CN116387954A - 一种基于光学反馈和pdh结合的频率锁定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，步骤包括：利用偏振分束棱镜将经过相位调制后的光学谐振腔的反射光分成两束：一束入射具有光反馈频率锁定效应的激光器，另一束入射光电探测器。解调光电探测器的输出，实时获取光学反馈相位调节的误差信号。误差信号通过控制器调整激光器和光学谐振腔之间的光程，实现反馈相位的调节，实现基于光学反馈和PDH结合的频率锁定。本发明可实现对光学反馈相位的实时校正，解决了传统光学反馈在相位调节时存在的调节滞后问题，使光学谐振腔能够长时间保持高功率稳定状态，并且改善了反馈回路的响应带宽，降低了低频噪声对于反馈相位调节的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析领域，具体是一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法。
背景技术
基于激光光谱技术的气体传感技术在环境或工业现场监测、医疗诊断、农业研究等领域有着广泛的应用。许多应用场合都对灵敏度有着很高的要求，所以，可以增加激光和气体分子之间相互作用距离的腔增强技术得到了越来越多的关注。目前，腔增强技术主要的应用形式包括：腔增强吸收光谱(CEAS)、腔衰荡光谱(CRDS)、腔增强光热光谱(CEPTS)和腔增强拉曼光谱(CERS)。
为了在腔内累积激光功率，光学谐振腔的腔长应等于入射激光半波长的整数倍。该技术对于谐振条件的要求非常严格，需配合频率锁定技术才可以实现稳定的腔增强效果。目前，保持谐振状态的频率锁定方法主要有两种，分别是PDH频率锁定技术以及光学反馈频率锁定技术。PDH频率锁定技术依赖于高精度的频率参考源，控制回路仅有几百kHz的响应带宽。光学反馈频率锁定技术利用注入锁定原理实现对谐振腔与激光器之间的频率锁定，可压窄激光器线宽。光学反馈频率锁定技术对于反馈相位有很高的要求，但传统的用于控制反馈相位的误差信号，均通过计算频率扫描过程中腔模透射信号的不确定度来获取。该方式导致光学反馈相位调节存在滞后性，并且控制回路的带宽较窄，仅有几百Hz。
因此，研究一种可实现谐振腔与激光器之间锁定和反馈相位快速精准调节的频率锁定方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，包括以下步骤：
1)激光器产生激光，该激光依次经过偏振分光棱镜、粘有压电转换器的反射镜、波片后入射光学谐振腔；
2)所述光学谐振腔产生反射光；
所述偏振分光棱镜将光学谐振腔产生的反射光分为两束；
一束反射光射入激光器，使入射激光器的反射光形成光学反馈，另一束反射光射入光电探测器；
3)基于PDH技术，混频器对光电探测器采集的光学谐振腔反射光进行解调，实时获取光反馈相位调节误差信号；
混频器将光反馈相位调节误差信号传输至控制器；
4)利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理，得到校正信号；
5)控制器将校正信号传输至压电转换器，控制压电转换器伸长或缩短，调节激光器和光学谐振腔之间的光程，进而完成反馈相位的动态调节。
进一步，所述波片包括四分之一波片。
进一步，利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理的步骤包：利用控制器去除光反馈相位调节误差信号中频率大于预设阈值的成分。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：
1)本发明可实现对光学反馈相位实时校正，解决了传统光学反馈在相位调节时存在的滞后问题，使光学谐振腔能够长时间保持高功率稳定状态。
2)本发明增大了光学反馈回路的响应带宽。
3)本发明利用控制器去除高频信号，得到低频信号；同时，利用控制器降低了低频噪声对于光学反馈相位调节的干扰。
4)本发明提出了一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法。基于光学反馈技术，利用高精细度谐振腔实现谐振腔与激光器之间的频率锁定。
基于PDH技术，本发明实时获取反馈相位的误差信号，根据误差信号实现对光学反馈相位快速准确的调节。
该方法解决了传统光学反馈在相位调节时存在的滞后问题，使光学谐振腔能够长时间保持高功率稳定状态，改善了反馈回路的响应带宽，降低了低频噪声对相位调节的干扰。
附图说明
图1为基于光学反馈和PDH结合频率锁定技术的腔增强光学平台示意图；
图2为一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图2，一种基于光学反馈和PDH(激光稳频，Pound-Drever-Hall)结合的频率锁定方法，包括以下步骤：
1)激光器产生激光，该激光依次经过偏振分光棱镜、粘有压电转换器的反射镜、波片后入射光学谐振腔；
2)所述光学谐振腔产生反射光；
所述偏振分光棱镜将光学谐振腔产生的反射光分为两束；
一束反射光射入激光器，使入射激光器的反射光形成光学反馈，另一束反射光射入光电探测器；
3)基于PDH技术，混频器对光电探测器采集的光学谐振腔反射光进行解调，实时获取光反馈相位调节误差信号；
混频器将光反馈相位调节误差信号传输至控制器；
4)利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理，得到校正信号；
5)控制器将校正信号传输至压电转换器，控制压电转换器伸长或缩短，调节激光器和光学谐振腔之间的光程，进而完成反馈相位的动态调节。
所述波片包括四分之一波片。
利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理的步骤包：利用控制器去除光反馈相位调节误差信号中频率大于预设阈值的成分。
实施例2：
一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，包括以下步骤：
信号发生器通过驱动器对具有光反馈频率锁定效应激光器进行相位调制，为输出激光创建一对相位边带。出射激光经偏振分束棱镜、粘有压电转换器的反射镜、四分之一波片入射光学谐振腔。利用偏振分束棱镜将光学谐振腔的反射光分成两束出射，一束入射具有光反馈频率锁定效应激光器，另一束入射光电探测器。调节反馈效率并初步调节反馈相位，使入射激光器的反射光形成光学反馈。解调光电探测器采集的反射光，获取控制反馈相位的误差信号。误差信号经控制器产生校正信号，并将其作用到粘有压电转换器的反射镜，调节激光器和光学谐振腔之间的光程，完成反馈相位的动态调节。
本发明提供的调节方法由图2所示，包括以下步骤：
步骤1，利用偏振分束棱镜将经过相位调制后的光学谐振腔的反射光分成两束：一束入射具有光反馈频率锁定效应的激光器，另一束入射光电探测器。
步骤2，基于PDH技术，对光电探测器采集的光学谐振腔的反射光进行解调，实时获取光反馈相位调节误差信号。
步骤3，误差信号用于调控激光器和光学谐振腔之间的光程，实时调节反馈相位，实现基于光学反馈和PDH结合的激光器输出频率稳定锁定谐振腔频率。
步骤2中，信号发生器经驱动器控制激光器，为出射激光创建调制边带。
步骤2中，利用混频器对光电探测器输出信号解调，得到误差信号。
步骤3中，利用控制器去除误差信号中无用的高频成分，得到校正信号，调节激光器和光学谐振腔之间的光程。
实施例3：
一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，包括以下步骤：
1)所述激光器产生激光，该激光依次经过偏振分光棱镜、粘有压电转换器的反射镜、波片后入射光学谐振腔。
2)所述光学谐振腔产生反射光；
所述偏振分光棱镜将光学谐振腔产生的反射光分为两束；
一束反射光射入激光器，使入射激光器的反射光形成光学反馈，另一束反射光射入光电探测器；
3)基于PDH技术，混频器对光电探测器采集的光学谐振腔反射光进行解调，实时获取光反馈相位调节误差信号；
混频器将光反馈相位调节误差信号传输至控制器；
4)利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理，得到校正信号；
5)控制器将校正信号传输至压电转换器，控制压电转换器伸长或缩短，调节激光器和光学谐振腔之间的光程，进而完成反馈相位的动态调节。
实施例4：
一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，主要内容见实施例3，其中，所述波片包括四分之一波片。
实施例5：
一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，主要内容见实施例3，其中，利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理的步骤包：利用控制器去除光反馈相位调节误差信号中频率大于预设阈值的成分。
Claims (3)
1.一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述激光器产生激光，该激光依次经过偏振分光棱镜、粘有压电转换器的反射镜、波片后入射光学谐振腔。
2)所述光学谐振腔产生反射光；
所述偏振分光棱镜将光学谐振腔产生的反射光分为两束；
一束反射光射入激光器，使入射激光器的反射光形成光学反馈，另一束反射光射入光电探测器；
3)基于PDH技术，混频器对光电探测器采集的光学谐振腔反射光进行解调，实时获取光反馈相位调节误差信号；
混频器将光反馈相位调节误差信号传输至控制器；
4)利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理，得到校正信号；
5)控制器将校正信号传输至压电转换器，控制压电转换器伸长或缩短，调节激光器和光学谐振腔之间的光程，进而完成反馈相位的动态调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，其特征在于：所述波片包括四分之一波片。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学反馈和PDH结合的频率锁定方法，其特征在于：利用控制器对光反馈相位调节误差信号进行滤波和积分处理的步骤包：利用控制器去除光反馈相位调节误差信号中频率大于预设阈值的成分。
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