境长期缓慢单向变化可能会造成泵浦电流过大或过小，从而会破坏光频梳的锁模状态或造成光频梳光谱过于剧烈的变化。由于泵浦电流对双光频梳信号频谱中心频率的影响表现出周期性，在泵浦电流接近阈值时，可将泵浦电流快速向下或向上调节几个周期以重新稳定双光频梳系统的相对偏频。参阅图4，在优选实施例中，根据实际系统预先标定待调节光频梳泵浦电流与双光频梳信号中心频率之间的关系，根据待调节偏频光频梳的性质，将泵浦电流的调节范围控制在有效调节区内，当泵浦电流接近上限或下限时，直接将泵浦电流向下或向上调节几个周期，以保证双光频梳系统的长期、稳定、无介入运行。当泵浦电流过大或过小，将要影响到光频梳的正常锁模或造成光谱形状畸变时，可一次性大范围调节泵浦电流，在保证最终中心频率位于目标位置的前提下将光频梳的泵浦电流大小始终控制在有效调节区。
除了使用数字控制方法进行双光频梳相对偏频的反馈控制，如对泵浦电流进行数字控制，还可通过模拟电路实现，如使用带通滤波器滤波分隔出干涉信号频谱的上升或下降部分，将其功率变化作为误差信号进行连续的反馈控制。或使用多个不同中心频率的带通滤波器对完整频谱进行采样，通过加权求出频谱中心位置。
参阅图1和图2，本发明实施例还提供一种双光频梳系统，包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，信号光频梳和本振光频梳通过所述双光频梳干涉模块产生的干涉信号，所述数据采集、处理与偏频控制模块对所述信号光频梳和所述本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围，避免由于环境干扰的长期漂移造成频谱失真、混叠，影响双光频梳系统的正常工作。
在优选的实施例中，系统还包括第一探测器、第二探测器、第一、第二锁相环(PLL)，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分射入所述第一探测器和所述第二探测器，获得重频信号，再分别通过所述第一锁相环和所述第二锁相环将其准确地溯源到射频基准上，以稳定所述信号光频梳和所述本振光频梳的重复频率，保证其长期稳定性。
信号光频梳和本振光频梳分别通过一个光纤耦合器分出一小部分功率打到探测器上用于重频锁定，通过锁相环将重频锁定到射频发生器上。两台光频梳的绝大部分能量则通过另一光纤耦合器合光，尽量使二者具有相近的功率和偏振态以保证测量的高信噪比，合光后通过一个带通滤光片以满足带通采样定理要求，之后使用光电探测器接收干涉信号，并利用低通滤波器滤除干涉信号中高于fS/2的频率成分，进入FPGA的数据采集、处理与偏频控制模块。
在优选的实施例中，系统还包括延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入所述双光频梳干涉模块合光产生干涉信号。
在优选的实施例中，重频锁定的执行器为粘接在光频梳谐振腔内的压电陶瓷，通过调节腔长调节重复频率。由于本方法主要注重长期稳定性，因此无需使用高速的压电陶瓷或电光调制器等高速执行器。
在优选的实施例中，所述双光频梳干涉模块包括光纤耦合器、带通滤光片、光电探测器和低通滤波器，所述信号光频梳和所述本振光频梳通过所述光纤耦合器合光，合光的信号通过所述带通滤光片以满足带通采样定理要求，再通过所述光电探测器接收所述干涉信号，然后利用所述低通滤波器滤除所述干涉信号中高于fS/2的频率成分。
本发明实施例中，通过监测双光频梳干涉信号的实时中心频率变化，即可间接得到两台光频梳的相对偏频抖动。由于双光频梳系统对相对偏频稳定性的需求远大于绝对偏频稳定性，本发明实施例无需使用传统的f-2f自参考法锁定光频梳的偏频，也无需外部的连续激光作为光学参考，仅使用双光频梳干涉信号本身的频谱即可实现不低于重频差刷新率的偏频控制，避免双光频梳信号频谱出现混叠，实现双光频梳系统的长期稳定运行。本方法系统结构简单、成本较低、鲁棒性好、易于实现，对基于双光频梳干涉仪的实际应用，如测距、光谱分析、成像、光纤光栅传感等均有非常重要的意义。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例。
图1展示了常用的双光频梳干涉仪结构，该系统可以直接用于光谱分析、绝对距离测量、光纤光栅传感等应用，偏频误差同样可以直接从干涉信号中获取。我们使用一对重复频率不同的光频梳，分别作为信号光频梳和本振光频梳，重复频率分别为fr1和fr2，重频差Δfr＝|fr1-fr2|，两台光频梳的光谱范围有一定的重叠。
在图1所示的系统图中，信号光频梳和本振光频梳分别通过一个光纤耦合器分出一小部分功率打到探测器上用于重频锁定，通过锁相环将重频锁定到射频发生器上。两台光频梳的绝大部分能量则通过另一光纤耦合器合光，应尽量使二者具有相近的功率和偏振态以保证测量的高信噪比，合光后通过一个窄带滤光片以满足带通采样定理要求，之后使用光电探测器接收干涉信号，并利用低通滤波器滤除干涉信号中高于fS/2的频率成分，进入FPGA的数据采集、处理与偏频控制模块。
数据采集、处理与偏频控制模块的算法流程图如图2所示，首先使用FPGA对干涉信号进行实时采集，采样频率需满足奈奎斯特采样定律。随后对干涉信号进行找峰，并截取出干涉峰附近的点用于中心频率测量。经过快速傅里叶变换后，获得实时干涉信号频谱，此时利用公式可求得当前时间频谱的实时中心频率fc：
Figure BDA0002608811350000101
式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅频值。将实时获得的fc值与目标频谱中心位置进行比较，获得误差信号，接着对泵浦电流进行调节实现相对偏频的反馈控制。
根据图4所示的双光频梳外差干涉原理，双光频梳干涉信号在频域为一个射频子梳，由两台光频梳发生多外差干涉产生，因此它们之间的相对偏频稳定性远大于绝对偏频稳定性。当干涉信号的频谱中心位于重频的四分之一位置时，信号混叠达到最小，此时也表示双光频梳的相对偏频优化到最佳位置。如果干涉信号中心频率始终位于该值附近，可认为双光频梳相对偏频也同时得到锁定控制。
为了确定偏频控制模块的参数，需根据实际系统预先标定待调节光频梳泵浦电流与双光频梳信号中心频率之间的关系(如图4所示)，获得线性区斜率、范围，有效调节区周期、范围等信息，并据此指导控制算法的编写。
根据图4描述的待调节偏频光频梳的性质，泵浦电流的取值范围是有限的，当泵浦电流过大时会出现光谱畸变或多脉冲现象，当泵浦电流过小时会导致锁模激光器失锁。因此需要把泵浦电流的调节范围控制在有效调节区内。当泵浦电流接近上限或下限时，可直接将泵浦电流向下或向上调节几个周期，保证双光频梳系统的长期、稳定、无介入运行。
如果双光频梳系统所处的环境扰动变化速率远快于重频差，需要进一步提高偏频调节的速率。受限于带通采样定理和具体应用需求，在重频差无法进一步增大时，通过引入多脉冲延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再进入双光频梳干涉模块，此时干涉峰之间的间隔会明显减小，显著提高相对偏频误差测量和控制的速率。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (14)

1.一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，其特征在于，所述方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与幅频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的幅频谱控制在预设目标位置范围，从而实现双光频梳系统的长期稳定运行。
2.如权利要求1所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，采用以下公式计算出幅频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号幅频谱的实际位置：
Figure FDA0003278861840000011
式中fi为幅频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅值，fc代表双光频梳干涉信号幅频谱的实时中心频率；
或者，采用以下公式计算出幅频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号幅频谱的实际位置：
Figure FDA0003278861840000012
式中fi为幅频谱中幅值大于预设阈值的频率点，N为幅值大于预设阈值的频率点总数，fc代表双光频梳干涉信号幅频谱的实时中心频率；
或者，计算干涉信号幅频谱的最大值位置以表征干涉信号幅频谱的实际位置；
或者，计算干涉信号幅频谱的-3dB截止频率以表征干涉信号幅频谱的实际位置。
3.如权利要求2所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，所述幅频谱的目标位置位于fr1/4或fr2/4附近的预设范围内，将实时测出的中心频率fc与所述幅频谱的目标位置之间的偏差作为误差信号进行反馈，其中，fr1为信号光频梳的重复频率，fr2为本振光频梳的重复频率。
4.如权利要求1至3任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，在探测偏频误差时，根据需要提高误差信号探测的刷新率。
5.如权利要求4所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，直接提高双光频梳系统的重频差，或将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再合光产生干涉信号。
6.如权利要求1至3任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，在进行偏频实时调节时，根据需要降低执行器的调节速率。
7.如权利要求6所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，当中心频率偏差小于设定阈值时不调节偏频，超过阈值时才对泵浦电流进行控制。
8.如权利要求1至3任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分进行探测，获得重频信号，再分别通过锁相环溯源到射频基准上。
9.如权利要求1至3任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，使用数字控制方法进行双光频梳相对偏频的反馈控制，或通过模拟电路实现，其中，使用带通滤波器滤波分隔出干涉信号幅频谱的上升或下降部分，将其功率变化作为误差信号进行连续的反馈控制，或使用多个不同中心频率的带通滤波器对完整幅频谱进行采样，通过加权求出幅频谱中心位置。
10.一种双光频梳系统，其特征在于，包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，信号光频梳和本振光频梳通过所述双光频梳干涉模块产生的干涉信号，所述数据采集、处理与偏频控制模块对所述信号光频梳和所述本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与幅频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的幅频谱控制在预设目标位置范围，从而实现双光频梳系统的长期稳定运行。
11.如权利要求10所述的双光频梳系统，其特征在于，还包括第一探测器、第二探测器、第一锁相环以及第二锁相环，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分射入所述第一探测器和所述第二探测器，获得重频信号，再分别通过所述第一锁相环和所述第二锁相环溯源到射频基准上。
12.如权利要求11所述的双光频梳系统，其特征在于，还包括延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入所述双光频梳干涉模块合光产生干涉信号。
13.如权利要求11所述的双光频梳系统，其特征在于，重频锁定的执行器为光频梳谐振腔内的压电陶瓷，通过调节腔长来调节重复频率。
14.如权利要求10或11所述的双光频梳系统，其特征在于，所述双光频梳干涉模块包括光纤耦合器、带通滤光片、光电探测器和低通滤波器，所述信号光频梳和所述本振光频梳通过所述光纤耦合器合光，合光的信号通过所述带通滤光片以满足带通采样定理要求，再通过所述光电探测器接收所述干涉信号，然后利用所述低通滤波器滤除所述干涉信号中高于fS/2的频率成分。
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