CN115102032A - 一种基于原子吸收谱的fpga激光自动稳频系统及其方法 - Google Patents

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CN115102032A CN202210635988.3A CN202210635988A CN115102032A CN 115102032 A CN115102032 A CN 115102032A CN 202210635988 A CN202210635988 A CN 202210635988A CN 115102032 A CN115102032 A CN 115102032A
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方瑞环
韩成银
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Abstract

本发明公开了一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，包括：激光器；分束器，将激光器输出的激光分为多束；波长计，对激光的频率进行测量；鉴频器，接收到分束器分出的激光，并对激光进行处理，获取模拟信号；第一转换模块，接收到鉴频器输出的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号；FPGA模块，接收到波长计输出的测量值、以及第一转换模块输出的数字信号，判定激光频率的锁定状态，并根据锁定状态对激光频率的进行自动锁定或失锁后的自动重锁；第二转换模块，将FPGA模块输出的数字信号转化模拟信号，并反馈给激光器。本发明能够实现激光频率的自动锁定、失锁检测以及失锁后的自动重锁，具有控制系统简洁、鲁棒性强、适用性广的特点。

Description

一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统及其方法
技术领域
本发明涉及激光稳频领域，具体涉及一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统及其方法。
背景技术
在激光的众多应用领域当中，激光频率稳定度是一个极其重要的参量。因此，随着激光应用的发展，激光稳频技术已经成为基础科学研究的重要工具，也是尖端科学的关键组成部分，在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。
高分辨光谱在冷原子物理、量子光学、量子精密测量与传感等领域有着重要的应用。稳频激光对高分辨光谱至关重要，为提高激光器输出激光频率的稳定性，将激光频率锁定在原子光谱的激光稳频技术已经发展了三十多年，从而诞生了无多普勒展宽的饱和吸收谱(SAS)技术、偏振光谱技术、调制转移光谱技术、磁致二色性光谱等一系列技术，进一步压窄了谱线宽度，提高了稳频激光的稳定度。
尽管激光稳频技术经过多年的发展，在许多领域得到了广泛的应用，然而仍存在不足，主要体现为激光稳频系统的稳定度不够，易出现失锁的现象。由于稳频系统的有效锁频范围较窄，当激光系统承受不可避免的干扰时，激光频率容易跳出有效锁频范围，从而出现失锁的现象。失锁现象的存在大大限制了稳频激光的应用范围。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统及其方法，能够实现激光频率的自动锁定和失锁后重新锁定，使得稳频激光能应用于存在干扰的环境。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，包括：
激光器，用于输出激光；
分束器，将所述激光器输出的激光分为多束；
波长计，接收所述分束器分出的激光，并对所述激光的频率进行测量；
鉴频器，接收所述分束器分出的激光，并对所述激光进行处理，获取原子吸收谱信号与鉴频误差信号；
第一转换模块，接收所述鉴频器输出的原子吸收谱信号与鉴频误差信号，并将原子吸收谱信号和鉴频误差信号转换成数字信号；
FPGA模块，接收所述波长计输出的测量值、以及所述第一转换模块输出的数字信号，判定激光频率的锁定状态，并根据锁定状态对激光频率进行自动锁定或失锁后的自动重锁；
第二转换模块，将所述FPGA模块输出的数字信号转化模拟信号，并将该模拟信号反馈给所述激光器。
进一步地，所述FPGA模块包括：
重锁定监测模块、数字PID模块、锁定点识别模块以及锁定点选择放缩模块，所述数字PID模块与激光器、鉴频器、第一转换模块、第二转换模块组成激光闭环锁定回路，所述锁定点识别模块、锁定点选择放缩模块与激光器、鉴频器、波长计、第一转换模块、第二转换模块组成激光自锁定回路；
重锁定监测模块，用于根据实时监测所述鉴频器输出的鉴频误差信号的均值，判断激光频率的锁定状态，并根据锁定状态闭合激光闭环锁定回路或激光自锁定回路；
数字PID模块，用于接收所述鉴频器输出的鉴频误差信号，并输出一控制量，该控制量经过第二转换模块反馈给激光器；
锁定点识别模块，根据所述波长计测量的激光频率，调节激光器至自锁定状态，所述自锁定状态为激光器输出激光的实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应；
锁定点选择放缩模块，当所述激光器处于自锁定状态，搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，根据锁定点的位置，将激光频率调至有效的锁频范围，所述有效的锁频范围为激光在扫描范围内仅包含一个可识别的锁定点。
进一步地，所述鉴频器包括：
电光调制器，用于接收所述分束器分出的激光，并进行调制；
光纤电光调制器，用于接收经所述电光调制器调制的激光，并进行调制；
原子气室，用于吸收经所述光纤电光调制器调制的激光；
反射模块，将经过原子气室的激光反射入原子气室再次进行吸收；
光电探测器，将经过再次吸收的激光转化为两路原子吸收谱信号，并将其中一路原子吸收谱信号传输至所述第一转换模块；
解调模块，将另一路原子吸收谱信号解调为鉴频误差信号，并将鉴频误差信号传输至所述第一转换模块。
一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，包括以下步骤：
利用重锁定监测模块实时监测稳频系统的工作状态；
若激光频率处于锁定状态，激光闭环锁定回路保持工作，使激光的频率锁定在目标频率值；
若激光频率处于失锁状态，FPGA模块中的锁定点识别模块将激光器调节至可供自锁定的工作状态；
再利用FPGA模块中的锁定点选择放缩模块识别原子吸收谱中的所有可锁定点，确定目标锁定点，根据目标锁定点将激光频率调至预设的有效锁频范围，重新激活激光闭环锁定回路，即可实现激光频率失锁后重新锁定。
进一步地，使激光频率锁定在目标频率值的具体过程为：实时获取激光器当前状态下的原子吸收谱信号和鉴频误差信号；FPGA模块中数字PID模块根据频率误差计算反馈给激光器的控制量；根据反馈控制量，通过DAC对激光器的输出频率进行反馈校正。
进一步地，所述FPGA模块实现失锁后重锁定的具体过程为：自动地调节激光器PZT的驱动电压以改变激光器的扫描范围，使其频率范围足够覆盖原子某一组跃迁谱线；自动地调节激光器PZT的扫描补偿电压，通过波长计来初步判断，使激光扫描频率包含目标频率值；通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；锁定点选择放缩模块搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，即定位原子吸收谱中的吸收峰，并基于此将激光频率缩放至目标锁定点对应的有效锁频范围内，直至当前扫描范围内，实时原子吸收谱峰识别仅可寻找到唯一的吸收峰。
进一步地，在将激光器调节至可供自锁定的工作状态时，锁定点识别模块，在恒定的扫描频率范围内，调节扫描补偿电压，判定光谱内极值个数，用极值点来对应实时原子吸收谱的共振峰，当实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应时，即将激光器调节为以标准原子吸收谱峰个数表征的可供自锁定的工作状态。
更进一步地，通过波长计来初步调节激光输出频率范围的具体过程为：通过波长计初步测量激光器输出频率范围，若激光输出频率范围包含目标激光频率，则通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；若激光输出频率范围不包含待锁定激光频率，则根据波长计读数和目标频率值，判断PZT扫描补偿变化的方向；通过预设置变化幅度的阶梯变化函数驱动PZT扫描补偿变化，以固定的变化步长改变激光频率扫描范围，直至激光输出频率范围包含目标激光频率。
更进一步地，在锁定点识别模块调节扫描补偿电压时，所述锁定点识别模块要设置合适的极值限制参数，包括极值间距和极值高度，并进行预处理和实时处理。
更进一步地，所述预处理和实时处理的具体过程为：在预处理中，对特定扫描振幅，即覆盖原子某一组跃迁谱线所对应的频率范围，导出标准原子吸收光谱数据，进行极值识别，设置正确的极值限制参数，使得程序可以对应识别原子共振跃迁吸收峰个数和顺序；在实时处理中，实时地获得原子吸收谱信号，通过ADC输入FPGA模块，根据与预处理相同的极值识别参数提取极值个数，与预处理中的标准原子吸收谱峰值个数对比，确定此时激光器是否工作在可供自锁定的状态。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明中的数字信号由FPGA模块处理，能够极大地提高运行效率，当重锁定监测模块发现激光频率处于失锁状态时，FPGA模块自动将激光频率重新锁定。因而本发明能够实现激光频率的自动锁定、失锁检测以及失锁后的自动重锁，具有控制系统简洁、鲁棒性强、适用性广的特点。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1-是本发明实施例的一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统结构图；
图2-是本发明实施例的一种FPGA模块结构图；
图3-是本发明实施例的一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法步骤图；
图4-是本发明实施例的一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法逻辑框图；
图5-是本发明实施例的一种实时锁定点识别模块框图；
图6-是本发明实施例的一种锁定点选择缩放模块框图。
附图标号说明：1、激光器；2、分束器；3、波长计；4；鉴频器；5、第一转换模块；6、FPGA模块；7、第二转换模块；8、重锁定监测模块；9、数字PID模块；10、锁定点识别模块；11、锁定点选择放缩模块；12、电光调制器；13、光纤电光调制器；14、原子气室；15、反射模块；16、光电探测器；17、解调模块。
具体实施方式
本发明所提供的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，如图1所示，包括：激光器1、分束器2、波长计3、鉴频器4、第一转换模块5、FPGA模块6以及第二转换模块7。激光器1，进一步地，激光器1带有压电陶瓷(PZT)，激光器1用于输出激光；分束器2，进一步地，分束器2的数量为2，分束器2用于将激光器1输出的激光分为多束；波长计3，接收分束器2分出的激光，并对激光的频率进行测量；鉴频器4，进一步地，鉴频器4为无多普勒二向色锁定信号(Doppler-free dichroic lock，DFDL)鉴频器，用于接收分束器2分出的激光，并对激光进行处理，获取原子吸收谱信号与鉴频误差信号；第一转换模块5，接收鉴频器4输出的原子吸收谱信号与鉴频误差信号，并将原子吸收谱信号和鉴频误差信号转换成数字信号；FPGA模块6，接收波长计3输出的测量值、以及第一转换模块5输出的数字信号，判定激光频率的锁定状态，并根据锁定状态对激光频率的进行自动锁定或失锁后的自动重锁；第二转换模块7，将FPGA模块6输出的数字信号转化模拟信号，并将该模拟信号反馈给激光器1。
本发明在使用时，激光器1输出的激光通过两个分束器2分成三束，首先分出的两束小功率激光分别用于波长计3和鉴频器4，第三束大功率激光用于输出。波长计3对激光的频率进行测量并反馈给FPGA模块6，分束光进入鉴频器4后被转化成原子吸收谱信号和鉴频误差信号，再通过第一转换模块5转化成数字信号后，再传输至FPGA模块6。FPGA模块6判定激光频率的锁定状态，若激光频率处于锁定状态，继续维持当前锁定状态，若激光频率处于失锁状态，FPGA模块6开始自动锁定激光频率，通过一系列自动控制过程将激光频率重新调回预设的有效锁频范围后，FPGA模块6再次进行锁定状态的判定，以维持锁定状态。
进一步地，如图2所示，FPGA模块6包括：重锁定监测模块8、数字PID模块9、锁定点识别模块10以及锁定点选择放缩模块11。数字PID模块9与激光器1、鉴频器4、第一转换模块5、第二转换模块7组成激光闭环锁定回路。锁定点识别模块10、锁定点选择放缩模块11与激光器1、鉴频器4、波长计3、第一转换模块5、第二转换模块7组成激光自锁定回路。
重锁定监测模块8，实时监测鉴频器4输出的鉴频误差信号的均值，判断激光频率的锁定状态，并根据锁定状态闭合激光闭环锁定回路或激光自锁定回路。具体判断过程如下：若鉴频信号均值小于一个预设的极小值，则激光器1处于锁定状态；若鉴频信号均值大于一个预设的极小值，则激光器1处于失锁状态。
数字PID模块9，用于接收鉴频器4输出的鉴频误差信号，并输出一控制量，该控制量经过第二转换模块反馈给激光器1。
锁定点识别模块10，根据波长计3测量的激光频率，调节激光器1至自锁定状态，自锁定状态为激光器1输出激光的实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应。
锁定点选择放缩模块11，当激光器1处于自锁定状态，搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，根据锁定点的位置，将激光频率调至有效的锁频范围，有效的锁频范围为激光在扫描范围内仅包含一个可识别的锁定点。
若重锁定监测模块8判断激光频率为锁定状态，则继续闭合激光闭环锁定回路，断开激光自锁定回路，使得激光频率锁定在目标频率值，具体过程如下：
(1)数字PID模块9实时获取激光器当前状态下的鉴频误差信号；
(2)数字PID模块9根据鉴频误差信号计算反馈给激光器的控制量；
(3)根据反馈控制量，通过第二转换模7块对激光器1的压电陶瓷(PZT)电压进行反馈控制，从而使得激光频率锁定在目标频率值。
优选地，鉴频器4包括：电光调制器12、光纤电光调制器13、原子气室14、反射模块15、光电探测器16以及解调模块17。
电光调制器12，用于接收分束器2分出的激光，并进行调制。
光纤电光调制器13，用于接收经电光调制器12调制的激光，并进行调制。
原子气室14，用于吸收经光纤电光调制器13调制的激光。
反射模块15，将经过原子气室14的激光反射入原子气室14再次进行吸收。
光电探测器16，将经过再次吸收的激光转化为两路原子吸收谱信号，并将其中一路原子吸收谱信号传输至第一转换模块7。
解调模块，将另一路原子吸收谱信号解调为鉴频误差信号，并将鉴频误差信号传输至第一转换模块7。
鉴频器4的具体输出过程如下：进入鉴频器4的分束光经电光调制器12(EOM)调制后，再经过光纤电光调制器13(F-EOM)调制后，正入射在原子气室14内，经过反射模块15反射后，原路返回再次入射到原子气室14。被原子气室14吸收后的光由光电探测器16(PD)转化为电信号，可以获得原子吸收谱信号。原子吸收谱信号分为两路，一路通过第一转换模块5后传输至FPGA模块6；另一路原子吸收谱信号经解调模块17解调后获得鉴频信号(FDS)。鉴频信号经过第一转换模块5后传输至FPGA模块6。
进一步地，反射模块15包括四分之一波片和反射镜。四分之一波片(quarter-waveplate)是一定厚度的双折射单晶波片。当光从法向入射透过波片时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4波片。
进一步地，解调模块17包括乘法器和低通滤波器，反射光信号经光电探测器(PD)转变为电信号后，调用乘法器用于产生和频和差频直流信号，调用低通滤波器用于滤除和频信号,提取鉴频误差信号。
进一步地，激光器1为半导体激光器。半导体激光器具有体积小、效率高、调制简单和使用方便等优点。
进一步地，波长计3的精度为1GHz。波长计3用于初步测量激光器1输出频率范围，以及根据波长计3的读数和目标频率值，判断压电陶瓷(PZT)扫描补偿变化的方向，因此采用精度为1GHz的波长计3，既能满足要求，同时有效地控制了整个稳频系统的成本。
进一步地，原子气室14为铷原子气室，利用铷基态超精细能级之间的跃迁频率作为参考频率，使激光频率被铷原子参考频率锁定，从而保证激光器1输出稳定的激光频率。
进一步地，第一转换模块5为模数转换模块，反射光信号经光电探测器12(PD)转变为电信号后，由模数转换器(ADC)转换为数字信号。
进一步地，第二转换模块7为数模转换模块，鉴频误差信号经由数字PID模块9控制处理之后获得数字激光频率调谐信号，此信号由数模转换模块(DAC)转换为模拟信号，作用于激光器1的频率调谐端口，实现激光器1的稳频控制。
本发明所提供的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：
S1：利用重锁定监测模块实时监测稳频系统的工作状态；
S2：若激光频率处于锁定状态，激光闭环锁定回路保持工作，使激光的频率锁定在目标频率值；
S3：若激光频率处于失锁状态，FPGA模块中的锁定点识别模块将激光器调节至可供自锁定的工作状态；
S4：再利用FPGA模块中的锁定点选择放缩模块识别原子吸收谱中的所有可锁定点，确定目标锁定点，根据目标锁定点将激光频率调至预设的有效锁频范围，重新激活激光闭环锁定回路，即可实现激光频率失锁后重新锁定。
在上述步骤S2中，使激光频率锁定在目标频率值的具体过程为：实时获取激光器当前状态下的原子吸收谱信号和鉴频误差信号；FPGA模块中数字PID模块根据频率误差计算反馈给激光器的控制量；根据反馈控制量，通过DAC对激光器的输出频率进行反馈校正。
在上述步骤S4中，FPGA模块实现失锁后重锁定的具体过程为：自动地调节激光器PZT的驱动电压以改变激光器的扫描范围，使其频率范围足够覆盖原子某一组跃迁谱线；自动地调节激光器PZT的扫描补偿电压，通过波长计来初步判断，使激光扫描频率包含目标频率值；通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；锁定点选择放缩模块搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，即定位原子吸收谱中的吸收峰，并基于此将激光频率缩放至目标锁定点对应的有效锁频范围内，直至当前扫描范围内，实时原子吸收谱峰识别仅可寻找到唯一的吸收峰。
通过波长计来初步调节激光输出频率范围的具体过程为：通过波长计初步测量激光器输出频率范围，若激光输出频率范围包含目标激光频率，则通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；若激光输出频率范围不包含待锁定激光频率，则根据波长计读数和目标频率值，判断PZT扫描补偿变化的方向；通过预设置变化幅度的阶梯变化函数驱动PZT扫描补偿变化，以固定的变化步长改变激光频率扫描范围，直至激光输出频率范围包含目标激光频率。
在上述步骤S3中，在将激光器调节至可供自锁定的工作状态时，锁定点识别模块，在恒定的扫描频率范围内，调节扫描补偿电压，判定光谱内极值个数，用极值点来对应实时原子吸收谱的共振峰，当实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应时，即将激光器调节为以标准原子吸收谱峰个数表征的可供自锁定的工作状态。
在锁定点识别模块调节扫描补偿电压时，锁定点识别模块要设置合适的极值限制参数，包括极值间距和极值高度，并进行预处理和实时处理。
预处理和实时处理的具体过程为：在预处理中，对特定扫描振幅，即覆盖原子某一组跃迁谱线所对应的频率范围，导出标准原子吸收光谱数据，进行极值识别，设置正确的极值限制参数，使得程序可以对应识别原子共振跃迁吸收峰个数和顺序；在实时处理中，实时地获得原子吸收谱信号，通过ADC输入FPGA模块，根据与预处理相同的极值识别参数提取极值个数，与预处理中的标准原子吸收谱峰值个数对比，确定此时激光器是否工作在可供自锁定的状态。
进一步地，如图5和图6所示，重锁定监测模块是当成功完成激光锁定时，与数字PID模块一起运行的模块，可以监测系统状态并在激光失锁后开启自锁定回路。当激光锁定时，从ADC输入的鉴频信号经过数字低通滤波器后，被寄存器采集，每隔一定时间对采集的鉴频信号求均值，当系统处于锁定状态时，鉴频信号随时间的变化应该稳定于参考值0，此时继续运行重锁定监测模块和字PID模块；反之，当激光失锁时，积累的鉴频信号均值远大于零，此时关闭重锁定监测模块和字PID模块，并进入自锁定回路，开启实时吸收谱锁定点识别模块。
当重锁定监测模块监测判断激光频率处于锁定状态时，仅数字PID模块工作，其余锁定点识别模块和锁定点选择缩放模块无信号输入，此时从ADC输入的鉴频信号，进入数字PID模块中稳定于参考值0，实时反馈输出信号经过ADC传输给PZT驱动器，进而长时间稳定激光频率。
当重锁定监测模块监测判断激光频率处于失锁状态时，关断数字PID模块和重锁定监测模块，开启实时吸收谱锁定点识别模块。首先直接加上一个预设置的对应扫描范围为8GHz的锯齿波信号通过振幅DAC输出到PZT驱动器，控制激光频率的扫描范围。
同时，波长计的测量值通过ADC进入FPGA模块，与目标频率做比较判断，并给出PZT扫描补偿的方向，当不包含时，粗调PZT扫描补偿电压，即以1/10相对频率大小对应的电压步长，顺序调节PZT扫描补偿电压，直至目标频率包含在实时测量的激光频率范围内；
反之，当包含时，以精细的步长调节激光器PZT扫描补偿电压以使激光器频率处于可供自锁定的工作状态。
利用预设置的识别参数，实时识别经ADC输入的原子吸收谱信号峰值个数，与标准原子吸收谱信号峰值个数比较，二者相等即为可供自锁定的工作状态。
当激光器频率处于可供自锁定的工作状态时，开启锁定点选择缩放模块，原子吸收谱信号输入锁定点选择缩放模块。通过直流补偿信号将锁定点峰移动至扫描谱线中心，再逐渐减小锯齿波函数振幅，直至整个扫描谱线中仅有一个吸收峰，即完成DFDL判断，打开数字PID模块和重锁定监测模块，关断锁定点识别模块、锁定点选择缩放模块和锯齿波扫描信号，进入重锁定监测循环。至此，整个系统实现激光频率失锁、自锁定的循环。
下面对自锁频的过程进行详细介绍：
步骤B1：本案例将激光频率锁定在Rb-87原子D1线的一个超精细能级跃迁，首先将激光器1压电陶瓷(PZT)的扫描幅度增大到预设值，以确保覆盖Rb-87原子D1线所对应的跃迁谱线，其频率范围约为377104<Freq<377112GHz，相对频率大小为8GHz。
步骤B2：在步骤B1之后，通过1GHz波长计3测量激光频率FA，判断当前激光频率范围是否包含目标频率FT，并给出PZT扫描补偿的方向。当目标频率不在实时测量的激光频率范围内时，粗调激光器1压电陶瓷(PZT)扫描补偿电压，即以1/10相对频率大小对应的电压步长ΔVlarge，顺序调节激光器1压电陶瓷(PZT)扫描补偿电压Tc＝ΔVlarge*i，直至目标频率包含在实时测量的激光频率范围内。
步骤B3：在步骤B2之后，锁定点识别模块10需要以精细的步长ΔVsmall调节激光器压电陶瓷(PZT)扫描补偿电压Td＝ΔVsmall*j以使激光器1频率处于可供自锁定的工作状态。判断半导体激光器是否处在可供自锁定的工作状态的有效方法是分析其无多普勒二向色锁定信号DFDL。具体的分析过程如下：
步骤B3-1：首先，为了获得寻找极值点的限制参数和实现极值点与跃迁谱线的对应，本案例以一个标准DFDL信号为模板进行预处理，排除杂散背景带来的极值点影响。通过设置合适的极值高度和极值间距等参数，将所提取的极值个数Ns与谱线共振峰对应。
步骤B3-2：通过预处理获得合适的极值约束参数后，在相同参数条件下，对实时采集谱线进行极值分析，获得对应极值个数Npeak，当且仅当实时获得极值个数Npeak等于标准DFDL谱线极值个数Ns时，系统处于可供自锁定的工作状态，进行下一步操作。
步骤B4：在通过原子吸收谱信号极值将激光器1调整至可供自锁定的工作状态后，锁定点选择放缩模块11通过极值的坐标定位DFDL谱中的锁定点的位置，并以此计算PZT电压的扫频补偿和扫频幅度，将激光频率缩放至设定的有效锁频范围内，此时DFDL只包含一个超精细能级跃迁对应的吸收峰处，即完成DFDL判断，随后，激活闭环锁定回路并关闭扫频，实现激光频率重新锁定在目标参考频率。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明中的数字信号由FPGA模块处理，能够极大地提高运行效率，当重锁定监测模块发现激光频率处于失锁状态时，FPGA模块自动将激光频率重新锁定。因而本发明能够实现激光频率的自动锁定、失锁检测以及失锁后的自动重锁，具有控制系统简洁、鲁棒性强、适用性广的特点。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，其特征在于，包括：
激光器，用于输出激光；
分束器，将所述激光器输出的激光分为多束；
波长计，接收所述分束器分出的激光，并对所述激光的频率进行测量；
鉴频器，接收所述分束器分出的激光，并对所述激光进行处理，获取原子吸收谱信号与鉴频误差信号；
第一转换模块，接收所述鉴频器输出的原子吸收谱信号与鉴频误差信号，并将原子吸收谱信号和鉴频误差信号转换成数字信号；
FPGA模块，接收所述波长计输出的测量值、以及所述第一转换模块输出的数字信号，判定激光频率的锁定状态，并根据锁定状态对激光频率进行自动锁定或失锁后的自动重锁；
第二转换模块，将所述FPGA模块输出的数字信号转化模拟信号，并将该模拟信号反馈给所述激光器。
2.根据权利要求1所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，其特征在于，所述FPGA模块包括：
重锁定监测模块、数字PID模块、锁定点识别模块以及锁定点选择放缩模块，所述数字PID模块与激光器、鉴频器、第一转换模块、第二转换模块组成激光闭环锁定回路，所述锁定点识别模块、锁定点选择放缩模块与激光器、鉴频器、波长计、第一转换模块、第二转换模块组成激光自锁定回路；
重锁定监测模块，用于根据实时监测所述鉴频器输出的鉴频误差信号的均值，判断激光频率的锁定状态，并根据锁定状态闭合激光闭环锁定回路或激光自锁定回路；
数字PID模块，用于接收所述鉴频器输出的鉴频误差信号，并输出一控制量，该控制量经过第二转换模块反馈给激光器；
锁定点识别模块，根据所述波长计测量的激光频率，调节激光器至自锁定状态，所述自锁定状态为激光器输出激光的实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应；
锁定点选择放缩模块，当所述激光器处于自锁定状态，搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，根据锁定点的位置，将激光频率调至有效的锁频范围，所述有效的锁频范围为激光在扫描范围内仅包含一个可识别的锁定点。
3.根据权利要求1所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频系统，其特征在于，所述鉴频器包括：
电光调制器，用于接收所述分束器分出的激光，并进行调制；
光纤电光调制器，用于接收经所述电光调制器调制的激光，并进行调制；
原子气室，用于吸收经所述光纤电光调制器调制的激光；
反射模块，将经过原子气室的激光反射入原子气室再次进行吸收；
光电探测器，将经过再次吸收的激光转化为两路原子吸收谱信号，并将其中一路原子吸收谱信号传输至所述第一转换模块；
解调模块，将另一路原子吸收谱信号解调为鉴频误差信号，并将鉴频误差信号传输至所述第一转换模块。
4.一种基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用重锁定监测模块实时监测稳频系统的工作状态；
若激光频率处于锁定状态，激光闭环锁定回路保持工作，使激光的频率锁定在目标频率值；
若激光频率处于失锁状态，FPGA模块中的锁定点识别模块将激光器调节至可供自锁定的工作状态；
再利用FPGA模块中的锁定点选择放缩模块识别原子吸收谱中的所有可锁定点，确定目标锁定点，根据目标锁定点将激光频率调至预设的有效锁频范围，重新激活激光闭环锁定回路，即可实现激光频率失锁后重新锁定。
5.根据权利要求4所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，使激光频率锁定在目标频率值的具体过程为：实时获取激光器当前状态下的原子吸收谱信号和鉴频误差信号；FPGA模块中数字PID模块根据频率误差计算反馈给激光器的控制量；根据反馈控制量，通过DAC对激光器的输出频率进行反馈校正。
6.根据权利要求4所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，所述FPGA模块实现失锁后重锁定的具体过程为：自动地调节激光器PZT的驱动电压以改变激光器的扫描范围，使其频率范围足够覆盖原子某一组跃迁谱线；自动地调节激光器PZT的扫描补偿电压，通过波长计来初步判断，使激光扫描频率包含目标频率值；通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；锁定点选择放缩模块搜索并定位实时原子吸收谱中的所有可锁定点，即定位原子吸收谱中的吸收峰，并基于此将激光频率缩放至目标锁定点对应的有效锁频范围内，直至当前扫描范围内，实时原子吸收谱峰识别仅可寻找到唯一的吸收峰。
7.根据权利要求4所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，在将激光器调节至可供自锁定的工作状态时，锁定点识别模块，在恒定的扫描频率范围内，调节扫描补偿电压，判定光谱内极值个数，用极值点来对应实时原子吸收谱的共振峰，当实时吸收谱共振峰个数与标准原子吸收谱线中共振峰个数对应时，即将激光器调节为以标准原子吸收谱峰个数表征的可供自锁定的工作状态。
8.根据权利要求6所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，通过波长计来初步调节激光输出频率范围的具体过程为：通过波长计初步测量激光器输出频率范围，若激光输出频率范围包含目标激光频率，则通过原子吸收谱来确定激光器是否处于可供自锁定的工作状态；若激光输出频率范围不包含待锁定激光频率，则根据波长计读数和目标频率值，判断PZT扫描补偿变化的方向；通过预设置变化幅度的阶梯变化函数驱动PZT扫描补偿变化，以固定的变化步长改变激光频率扫描范围，直至激光输出频率范围包含目标激光频率。
9.根据权利要求7所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，在锁定点识别模块调节扫描补偿电压时，所述锁定点识别模块要设置合适的极值限制参数，包括极值间距和极值高度，并进行预处理和实时处理。
10.根据权利要求9所述的基于原子吸收谱的FPGA激光自动稳频方法，其特征在于，所述预处理和实时处理的具体过程为：在预处理中，对特定扫描振幅，即覆盖原子某一组跃迁谱线所对应的频率范围，导出标准原子吸收光谱数据，进行极值识别，设置正确的极值限制参数，使得程序可以对应识别原子共振跃迁吸收峰个数和顺序；在实时处理中，实时地获得原子吸收谱信号，通过ADC输入FPGA模块，根据与预处理相同的极值识别参数提取极值个数，与预处理中的标准原子吸收谱峰值个数对比，确定此时激光器是否工作在可供自锁定的状态。
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