CN113178773A - 一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，属于激光光谱技术领域。通过调制半导体激光器驱动电流产生调制边带，再使用分束片分出一部分光到反射探测器，对反射探测器的输出信号进行解调，可以获得反馈相位控制的误差信号，误差信号通过比例积分微分模块控制粘在反射镜上的压电陶瓷的伸缩，从而实现反馈相位的控制。这种方法可以实现对反馈相位的实时、精准控制，并且不会对激光的频率和功率引入低频噪声，从而保证反馈系统的有效性和稳定性。

Description

一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，尤其涉及一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法。
背景技术
从威胁人类安全生存的大气污染问题到提升人类生活水平的现代工、农业的发展、再到先进制造行业如半导体、芯片的规模生产，最后到深海、青藏高原科考、极地探测、大型风洞以及基础科学研究等领域，痕量气体尤其是超灵敏痕量气体检测扮演着关键的角色，极大地影响着上述领域的快速发展。激光吸收光谱技术是当激光的频率与目标分子能级共振时，激光会被分子吸收，利用吸收量的大小可以确定出分子的粒子数浓度，由于其灵敏度及分辨率高的优点被广泛的应用于痕量气体检测领域。然而由于噪声的限制，直接吸收的探测灵敏度受系统探测噪声的限制，灵敏度较低。在激光直接吸收光谱技术上发展的测量气体的激光谱技术有很多种。而腔增强光谱方法使用光学腔增强吸收信号，它利用耦合进入光学腔的光在腔内来回反射，增长激光与气体介质作用路径，从而具有很高探测灵敏度。其有效吸收长度与光学腔精细度成正比，精细度越高，吸收信号越强。因此，人们倾向于使用高精细度光学腔。
为了实现腔增强光谱技术，人们利用光学反馈的实现激光到光学腔的锁定。光学反馈中一个重要环节就是对反馈相位的控制。当反馈相位满足2π整数倍时，光学反馈才会起到作用。人们一般是通过控制一个粘在光路中高反镜上的压电陶瓷实现反馈相位实时调节的。通过低频(通常在kHz)抖动压电陶瓷或者调制光强，再解调透射光强，就可以获得相位动态控制的误差信号。将误差信号通过比例-积分-微分(PID)控制器，输出到压电陶瓷驱动电压，就可以实现反馈相位的实时动态控制，从而获得稳定的光学反馈以及激光到腔的锁定。然而以上通过抖动压电陶瓷或调制的方法，都额外引入了光强或者频率噪声，影响锁定性能，导致不能获得紧密的激光到腔的锁定。
发明内容
针对目前现有技术通过抖动压电陶瓷或调制的方法，都额外引入了光强或者频率噪声，影响锁定性能，导致不能获得紧密的激光到腔的锁定的问题，本发明提供了一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，信号发生器输出一路调制信号到激光控制器调制激光控制器的驱动电流，从而调制激光频率，再由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，出射激光通过分束片、反馈系数调制模块和粘着压电陶瓷的高反镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔产生透射光和反射光，透射光被透射光电探测器探测，反射光沿原路返回，依次通过粘着压电陶瓷的反射镜和反馈系数调制模块，到达分束片；一部分光通过分束器，原路返回半导体激光器，从而形成光学反馈；另一部分经过分束器反射，到达反射光电探测器。反射光电探测器输出信号送入混频器的一个输入端口；
信号发生器输出另一路与调制信号同频率的信号作为参考信号，送入混频器的另一个输入端口，混频器输出信号经过低通滤波器得到误差信号，误差信号被送入比例积分微分器，产生校正信号，再送入压电陶瓷的驱动，从而调节压电陶瓷伸缩长度，校正反馈相位。
进一步，所述分束器为分束片。
进一步，所述调制信号为射频正弦信号。
进一步，反射探测器测量的信号表示为：
Figure BDA0003025124650000031
其中，Ir是反射光电探测器测量的信号，η表示反射探测器光电转换效率，I0是激光器输出光强，J0、J1表示贝塞尔函数，β是激光频率调制的调制系数，Im表示函数的虚部，F是光学腔的精细度，FSR是光学腔的自由光谱区，Δνq是激光频率到光学腔第q个纵模的频率的失谐，vm是调制频率，t表示时间。
进一步，使用sin(2πvmt)sin(2πvmt)参考信号sin(2πνmt)对反射探测器输出信号进行解调，可以获得误差信号Ses，表示为：
Figure BDA0003025124650000032
其中，P0是入射探测器的光功率，当光学反馈相位等于2π的整数倍时，光学反馈起到作用，将激光频率锁定到光学腔的纵模频率上，即Δvq等于0；此时，解调获得的误差信号Ses等于0，不会对反馈相位进行控制；当激光频率与光学腔的纵模频率失谐时，也就是Δvq不再等于0，导致误差信号不再等于0；误差信号经过比例积分微分电路后产生校正信号，送入压电陶瓷，调节光路的光程，从而调谐反馈相位，直到反馈相位满足2π的整数倍。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.本发明采用了动态实时校正技术实现了对光学反馈锁定腔技术中反馈相位的控制。
2.本发明使用射频信号对激光频率进行调制，产生调制边带，不会将低频噪声引入激光功率和激光频率。
3.本发明不需要额外增加调制模块，如电光调制器、强度调制器等。
4.本发明对通过解调光学腔的反射光获得误差信号，可以获得更高的反馈带宽，从而可以更好的抑制高频的锁定噪声。
5.本发明相比于其他类型的光学反馈相位动态控制的方法，可以实现更快速、更精细的反馈相位的控制。
附图说明
图1为基于光学反馈实现半导体激光器到高精细度法布里玻罗光学腔的锁定装置图；
图2是模拟得到的用于反馈相位锁定的误差信号。
具体实施方式
实施例1
一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，如图1所示，由信号发生器输出一路调制信号到激光控制器调制激光控制器的驱动电流，从而调制激光频率，再由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，出射激光通过分束器、反馈系数调制模块和粘着压电陶瓷的反射镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔产生透射光和反射光，透射光被透射光电探测器探测，反射光沿原路返回，依次通过粘着压电陶瓷的反射镜和反馈系数调制模块，到达分束器；一部分光通过分束器，原路返回半导体激光器，从而形成光学反馈；另一部分经过分束器反射，到达反射光电探测器并探测；反射光电探测器输出信号送入混频器的一个输入端口；
信号发生器输出另一路与调制信号同频率的信号作为参考信号，送入混频器的另一个输入端口，混频器输出信号经过低通滤波器得到误差信号，误差信号被送入比例积分微分器，产生校正信号，再送入压电陶瓷的驱动，从而调节压电陶瓷伸缩长度，校正反馈相位。
反射探测器测量的信号等于
Figure BDA0003025124650000051
其中，Ir是反射光电探测器测量的信号，η表示反射探测器光电转换效率，I0是激光器输出光强，J0、J1表示贝塞尔函数，β是激光频率调制的调制系数，Im表示函数的虚部，F是光学腔的精细度，FSR是光学腔的自由光谱区，Δνq是激光频率到光学腔第q个纵模的频率的失谐，vm是调制频率，t表示时间。
使用sin(2πvmt)sin(2πvmt)参考信号sin(2πνmt)对反射探测器输出信号进行解调，可以获得误差信号Ses，等于
Figure BDA0003025124650000052
其中，P0是入射探测器的光功率，当光学反馈相位等于2π的整数倍时，光学反馈起到作用，将激光频率锁定到光学腔的纵模频率上，即Δvq等于0；此时，解调获得的误差信号Ses等于0，不会对反馈相位进行控制；当激光频率与光学腔的纵模频率失谐时，也就是Δvq不再等于0，导致误差信号不再等于0；误差信号经过比例积分微分电路后产生校正信号，送入压电陶瓷，调节光路的光程，从而调谐反馈相位，直到反馈相位满足2π的整数倍。
图2是模拟得到的用于反馈相位锁定的误差信号。图中黑线为当扫描激光频率与光学腔纵模频率失谐，获得的误差信号；红色虚线为锁定后的误差信号，锁定后由于激光频率锁定到光学腔纵模频率，因此得到的误差信号始终等于零。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，其特征在于：信号发生器输出一路调制信号到激光控制器调制激光控制器的驱动电流，从而调制激光频率，再由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，出射激光通过分束器、反馈系数调制模块和粘着压电陶瓷的高反镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔产生透射光和反射光，透射光被透射光电探测器探测，反射光沿原路返回，依次通过粘着压电陶瓷的反射镜和反馈系数调制模块，到达分束器；一部分光通过分束器，原路返回半导体激光器，从而形成光学反馈；另一部分经过分束器反射，到达反射光电探测器并探测；反射光电探测器输出信号送入混频器的一个输入端口；
信号发生器输出另一路与调制信号同频率的信号作为参考信号，送入混频器的另一个输入端口，混频器输出信号经过低通滤波器得到误差信号，误差信号被送入比例积分微分器，产生校正信号，再送入压电陶瓷的驱动，从而调节压电陶瓷伸缩长度，校正反馈相位。
2.根据权利要求1所述的一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，其特征在于：所述分束器为分束片。
3.根据权利要求2所述的一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，其特征在于：所述调制信号为射频正弦信号。
4.根据权利要求3所述的一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，其特征在于：所述反射光电探测器测量的信号表示为：
Figure FDA0003025124640000011
其中，Ir是反射光电探测器测量的信号，η表示反射探测器光电转换效率，I0是激光器输出光强，J0、J1表示贝塞尔函数，β是激光频率调制的调制系数，Im表示函数的虚部，F是光学腔的精细度，FSR是光学腔的自由光谱区，Δνq是激光频率到光学腔第q个纵模的频率的失谐，vm是调制频率，t表示时间。
5.根据权利要求4所述的一种光学反馈锁定腔技术中反馈相位动态控制的方法，其特征在于：所述误差信号表示为：
Figure FDA0003025124640000021
其中，P0是入射探测器的光功率，当光学反馈相位等于2π的整数倍时，光学反馈起到作用，将激光频率锁定到光学腔的纵模频率上，即Δvq等于0；此时，解调获得的误差信号Ses等于0，不会对反馈相位进行控制；当激光频率与光学腔的纵模频率失谐时，也就是Δvq不再等于0，导致误差信号不再等于0；误差信号经过比例积分微分电路后产生校正信号，送入压电陶瓷，调节光路的光程，从而调谐反馈相位，直到反馈相位满足2π的整数倍。
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