CN115663586B - 一种超稳激光高精度误差信号提取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超稳激光高精度误差信号提取系统及方法，属于激光稳频术领域，射频参考信号经过功率分配器分为三路，第一路输入到超稳光的光学系统；第二路输入到第一混频器的L01端；第三路输入到第二混频器的L02端；光学系统输出的腔前反射信号，经过光电探测器和放大器后，输入到第一混频器的RF1端，第一混频器的IF1端的输出信号至第一低通滤波器；第二混频器的RF2端通过电阻接地，第二混频器的IF2端输出信号至第二低通滤波器；将第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出信号输入到减法器，减法器输出误差信号；对误差信号进行比例积分运算输出控制信号，所述控制信号对光学系统进行控制，实现对超稳激光的锁定。

Description

一种超稳激光高精度误差信号提取系统及方法

技术领域

本发明属于激光稳频术领域，具体涉及一种超稳激光高精度误差信号提取系统及方法。

背景技术

目前超稳激光误差信号提取常用的方法是将腔前反射的光信号经光电探测后与射频参考信号进行混频得到误差信号，而输入到混频器L01端的射频参考信号幅度的变化影响IF1端输出的直流偏置电压。另外，混频器IF1端输出的包括直流信号（也就是误差信号）和高频交流信号（会被低通滤波器过滤）。当温度变化时，混频器IF1端输出的直流偏置电压也会随之改变，使得误差信号的直流偏置电压存在漂移，严重影响了误差信号的提取精度，降低了超稳激光系统的锁定稳定度。

发明内容

为了降低混频器IF1端输出的直流偏置电压受混频器L01端射频参考信号幅度的影响以及混频器工作温度的影响，提高误差信号的提取精度，提高超稳激光系统的锁定稳定度。本发明提出了一种超稳激光高精度误差信号提取系统，包括：功率分配器、光学系统、第一混频器、第二混频器、电阻、第一低通滤波器、第二低通滤波器、减法器、比例积分电路；

所述功率分配器分别连接光学系统、第一混频器和第二混频器，将射频参考信号分为三路；

第一路输入到光学系统，第二路输入到第一混频器的L01端，第三路输入到第二混频器的L02端；

所述光学系统内的声光调制器和压电陶瓷接收到来自比例积分电路的控制信号后纠正激光频率，实现对超稳激光的锁定，且输出腔前反射信号；

所述第一混频器将来自功率分配器的第二路信号和来自第一混频器的RF1端的信号进行混频，第一混频器连接第一低通滤波器，用于输出信号到第一低通滤波器；

所述第二混频器将来自所述功率分配器的第三路信号和来自所述电阻的信号进行混频，第二混频器连接第二低通滤波器，用于输出信号到第二低通滤波器；

第一混频器和第二混频器分别连接减法器的两端，用于将信号输入到减法器，所述减法器输出误差信号；

所述减法器连接比例积分电路，所述比例积分电路用于对误差信号进行比例积分运算后输出控制信号，对所述光学系统进行控制，实现对超稳激光的锁定。

进一步地，所述第一混频器具有RF1端、L01端和IF1端，所述第二混频器具有RF2端、L02端和IF2端。

进一步地，所述光学系统连接光电探测器，所述光电探测器将来自光学系统中的腔前反射光信号转化为电信号；所述光电探测器连接放大器，所述放大器将来自所述光电探测器的电信号进行放大后，输入到所述第一混频器的RF1端。

进一步地，所述电阻接地，阻值为50Ω。

进一步地，所述第一混频器的IF1端和第二混频器的IF2端输出的信号包括误差信号和高频交流信号，所述第一低通滤波器和第二低通滤波器分别过滤掉第一混频器和第二混频器的输出信号中的高频交流信号，因每一个高频交流信号都是误差信号的干扰信号，需要分别滤除后进入减法器。

本发明还提出了一种超稳激光高精度误差信号提取方法，采用误差信号提取系统实现，包括如下步骤：

步骤一：射频参考信号经过功率分配器分为三路，第一路输入到超稳光的光学系统；第二路输入到第一混频器的L01端；第三路输入到第二混频器的L02端；

步骤二：光学系统输出的腔前反射信号，经过光电探测器和放大器后，输入到第一混频器的RF1端，第一混频器的IF1端的输出信号至第一低通滤波器；

步骤三：第二混频器的RF2端通过电阻接地，第二混频器的IF2端输出信号至第二低通滤波器；

步骤四：将第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出信号输入到减法器，减法器输出误差信号；

步骤五：对误差信号进行比例积分运算输出控制信号，所述控制信号对光学系统进行控制，实现对超稳激光的锁定。

现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

通过在误差提取的电路中增加一个参考混频器，其IF2端输出的直流偏置电压作为参考电压，用于抵消原混频器IF1端输出的直流偏置电压受混频器L01端射频参考信号幅度的影响以及混频器工作温度的影响，以提升超稳激光的锁定稳定度。

如果两个混频器温度不一致，对误差的提取是有影响的，所以本发明中将两个型号相同的混频器放置在一起，距离非常近，所以温度环境基本相同，可以很好地保证其工作温度的一致性。

通过在误差提取的电路中增加一个参考混频器，其IF2端输出的直流偏置电压作为参考电压，用于抵消原混频器IF1端输出的直流偏置电压受混频器L01端射频参考信号幅度的影响以及混频器工作温度的影响，提高误差信号的提取精度，使误差信号的精度从mV量级提高到10μV量级，提高超稳激光系统的锁定稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的超稳激光高精度误差信号提取系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

如图1所示，为本发明的超稳激光高精度误差信号提取系统的结构示意图。该误差信号提取系统包括：功率分配器1、光学系统2、光电探测器3、放大器4、第一混频器5、第二混频器6、电阻7、第一低通滤波器8、第二低通滤波器9、减法器10和比例积分电路11。

功率分配器1分别连接光学系统2、第一混频器5和第二混频器6，用于将射频参考信号分为三路，第一混频器5具有RF1端、L01端和IF1端，第二混频器6具有RF2端、L02端和IF2端。

功率分配器1的第一路输入到超稳光的光学系统2；第二路输入到第一混频器5的L01端；第三路输入到第二混频器6的L02端。

光学系统2连接光电探测器3和比例积分电路11，光学系统2内的声光调制器和压电陶瓷接收到来自比例积分电路11的控制信号后纠正激光频率，实现对超稳激光的锁定，且输出腔前反射信号到光电探测器3中。

光电探测器3连接放大器4，放大器4连接第一混频器5的RF1端，光电探测器3将来自光学系统2中的腔前反射光信号转化为电信号，放大器4将来自光电探测器3的电信号进行放大后，输入到第一混频器5的RF1端，第一混频器5将来自功率分配器1的第二路信号和来自第一混频器5的RF1端的信号进行混频，第一混频器5的IF1端连接第一低通滤波器8，用于输出信号到第一低通滤波器8。

第二混频器6的L02端接收功率分配器1的第三路输出信号，第二混频器6的RF2端接收电阻7，第二混频器6将来自功率分配器1的信号和来自电阻7的信号进行混频，第二混频器6的IF2端连接第二低通滤波器9，用于输出信号到第二低通滤波器9。

电阻7接地，电阻的阻值优选为50Ω。

第一混频器5的IF1端和第二混频器6的IF2端输出的信号包括直流信号（也就是误差信号）和高频交流信号，低通滤波器8和9会分别过滤掉第一混频器5和第二混频器6输出信号中的高频交流信号，因每一个高频交流信号都是误差信号的干扰信号，需要分别滤除后进入减法器10。

经实验测得第一混频器5的IF1端直流偏置电压温度特性约为50μV/℃，第一混频器5的L01端射频参考信号功率对第一混频器5的IF1端直流偏置电压的影响约为10μV/mW。

第一混频器5和第二混频器6均连接减法器的两端，用于将IF1信号和IF2信号输入到减法器10，减法器10输出误差信号。

减法器10连接比例积分电路11，比例积分电路11用于对误差信号进行比例积分运算后输出控制信号，对光学系统2内的声光调制器和压电陶瓷进行控制，实现对超稳激光的锁定。

本发明的超稳激光高精度误差信号提取方法包括如下步骤：

步骤一：40MHz的射频参考信号经过功率分配器1分为三路，第一路输入到超稳光的光学系统；第二路输入到第一混频器5的L01端；第三路输入到第二混频器6的L02端。射频参考信号优选地为40MHz。

步骤二：光学系统2输出的腔前反射信号，经过光电探测器3和放大器4后，输入到第一混频器5的RF1端，第一混频器5的IF1端输出的IF1信号到第一低通滤波器8。

步骤三：

第二混频器6的RF2端通过50Ω电阻7接地，第二混频器6的IF2端输出的IF2信号输出到第二低通滤波器9。

步骤四：

将IF1信号和IF2信号将经第一低通滤波器8和第二低通滤波器9的输出信号输入到减法器10，减法器10输出的信号即为误差信号；

经实验测得，误差信号直流偏置电压温度特性约为2μV/℃，射频参考信号功率对误差信号直流偏置电压的影响约为0.5μV/mW。第一混频器IF1端输出的直流偏置电压受第一混频器L01端射频参考信号幅度的影响以及第一混频器工作温度的影响得到有效抑制。

步骤五：

对误差信号进行比例积分运算输出控制信号，对光学系统内的声光调制器和压电陶瓷进行控制，实现对超稳激光的锁定。

实验表明，未采用本发明的方法提取误差信号时，超稳激光的锁定稳定度约为5E-15/s；而采用本发明的方法提高了误差信号的提取精度，使超稳激光的锁定稳定度提升至1E-15/s。

由于减法器的直流偏置及其漂移可以在μV量级，所以减法器对误差信号的提取精度的影响忽略不计。

输入到第一混频器L01端的射频参考信号幅度的变化影响IF1端输出的直流偏置电压的变化，在两个混频器上的表现基本是一致的，所以通过减法器以第二混频器6输出的直流电压为参考来提取误差信号，可以有效抑制L01端的射频参考信号幅度的影响；另外，由于温度的变化，第一混频器IF1端输出的直流偏置电压也会随之改变，而这个变化在两个混频器上的表现也是基本一致的，通过减法器以第二混频器6输出的直流电压为参考来提取误差信号，可以有效抑制温度变化对第一混频器IF1端输出的直流偏置电压的影响。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，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申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超稳激光高精度误差信号提取系统，其特征在于，包括：功率分配器、光学系统、第一混频器、第二混频器、电阻、第一低通滤波器、第二低通滤波器、减法器、比例积分电路；

所述功率分配器分别连接光学系统、第一混频器和第二混频器，将射频参考信号分为三路；

第一路输入到光学系统，第二路输入到第一混频器的L01端，第三路输入到第二混频器的L02端；

所述光学系统内的声光调制器和压电陶瓷接收到来自比例积分电路的控制信号后纠正激光频率，实现对超稳激光的锁定，且输出腔前反射信号；

所述第一混频器将来自功率分配器的第二路信号和来自第一混频器的RF1端的信号进行混频，第一混频器连接第一低通滤波器，用于输出信号到第一低通滤波器；

所述第二混频器将来自所述功率分配器的第三路信号和来自所述电阻的信号进行混频，第二混频器连接第二低通滤波器，用于输出信号到第二低通滤波器；

第一混频器和第二混频器分别连接减法器的两端，用于将信号输入到减法器，所述减法器输出误差信号；

所述减法器连接比例积分电路，所述比例积分电路用于对误差信号进行比例积分运算后输出控制信号，对所述光学系统进行控制，实现对超稳激光的锁定。

2.根据权利要求1所述的超稳激光高精度误差信号提取系统，其特征在于，所述第一混频器具有RF1端、L01端和IF1端，所述第二混频器具有RF2端、L02端和IF2端。

3.根据权利要求1所述的超稳激光高精度误差信号提取系统，其特征在于，所述光学系统连接光电探测器，所述光电探测器将来自光学系统中的腔前反射光信号转化为电信号；所述光电探测器连接放大器，所述放大器将来自所述光电探测器的电信号进行放大后，输入到所述第一混频器的RF1端。

4.根据权利要求1所述的超稳激光高精度误差信号提取系统，其特征在于，所述电阻接地，阻值为50Ω。

5.根据权利要求2所述的超稳激光高精度误差信号提取系统，其特征在于，所述第一混频器的IF1端和第二混频器的IF2端输出的信号包括误差信号和高频交流信号，每一个高频交流信号都是误差信号的干扰信号，第一低通滤波器和第二低通滤波器分别过滤掉第一混频器和第二混频器的输出信号中的高频交流信号后进入减法器。

6.一种超稳激光高精度误差信号提取方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项权利要求所述的误差信号提取系统实现，包括如下步骤：

步骤一：射频参考信号经过功率分配器分为三路，第一路输入到超稳光的光学系统；第二路输入到第一混频器的L01端；第三路输入到第二混频器的L02端；

步骤二：光学系统输出的腔前反射信号，经过光电探测器和放大器后，输入到第一混频器的RF1端，第一混频器的IF1端的输出信号至第一低通滤波器；

步骤三：第二混频器的RF2端通过电阻接地，第二混频器的IF2端输出信号至第二低通滤波器；

步骤四：将第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出信号输入到减法器，减法器输出误差信号；

步骤五：对误差信号进行比例积分运算输出控制信号，所述控制信号对光学系统进行控制，实现对超稳激光的锁定。

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