CN116009249B - 一种光学频率梳锁模自动调试方法及系统 - Google Patents

一种光学频率梳锁模自动调试方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种光学频率梳锁模自动调试方法及系统，涉及频率控制技术领域，通过频率测量模块测量并计算光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号频率的平均值；设置辅助锁模射频源输出信号的频率值，所述射频频率信号为步骤一测得的平均值
Figure ZY_1
；用减速步进电机以
Figure ZY_2
为步进，旋转光频梳光学振荡器内的波片的位置；重复上述步骤完成所述波片
Figure ZY_3
旋转，记录成功锁模时波片所在的n个位置
Figure ZY_4
，实现自动调试。通过自动设置辅助锁模射频信号频率提高锁模成功率，并采用减速步进电机精细调整波片进行锁模自动调试以找到合适位置实现锁模，降低了锁模自动调试系统的成本，实现生产调试的自动化。

Description

一种光学频率梳锁模自动调试方法及系统
技术领域
本发明涉及频率控制技术领域，尤其涉及一种光学频率梳锁模自动调试方法及系统。
背景技术
光学频率梳是超短脉冲激光产生技术和超稳激光技术结合的产物，它的出现推动了光频测量和精密光谱学等领域的迅猛发展。原理上，光学频率梳在频域上表现为一系列频率间隔精确相等、频率精度极高的梳齿，每根梳齿相当于线宽极窄的“超稳激光源”。在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。
光学频率梳作为一个光学频率和射频频率链接的重要手段，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将微波原子频标与光频标准确而简单的联系起来，为精密光谱测量、基础物理量标定、光钟、阿秒科学、天文观测等多个科研领域提供了高精确度、高准确度及高灵敏度的测量工具，在光学频率精密测量、任意光脉冲形状的产生、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中有广泛的应用空间。
光学频率梳应用的前提条件是正确地实现锁模。目前现有的光学频率梳在生产研制过程中，由于满足锁模要求的波片位置的区间比较小，初次实现锁模比较困难，往往需要技术人员长时间反复尝试旋转波片位置进行调试，最终实现锁模。这个过程不仅耗费大量的人力资源和时间，并且需要长时间占用光谱仪等昂贵的仪器辅助调试。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光学频率梳锁模自动调试方法，包括如下步骤：
步骤一、通过频率测量模块测量并计算光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号频率的平均值；
步骤二、设置辅助锁模射频源输出射频频率信号，所述射频频率信号的频率值为所述步骤一测得的平均值
Figure SMS_1
；
步骤三、用减速步进电机以
Figure SMS_2
为步进，旋转光频梳光学振荡器内的波片的位置；
步骤四、重复所述步骤三，完成所述波片
Figure SMS_3
旋转，记录成功锁模时波片所在的n个位置/>
Figure SMS_4
，实现自动调试。
进一步地，所述步骤三中，经过
Figure SMS_5
时间后，用功率检测模块监测所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号的功率，当所述电信号的功率增大到超过阈值功率时，则锁模成功，记录此刻波片的位置。
进一步地，当光频梳光学振荡器的腔内光功率低时，环内相向传输的两束脉冲能通过旋光镜和波片构成的非互易相移器获得非线性相移，降低激光器的起锁阈值。
进一步地，
Figure SMS_6
小于/>
Figure SMS_7
，/>
Figure SMS_8
为3~5s。
进一步地，采用八分之一波片完成
Figure SMS_9
转动，转动后记录八分之一波片所在的位置/>
Figure SMS_10
。
进一步地，设未锁模时重复频率信号的功率为
Figure SMS_11
，所述阈值功率/>
Figure SMS_12
定义为
Figure SMS_13
。
进一步地，以1s为闸门，频率测量模块测试30次光学频率梳输出的重复频率信号的电信号，其平均值为200.1MHz，令
Figure SMS_14
为1MHz，则设置辅助锁模射频源输出信号的频率值为200.1MHz±1MHz。
本发明还提出了一种光学频率梳锁模自动调试系统，用于实现光学频率梳锁模自动调试方法，包括：光频梳光学振荡器、运算控制器、减速步进电机、辅助锁模射频源、频率测量模块、功率检测模块、光电探测器；
所述光频梳光学振荡器用于输出飞秒激光脉冲；所述运算控制器，分别连接所述功率检测模块、频率测量模块、辅助锁模射频源和减速步进电机；
所述频率测量模块，用于测量并计算所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测后电信号频率的平均值；
所述辅助锁模射频源，用于输出辅助锁模的射频频率信号，所述射频频率信号的频率值为所述平均值
Figure SMS_15
；
所述减速步进电机以
Figure SMS_16
为步进，旋转所述光频梳光学振荡器内的波片的位置，进行锁模自动调试；
所述功率检测模块，用于监测所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号的功率。
进一步地，所述光频梳光学振荡器包括：萨格纳克环、旋光镜、波片、电光调制器、反射镜；
所述萨格纳克环将激光器输出的激光分成水平偏振光与竖直偏振光两个方向；
所述旋光镜和波片构成非互易相移器，当光频梳光学振荡器的腔内光功率低时，环内相向传输的两束脉冲能获得非线性相移，降低激光器的起锁阈值；
所述电光调制器，用于辅助起锁模和调节重复频率；
所述反射镜将光反射回光频梳光学振荡器的腔内，形成振荡。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
本发明提供了一种光学频率梳锁模自动调试方法，通过自动设置辅助锁模射频信号频率提高锁模成功率，并采用减速步进电机精细调整波片进行锁模自动调试以找到合适位置实现锁模，只需采集功率检测模块即可判断是否锁模成功，降低了锁模自动调试系统的成本，实现生产调试的自动化。
结合射频信号辅助锁模，减小了锁模的时间，提高了锁模的成功率，通过用减速步进电机代替人工提高了波片位置调整的精度，使调整精度提高了
Figure SMS_17
量级，提高了工作效率，减少了技术人员的负担，只需采集功率检测模块即可判断是否锁模成功，降低了锁模自动调试系统的成本，实现生产调试的自动化。
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为本发明一种光学频率梳锁模自动调试系统的结构示意图。
图2为本发明一种光学频率梳锁模自动调试方法的未起锁模状态下的频谱图。
图3为本发明一种光学频率梳锁模自动调试方法的起锁模状态下的频谱图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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，为本发明的光学频率梳锁模自动调试系统的结构示意图。
光学频率梳锁模自动调试系统包括：光频梳光学振荡器、运算控制器、减速步进电机、辅助锁模射频源、频率测量模块、功率检测模块、光电探测器。
光频梳光学振荡器用于输出飞秒激光脉冲。
运算控制器，分别连接功率检测模块、频率测量模块、辅助锁模射频源和减速步进电机。
减速步进电机，用于精细调整波片进行锁模自动调试以找到合适位置实现锁模。
光电探测器，用于连接至光频梳光学振荡器的输出端，用于将光频梳光学振荡器输出的重复频率光信号转化为电信号。
功率检测模块，连接光电探测器，用于监测光频梳光学振荡器输出的重复频率信号的功率。
频率测量模块，测得光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测后电信号频率的平均值。
辅助锁模射频源，用于输出辅助锁模射频信号，提高锁模成功率。
所述光频梳光学振荡器包括：萨格纳克(Sagnac)环、旋光镜、波片、电光调制器（EOM)、反射镜。
萨格纳克(Sagnac)环将激光器输出的激光分成水平偏振光与竖直偏振光两个方向，为后续干涉锁模提供条件。
旋光镜和波片构成非互易相移器，当光频梳光学振荡器的腔内光功率较低时，环内相向传输的两束脉冲也能获得较大的非线性相移，从而降低激光器的起锁阈值。
电光调制器，一是用于辅助起锁模，二是用于调节重复频率；
反射镜将光反射回光频梳光学振荡器的腔内，形成振荡。
本发明提出一种光学频率梳锁模自动调试方法，通过系统自动准确设置辅助锁模射频源的辅助锁模射频信号的频率值，用减速步进电机代替人工精细地调整波片的位置，搜寻波片合适的位置，实现生产调试的自动化。
光学频率梳锁模自动调试方法具体包括如下步骤：
步骤一：锁模前，频率测量模块测得光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号频率的平均值。
频率测量模块需要通过多次测量光学频率梳输出的重复频率信号，计算其平均值。优选地，以1s为闸门，频率测量模块测试30次光学频率梳输出的重复频率信号的电信号，其平均值为200.1MHz。
步骤二：设置辅助锁模射频源输出信号的频率值，使其输出的射频频率信号为步骤一测得的平均值
Figure SMS_18
。优选地，/>
Figure SMS_19
为1MHz，即200.1MHz±1MHz。将辅助锁模射频信号输入到光频梳光学振荡器内的电光调制器，以提高锁模的成功率。优选地，将辅助锁模射频源输出的射频频率信号的频率设置为200MHz。
步骤三：用减速步进电机以
Figure SMS_20
为步进旋转光频梳光学振荡器内的波片的位置，经过/>
Figure SMS_21
时间后，用功率检测模块监测光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号的功率，当重复频率信号的电信号功率增大到超过阈值功率时，则说明锁模成功，并记录此刻波片的位置。
Figure SMS_22
小于/>
Figure SMS_23
，优选为/>
Figure SMS_24
。/>
Figure SMS_25
与系统的反应时间有关，一般选3~5s。
设未锁模时重复频率信号的功率为
Figure SMS_26
，定义阈值功率/>
Figure SMS_27
为/>
Figure SMS_28
。
在优选实施例中，用减速步进电机以
Figure SMS_29
为步进旋转光频梳光学振荡器内的波片的位置，经过3s时间后，用功率检测模块监测重复频率信号的功率，未锁模时重复频率信号的功率值为-29.6dBm,当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率，说明锁模成功，起锁模时重复频率信号的功率值为-9.31dBm，记录此刻波片的位置。如图2所示为未起锁模状态下的频谱图，如图3所示为起锁模状态下的频谱图。
实验表明，未采用本发明的方法调整波片的位置时，人工转动八分之一波片的精度为2°/格；而采用本发明的方法提高了波片位置调整的精度，使转动波片的精度提升至0.002°/步。
步骤四：重复步骤三，完成波片
Figure SMS_30
旋转，记录成功锁模时波片所在的n个位置
Figure SMS_31
，从而实现生产调试的自动化。
在优选实施例中，可采用八分之一波片完成
Figure SMS_32
转动，转动后记录八分之一波片所在的位置/>
Figure SMS_33
，实现生产调试的自动化。
本发明提供了一种光学频率梳锁模自动调试方法，通过系统自动准确设置辅助锁模射频信号的频率值，用减速步进电机代替人工精细地调整波片的位置，采集光电探测器输出电信号的功率，判断光学频率梳锁模状态，记录使光学频率梳锁模成功的波片位置，从而实现锁模自动调试。由于减速步进电机调整波片的精细度远优于人工，且自动调试系统可以长时间自动工作，减少了技术人员的工作量，提高了工作效率和锁模调试的成功率。另外锁模自动调试系统中采用功率检测和频率测量的方法，无需使用光谱仪等昂贵的仪器，降低了系统的成本。
减速步进电机的功能：通过减速装置控制驱动电平，进而控制减速步进电机的转角，将步进电机的转角进行细分，以获得更高的转角分辨率。
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发明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，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，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发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过频率测量模块测量并计算光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号频率的平均值；
步骤二、设置辅助锁模射频源输出射频频率信号，所述射频频率信号的频率值为所述步骤一测得的平均值±
Figure QLYQS_1
；
步骤三、用减速步进电机以
Figure QLYQS_2
为步进，旋转光频梳光学振荡器内的波片的位置；
经过
Figure QLYQS_3
时间后，用功率检测模块监测所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号的功率，当所述电信号的功率增大到超过阈值功率时，则锁模成功，记录此刻波片的位置；
步骤四、重复所述步骤三，完成所述波片360°旋转，记录成功锁模时波片所在的n个位置P1~Pn，实现自动调试。
2.根据权利要求1所述的光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，当光频梳光学振荡器的腔内光功率低时，环内相向传输的两束脉冲能通过旋光镜和波片构成的非互易相移器获得非线性相移，降低激光器的起锁阈值。
3.根据权利要求1所述的光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，
Figure QLYQS_4
小于0.5°，/>
Figure QLYQS_5
为3~5s。
4.根据权利要求1所述的光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，采用八分之一波片完成360°转动，转动后记录八分之一波片所在的位置P1、P2。
5.根据权利要求1所述的光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，设未锁模时重复频率信号的功率为P0,所述阈值功率Pthr定义为P0+3dBm。
6.根据权利要求1所述的光学频率梳锁模自动调试方法，其特征在于，以1s为闸门，频率测量模块测试30次光学频率梳输出的重复频率信号的电信号，平均值为200.1MHz，令
Figure QLYQS_6
为1MHz，则设置辅助锁模射频源输出信号的频率值为200.1MHz±1MHz。
7.一种光学频率梳锁模自动调试系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-6任意一项所述的光学频率梳锁模自动调试方法，包括：光频梳光学振荡器、运算控制器、减速步进电机、辅助锁模射频源、频率测量模块、功率检测模块、光电探测器；
所述光频梳光学振荡器用于输出飞秒激光脉冲；所述运算控制器，分别连接所述功率检测模块、频率测量模块、辅助锁模射频源和减速步进电机；
所述频率测量模块，用于测量并计算所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测后电信号频率的平均值；
所述辅助锁模射频源，用于输出辅助锁模的射频频率信号，所述射频频率信号的频率值为所述平均值±
Figure QLYQS_7
；
所述减速步进电机以
Figure QLYQS_8
为步进，旋转所述光频梳光学振荡器内的波片的位置，进行锁模自动调试；
所述功率检测模块，用于监测所述光频梳光学振荡器输出的重复频率信号经光电探测器探测后电信号的功率。
8.根据权利要求7所述的光学频率梳锁模自动调试系统，其特征在于，所述光频梳光学振荡器包括：萨格纳克环、旋光镜、波片、电光调制器、反射镜；
所述萨格纳克环将激光器输出的激光分成水平偏振光与竖直偏振光两个方向；
所述旋光镜和波片构成非互易相移器，当光频梳光学振荡器的腔内光功率低时，环内相向传输的两束脉冲能获得非线性相移，降低激光器的起锁阈值；
所述电光调制器，用于辅助起锁模和调节重复频率；
所述反射镜将光反射回光频梳光学振荡器的腔内，形成振荡。
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