CN113991413B - 一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置及方法，属于光学频率梳激光技术领域。本发明主要由光学频率梳、带通滤波器、射频放大器、低通滤波器、比例积分微分电路(PID)组成，依次之间由射频传输线连接。所述光学频率梳向带通滤波器输入载波包络偏移频率信号，比例积分微分电路的输出信号反馈到所述光学频率梳的种子源驱动电流上，形成闭环。载波包络偏移频率f0信号与fr‑f0信号有相同的来源，两者叠加的拍信号噪声得到抑制，有助于提高锁定跟踪精度；锁定后的载波包络偏移频率严格等于重复频率的一半，重复频率锁定后光梳即可稳定。本发明具有锁定跟踪精度高、结构简单、操作方便、不需要信号源与鉴相电路、成本低等优点。

Description

一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置及方法，属于光学频率梳激光技术领域。
背景技术
基于锁模脉冲的超快飞秒激光在时域为一系列周期输出的脉冲，在频域显示为一系列等间隔分布的谱线，谱线之间的频率间隔等于脉冲重复频率(fr)，名义上最起始谱线的频率称为载波包络偏移频率(f0)。重复频率和载波包络偏移频率锁定的飞秒激光称为光学频率梳，简称光梳，具有超高的频率稳定性，是利用飞秒激光进行精密测量的物理基础。因此，重复频率与载波包络偏移频率锁定是光学频率梳的关键技术。重复频率锁定较为简单，但载波包络偏移频率锁定难度较高，可以称之为光梳的门槛。
目前的锁定方法是，获得载波包络偏移频率后，外界提供一个参考频率，与载波包络偏移频率进行鉴相，鉴相信号输入比例积分微分电路(PID电路)，PID电路的输出信号反馈到光梳种子源的驱动电流上，完成闭环。由于载波包络偏移频率信号携带较大噪声，对于鉴相电路的要求较高，并且也容易产生锁定跟踪不紧、锁定时间不长等问题。
发明内容
为克服原有技术存在的缺点，本发明目的是提供一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置及一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定方法，基于光学频率梳实现载波包络偏移频率锁定，锁定后的载波包络偏移频率严格等于重复频率的一半，重复频率锁定后光梳即可稳定。本发明具有锁定跟踪精度高、结构简单、操作方便、不需要信号源与鉴相电路、成本低等优点。
本发明的目的是通过下述技术解决方案实现的。
本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置，主要由光学频率梳、带通滤波器、射频放大器、低通滤波器、比例积分微分电路(PID)组成，依次之间由射频传输线连接。所述光学频率梳向带通滤波器输入载波包络偏移频率信号，比例积分微分电路的输出信号反馈到所述光学频率梳的种子源驱动电流上，形成闭环。所述射频放大器用于信号放大。所述低通滤波器用于滤出拍信号的包络。
所述载波包络偏移频率信号包含频率为载波包络偏移频率(频率值为f0)的信号成分和频率为重频与偏频之差(频率值为fr-f0)的信号成分。
实施锁定时，调整所述光学频率梳的种子源驱动电流，使f0信号与fr-f0信号靠近，直至接近fr/2，将叠加所得的拍信号作为误差信号输入所述比例积分微分电路，启动所述比例积分微分电路的锁定开关，完成载波包络偏移频率的锁定。
本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定方法，基于所述一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置实现，实现方法为：获取到所述光学频率梳的载波包络偏移频率信号，该载波包络偏移频率信号实际包含频率为载波包络偏移频率(频率值为f0)的信号成分和频率为重频与偏频之差(频率值为fr-f0)的信号成分。改变光学频率梳的种子源驱动电流时，两者的频率值会发生改变，变化的方向相反。调整所述光学频率梳的种子源驱动电流，使f0信号与fr-f0信号靠近，当两者接近fr/2时，发生叠加。f0信号与fr-f0信号的叠加过程描述如下：
由(1)式可见，叠加信号是一个频率为fr/2而振幅受到调制的波,形成“拍”的现象。当f0＝fr/2时，叠加信号成为频率fr/2的正规正弦波，受到所述低通滤波器的阻挡，输出的直流电平为零；当f0偏离fr/2时，拍出现，低频的拍信号可以通过所述低通滤波器，输出的直流电平不再为零。因此该拍信号能够作为输入所述比例积分微分电路的误差信号，用来进行载波包络偏移频率锁定。所述带通滤波器的通频带中心频率约为fr/2，用于滤出f0信号与fr-f0信号。所述射频放大器用于信号放大。所述低通滤波器用于滤出拍信号的包络。
有益效果
1、本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置，主要由光学频率梳、带通滤波器、射频放大器、低通滤波器、比例积分微分电路组成，依次之间由射频传输线连接。所述光学频率梳向带通滤波器输入载波包络偏移频率信号，比例积分微分PID电路的输出信号反馈到所述光学频率梳的种子源驱动电流上，形成闭环。所述射频放大器用于信号放大。所述低通滤波器用于滤出拍信号的包络；结构简单，操作方便，不需要信号源与鉴相电路，成本大幅下降；
2、本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置，锁定后的载波包络偏移频率严格等于重复频率的一半，重复频率锁定后光梳即可稳定，免去一台测量监控载波包络偏移频率数值的设备，比如频率计数器。
3、本发明公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置，载波包络偏移频率f0信号与fr-f0信号有相同的来源，两者叠加的拍信号噪声得到抑制，有助于提高锁定跟踪精度。
附图说明
图1是本发明装置的组成示意图；
其中，1-光学频率梳、2-带通滤波器、3-射频放大器、4-低通滤波器、5-比例积分微分电路。
图2是频谱仪显示的所述光学频率梳1输出的载波包络偏移频率信号，其含有f0信号与fr-f0信号成分。
图3是示波器显示的f0信号与fr-f0信号叠加后的拍信号，由所述射频放大器输出。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种载波包络偏移频率锁定装置，由光学频率梳1、带通滤波器2、射频放大器3、低通滤波器4、比例积分微分电路5(PID电路)组成。依次之间由射频传输线连接。所述射频放大器3用于信号放大。所述低通滤波器4用于滤出拍信号的包络。
所述光学频率梳1为重复频率为190MHz的掺铒光纤飞秒光学频率梳，通过f-2f拍频的方法得到它的载波包络偏移频率信号，如附图2所示，该初始载波包络偏移频率信号包含频率为载波包络偏移频率的f0信号成分和频率为重复频率与载波包络偏移频率之差的fr-f0信号成分。
所述带通滤波器2的通频带为90MHz-100 MHz。所述射频放大器3的带宽为DC-300MHz，增益为20dB。所述射频放大器3的输出信号如附图3所示，为f0信号和fr-f0信号的叠加。所述低通滤波器4的截止频率为10MHz。所述比例积分微分电路5的输出信号反馈到所述光学频率梳1上，控制所述光学频率梳1的种子源驱动电流，形成闭环。
本实施例公开的一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定方法，基于所述一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置实现，实现方法为：
实施锁定时，调整所述光学频率梳1的种子源驱动电流，使f0信号与fr-f0信号靠近，直至接近fr/2，将叠加所得的拍信号作为误差信号输入所述比例积分微分电路5，启动所述比例积分微分电路5的锁定开关，完成载波包络偏移频率的锁定。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定方法，基于一种光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置实现，其特征在于：光学频率梳载波包络偏移频率锁定装置主要由光学频率梳(1)、带通滤波器(2)、射频放大器(3)、低通滤波器(4)、比例积分微分电路(5)组成，依次之间由射频传输线连接；所述光学频率梳(1)向带通滤波器(2)输入载波包络偏移频率信号，比例积分微分电路(5)的输出信号反馈到所述光学频率梳(1)的种子源驱动电流上，形成闭环；所述光学频率梳载波包络偏移频率锁定方法为：获取到所述光学频率梳(1)的载波包络偏移频率信号，该载波包络偏移频率信号实际包含频率为载波包络偏移频率的信号成分和频率为重频与偏频之差的信号成分，其中载波包络偏移频率频率值为f0，重频与偏频之差频率频率值为fr-f0；改变光学频率梳(1)的种子源驱动电流时，两者的频率值会发生改变，变化的方向相反；调整所述光学频率梳(1)的种子源驱动电流，使频率值为f0信号与频率值为fr-f0信号靠近，当两者接近fr/2时，发生叠加；频率值为f0信号与频率值为fr-f0信号的叠加过程描述如下：
由(1)式可见，叠加信号是一个频率为fr/2而振幅受到调制的波,形成“拍”的现象；当f0＝fr/2时，叠加信号成为频率fr/2的正规正弦波，受到所述低通滤波器(4)的阻挡，输出的直流电平为零；当f0偏离fr/2时，拍出现，低频的拍信号通过所述低通滤波器(4)，输出的直流电平不再为零；因此该拍信号能够作为输入所述比例积分微分电路(5)的误差信号，用来进行载波包络偏移频率锁定；所述带通滤波器(2)的通频带中心频率约为fr/2，用于滤出频率值为f0信号与频率值为fr-f0信号；所述射频放大器(3)用于信号放大；所述低通滤波器(4)用于滤出拍信号的包络。
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