CN116207599A - 一种基于共享变量的激光远程稳频装置 - Google Patents

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张乾煜
李梓
白文丽
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Abstract

本发明公开了一种基于共享变量的激光远程稳频装置，涉及激光稳频技术领域。本发明的结构是：激光器(1)、光纤(2)前后连接，光纤(2)和频率参考光(3)分别与激光合束器(4)连接，激光合束器(4)、电探测器(5)、频率计数器(6)、数据发布端(7)、网络(8)、数据接收端(9)和激光器(1)依次连接。与现有的类似的稳频装置相比，本发明可实现远距离的激光频率稳定，并且传递性能好，成本低，可扩展性高，可广泛用于激光稳频技术领域。

Description

一种基于共享变量的激光远程稳频装置
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，具体涉及一种基于共享变量的激光远程稳频装置，可实现激光高精度频率参考的高效共享，可用于激光精密谱测量。
背景技术
激光由于其良好的单色性，在很多领域都有着重要的应用。特别是半导体激光器，其线宽一般只有几十KHz，但是激光器在自由运转过程中激光中心频率每小时可以变化几十MHz甚至几十GHz，大大影响了其使用精度。通过激光频率稳定的方式，可以增加激光中心频率的稳定性，稳频过程还可以实现激光线宽的压窄，从而大幅度提高激光器的使用性能。在激光稳频技术中，用于锁定激光频率的频率参考扮演着至关重要的角色。稳频后，激光中心频率会随频率参考源的变化而变化，考虑到伺服会引入部分不稳定性，因此频率参考源提供了激光中心频率稳定度可达到的上限。
目前用于激光稳频的频率参考主要有三类：一类是以原子或分子跃迁中心频率作为频率参考，这种参考在屏蔽外场影响下，频率参考不会变化，频率参考的线宽即为跃迁能级线宽。第二类是以光学标准具作为频率参考，代表有光腔和波长计。光腔的线宽取决于腔精细度和自由光谱程，波长计实现的是相对测量，其测量精度更容易受参考基准的影响，又称校准源。这类参考由于会受外界环境温度影响，锁定在这类参考上的激光也会随着光腔或者波长计的漂移而漂移。第三类频率参考是光梳，光梳是将微波频率标准转化为光频频率标准的工具，其频率精度可参考微波钟基准。在这三类频率参考中，以原子分子跃迁中心频率或者光腔作为频率参考，一个跃迁中心频率或一个光腔仅可为一个光频提供频率参考，因此单个装置不具备共享性，而高精度波长计和光梳，这两种设备的成本较高，并且可为波长范围宽达数百纳米的激光提供频率参考，因此具有较高的共享价值。
传统的参考频率共享方式是通过同时布置一根光纤和数据线，通过光纤将待稳频激光传导至频率参考所在地，激光与频率参考光，由于频率相近，其合束被光电探测器探测后，光电探测器将探测到这两束光的频率差，又称为拍频信号。将拍频信号通过数据线传回激光器，使得这个频率差不变，激光器的频率就稳定下来。与近程的稳频系统不同，拍频信号经过远距离传输会发生衰减，而且不同频率衰减幅度不一样，。然有些信号经过处理可以提高远距离传输性能，但依旧改变不了信号会随距离衰减的特性，因此对原始拍频信号强度依然有着较高的要求。
为了弥补作为射频信号的拍频信号传输衰减的问题，采用数字信号传输是一种很好的解决方式。在频率参考端所在地计算机上利用C语言、Python或者LabVIEW等软件编写程序将拍频频率作为共享变量发布，利用网络传输该变量，激光器所在地计算机就可以直接使用该变量，这种用网络传递数字信号的方式，具有很强的抗干扰性，抗衰减性，传输速率只取决于对共享变量的数据类型定义，不会随着拍频频率数值大小的改变而改变。以拍频频率作为共享变量，该变量的大小只有几十比特，因此传输速度快。通过发布共享变量的方式，方法简单，成本低，可同时发布多个网络变量，具有很好的扩展性，因此非常适合用于在激光稳频中，对频率参考进行远距离共享，大大节省成本。
综上所述，利用发布共享变量的方式，通过网络传输信号，可将激光频率锁定到距离较远的频率参考上。本发明对原始拍频信号强度要求不高，方案简单、成本低、扩展性高，可通过激光频率参考的共享实现远距离激光频率稳定，更利于激光频率参考的共享。
发明内容
本发明的目的在于克服目前远距离激光稳频时传输稳频用拍频信号问题，提供一种基于共享变量的激光远程稳频装置。
本发明的目的是这样实现的：
包括激光器、光纤、频率参考光、激光合束器、光电探测器、频率计数器、数据发布端、网络、数据接收端。采用本装置，解决了远距离传输拍频信号时的信号衰减和环境干扰的问题。可以用于激光频率锁定至远距离频率参考上，大大增加了高精度频率参考的共享范围，可广泛用于激光稳频技术领域。
具体地说：
本装置包括激光器、光纤、频率参考光、激光合束器、光电探测器、频率计数器、数据发布端、网络和数据接收端；
其连接关系是：
激光器、光纤前后连接，光纤和频率参考光分别与激光合束器连接，激光合束器、电探测器、频率计数器、数据发布端、网络、数据接收端和激光器1依次连接；
激光器出射激光耦合进入光纤，远程传输后，与频率参考光经过激光合束器后，一起被光电探测器探测，光电探测器信号传输给频率计数器，测量后获得拍频信号的频率数值，数据发布端获取后将该数值发布为共享变量，经过网络传输给数据接收端，产生反馈信号传递给激光器，实现激光频率锁定至频率参考光上。
与现有的类似的稳频装置相比，本发明具有以下优点和积极效果：
可实现远距离的激光频率稳定，并且传递性能好，成本低，可扩展性高，可广泛用于激光稳频技术领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图中：
1—激光器；
2—光纤；
3—频率参考光；
4—激光合束器；
5—光电探测器；
6—频率计数器
7—数据发布端；
8—网络；
9—数据接收端。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合具体实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一、一种基于共享变量的激光远程稳频装置的结构
1、总体
如图1，本装置包括激光器1、光纤2、频率参考光3、激光合束器4、光电探测器5、频率计数器6、数据发布端7、网络8和数据接收端9；
其连接关系是：
激光器1、光纤2前后连接，光纤2和频率参考光3分别与激光合束器4连接，激光合束器4、电探测器5、频率计数器6、数据发布端7、网络8、数据接收端9和激光器1依次连接；
激光器1出射激光耦合进入光纤2，远程传输后，与频率参考光3经过激光合束器4后，一起被光电探测器5探测，光电探测器5信号传输给频率计数器6，测量后获得拍频信号的频率数值，数据发布端7获取后将该数值发布为共享变量，经过网络8传输给数据接收端9，产生反馈信号传递给激光器1，实现激光频率锁定至频率参考光3上。
工作机理：
激光器1出射的激光的频率为fl(t)，激光耦合进入光纤2，远程传输后，与频率参考光3重合，其中频率参考光3的频率为fc，可认为参考光频率不随时间变化，且fl(t)与fc大小相近。两束激光重合后一起被光电探测器5探测，重合后叠加在一起的激光频率可近似用合频fc+fl部分和差频|fc-fl|部分的叠加来表示。由于合频部分较大，为光频；光电探测器5的带宽不能覆盖至光频，所以光电探测器5只能探测到差频部分，即两束光的拍频信号即频率为fb＝|fc-fl|的正弦信号。通过频率计数器6对光电探测器5的信号进行频率计数，则可以获得fb的数值大小。当激光器1频率未锁定时，该数值会一直变化，并不稳定。频率计数器6将该数值传递给数据发布端7，通常为计算机或带计算机功能的其他仪器，通过Python、C语言或者LabVIEW等将该数值发布为共享变量，经过网络8传输回激光器1所在地的数据接收端9，通过Python、C语言或者LabVIEW等与发布共享变量一致的程序实时调用该共享变量，即fb大小，由于网络传递的是一个占8个字节的数据，因此接收到的数值不会受到传输过程信号衰减的影响，并且延时也很小，约微秒量级。接收到共享变量的数据接收端9通过比例积分微分(PID)控制的方式，将反馈信号转换为电压传输给激光器1使得fb随时间变化趋于稳定，从而实现了激光频率fl(t)的稳定。
2、功能部件
1)激光器1
是一种常用仪器，用来输出激光。
2)光纤2
是一种常用光学部件，是一种有效光传导工具。
3)频率参考光3
可作为光频率标准的光，如：光梳、已经锁定在频率标准上的激光等。
4)激光合束器4
是一种常用光学部件，用于将不同激光光路合并，如：半透半反镜、偏振分束镜、分束镜等。
5)光电探测器5
是一种常用部件，用于激光功率测量，探测两束频率不同的激光时，差频在探测器测量带宽内，可测得两束激光的拍频信号。
6)频率计数器6
是一种常用部件，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器
7)数据发布端7
是一种可采集信号，并通过python、C语言或者LabVIEW等发布共享变量的控制端，多为计算机或者是集成了计算机功能的PXI机箱。
8)网络8
是一种常用部件，用于信息传输、接收、共享平台，有线或者无线网络均可。
9)数据接收端9
是一种可接收网络信息，并根据接收信息输出控制信号的控制端，接收方式根据发布方式来确定，多为计算机或者是集成了计算机功能的PXI机箱。
二、具体实施例
具体实施时，激光器1为连续激光器，频率参考光5为光梳，激光器1需稳定频率落在光梳光谱范围内，且激光器1与光梳所在地距离较远。激光器1输出激光耦合进入光纤2，经过光纤2长距离传输，将激光器1出射激光引入光梳所在处，将光梳出射光与光纤出射光经过激光合束器4，使光路重合，重合所需调节器件，是光路调节的通用技术。重合后激光经过光电探测器5探测，光电探测器5的探测带宽大于光梳重频的一半，这样可以保证探测到两束光的拍频信号，拍频信号经过频率计数器6测量后获得拍频频率，通过数据发布端7。这里可采用安装C语言、Python或者LabVIEW等软件的计算机作为数据发布端，将拍频数值设置为共享变量，通过网络9连接数据发布端8和数据接收端9。这里一台安装了发布共享变量的软件的计算机作为数据接收端9，用来调用该共享变量，通过数字模拟转换，生成反馈信号输入给激光器1，使拍频数值保持不变，实现激光器1输出激光频率锁定至光梳，从而实现激光频率稳定。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做必要的修改或替代，比如使用不同的激光频率参考，未列举的激光合束方式以及发布共享变量的软件，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于共享变量的激光远程稳频装置，其特征在于：
包括激光器(1)、光纤(2)、频率参考光(3)、激光合束器(4)、光电探测器(5)、频率计数器(6)、数据发布端(7)、网络(8)和数据接收端(9)；
其连接关系是：
激光器(1)、光纤(2)前后连接，光纤(2)和频率参考光(3)分别与激光合束器(4)连接，激光合束器(4)、电探测器(5)、频率计数器(6)、数据发布端(7)、网络(8)、数据接收端(9)和激光器(1)依次连接；
激光器(1)出射激光耦合进入光纤(2)，远程传输后，与频率参考光(3)经过激光合束器(4)后，一起被光电探测器(5)探测，光电探测器(5)信号传输给频率计数器(6)，测量后获得拍频信号的频率数值，数据发布端(7)获取后将该数值发布为共享变量，经过网络(8)传输给数据接收端(9)，产生反馈信号传递给激光器(1)，实现激光频率锁定至频率参考光(3)上。
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