CN116387956A - 基于pdh技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，包括由主控模块的FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器；所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号混频经低通滤波器得到误差信号后进入PID环路滤波器单元，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，分别对应不同执行机构；主控根据光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率，腔后光斑图像信号与第二PD信号共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据三角波信号以控制激光器扫频，提高了系统的集成度及锁频成功率，降低了操作复杂度。

Description

基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统

技术领域

本发明涉及激光频率自动锁定技术领域，尤其是基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光被广泛应用于量子光学、量子信息、冷原子物理等各种研究领域。环境温度、外界振动、声音等因素会导致激光频率发生变化，为了减小激光器的频率漂移需要使用激光稳频技术将激光频率锁定在原子、分子或F-P腔共振跃迁频率等某一标准频率上。

锁频激光器在原子、分子和光学等物理学实验中的应用无处不在，是各种高精度测量仪器的核心组件之一。激光器的频率噪声是影响测试计量仪器的精度和灵敏度直接来源之一，抑制激光频率噪声，可以有效地提高仪器的灵敏度。

自由运转的激光器输出的激光频率由于外界环境温度、振动、声音等因素的影响而发生展宽，特别是半导体激光器其输出激光频率线宽约为MHz量级，即使半导体激光器中使用外腔进行初步的线宽压窄激光器输出激光线宽也为数百kHz，远不能满足实验需求。采用隔振、隔音、精确控温等被动措施可以在一定程度上抑制频率噪声。但是，这些被动措施很难保证激光频率的长期稳定性和复现性，要得到更优异的频率噪声性能，通常采用主动反馈抑制技术，把激光频率锁定在噪声极低、频率稳定度更高的参考频率上。主动抑制技术依据频率参考标准分为两种：一种是以原子或分子的跃迁谱线中心频率为参考标准，包括兰姆凹陷稳频技术、原子光谱Zeeman效应稳频技术、原子或分子饱和吸收稳频技术；另一种是以超稳光学参考腔的共振频率作为频率参考标准，最有效且应用最多的激光稳频方法之一就是基于超稳光学参考腔的Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频技术。PDH激光稳频技术具有伺服响应快、噪声低等特点，是目前稳频技术中应用最广泛、稳频效果最优异的技术方法之一。

目前实验室中所使用的基于PDH稳频技术的激光器，通常采用分立式模拟器件获得PDH误差信号并通过模拟PID电路解算误差信号。对于不同执行机构需要多级不同比例、积分、微分环节硬件电路组成，而分立式模拟器件和模拟PID电路成本高昂、规模复杂庞大、只适用单一锁频电路、一旦设计成型难以更改且调试修改需要焊接等繁琐操作。因此，对于不同波长、不同执行机构的稳频系统，模拟稳频PID电路难以适应和调节不同比例、积分、微分环节组合。此外，现行模拟稳频技术在实验过程中存在的各分立器件仍需要科研人员大量的时间进行调试，仍然需要科研人员根据腔后光斑的光斑强度和模式人为判断锁频质量、与腔的模式匹配是否符合设计需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于，提供基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，解决激光器的数字化自动锁频问题。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，用于控制激光器数字锁频，其特征在于：所述基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块包括利用FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器，所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号经混频器混频后，经低通滤波器得到误差信号后进入PID滤波器单元，通过PID滤波器单元解算误差信号，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，三路控制信号分别对应不同执行机构以实现不同稳频系统的频率的控制；初步频率控制后，腔后光斑图像经图像算法处理单元进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测处理后，主控模块根据腔后光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率，腔后光斑图像信号与第二PD信号经ADC信息采集后进入共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据锁频状态产生三角波信号以控制激光器扫频。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述PID滤波器单元由多个连续的一阶IIR滤波器串级组成，输入的误差信号经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法分别输出不同控制信号到对应执行单元，误差信号进入PID环路滤波器单元后先进行比例调节以适应环路滤波器第一级积分的输入条件，对于存在闪烁频率噪声、随机行走频率噪声甚至更高频的噪声系统，加入至少两级积分环节进行抑制，三路控制信号至少分别对应PZT为主要执行机构的系统、AOM为主要执行机构的系统和温控为主要执行机构的系统，对于PZT为主要执行机构的系统，在原有比例、积分的输出再加一级积分以增加压电陶瓷对低频噪声且幅度较大的噪声抑制，对AOM为主要执行机构的系统，加入微分环节以增加反馈带宽，对温控为主要执行机构的系统，加入积分环节以抑制器件长期且缓慢的温度漂移，主控模块通过不同稳频系统的不同执行机构快速组合多级比例、积分、微分环节，根据抑制的噪声种类，判断PID滤波器单元加入的积分环节级数；根据执行机构的种类和特性，判断PID滤波器单元加入的控制环节和级数。

作为本发明的优选技术方案：对温控为主要执行机构的系统的控制信号，作为所述PID滤波器单元所有环节的最后一级积分输出。

作为本发明的优选技术方案：图像处理单元通过分析腔后光斑图像信号、光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，对光斑进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测的图像算法处理。

作为本发明的优选技术方案：腔后光斑图像信号通过灰度分布分析为单一光斑，首先计算光斑的最小外接矩形，通过最小外接矩形的长宽比进行不同模式分类，根据光斑最小外接矩形的长宽比、光斑形状分布和灰度值分布判断光斑模式，当光斑长宽比大于0.8、光斑拟合为大致圆形且灰度值从中间向四周逐渐减小判断为基模光斑；当光斑长宽比大约0.6、光斑拟合为两个椭圆形且灰度值分别从两个圆形中间向四周逐渐减小判断为TEM01或TEM10模式光斑，通过灰度分布分析为多模式叠加光斑时，通过灰度值分布分析光斑强度中心、强度次中心、从基模光斑开始层层去除后再分析更高阶模式光斑，计算出不同横模比例，对于基模占比90％以上的光斑，计算到TEM02模，将腔后光斑调节至基横模状态后，在水平方向调偏腔镜时在水平方向激发高阶横模，在竖直方向调偏腔镜在竖直方向激发高阶横模，分析出的不同模式比例用于完善光路设计、协助光路调试，分析光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率。

作为本发明的优选技术方案：所述数字锁频主控模块输出EOM驱动信号、AOM驱动信号、PZT驱动信号、温控驱动信号，所述EOM驱动信号用于驱动EOM对激光进行相位调制，所述AOM驱动信号用于驱动AOM进行激光功率稳定控制，所述PZT驱动信号用于驱动PZT改变激光器内晶体长度以调节激光器输出频率和失锁后激光扫频，所述温控驱动信号用于激光器内各关键单元温度的精密控制。

作为本发明的优选技术方案：包括信号驱动单元，所述信号驱动单元在所述数字锁频主控模块的输出端，用于调节主控经DAC后输出信号的幅度和偏置。

本发明的第二个目的在于，提供一种基于PDH技术的激光器数字锁频系统。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

包括顺序连接的激光器、AOM、EOM、第一分光棱镜、F-P腔、第二分光棱镜、相机；

所述第一分光棱镜其入射光的一部分光进入F-P腔，另一部分经F-P腔前端腔镜反射再经第一分光棱镜后输出至第一PD；

所述第二分光棱镜的入射光经其分光后一部分进入相机，另一部分进入第二PD。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：第一PD将所接收到的光信号转化为电信号，输入数字锁频主控模块经混频器低通滤波器算法处理后获得误差信号；

所述第二PD将所接收到的光信号转化为电信号，输入数字锁频主控模块经算法处理后作为锁频状态判别信号。

作为本发明的优选技术方案：相机将所接收到的图像信号，输入数字锁频主控模块经图像算法处理后作为另一个锁频状态判别信号。

作为本发明的优选技术方案：锁频状态判别器根据第二PD和相机图像信号综合判断锁频状态和锁频质量，并根据锁频状态由三角波生成器产生三角波信号控制激光器扫频。

作为本发明的优选技术方案：以DDS直接输出的信号作为EOM驱动信号，以经PI、PI、PD滤波器环节后的信号作为AOM驱动信号，以经PI、PI、PD、I滤波器环节后的信号作为PZT驱动信号，以经PI、PI、PD、I、I滤波器环节后的信号作为温控驱动信号。

本发明的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，通过FPGA软件算法将激光器、AOM、EOM、PZT的控制以及误差信号解算集成于数字锁频主控模块上，主控FPGA将第一PD信号经混频器和低通滤波器后得到误差信号，通过PID滤波器单元解算误差信号，经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法，分别输出不同控制信号到对应执行单元。通过对第二PD信号处理和相机图像算法处理，实现主控智能化、自动化综合判断锁频状态和锁频质量，并实现自动锁定和失锁后自动重锁。本发明的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，省去了常用模拟稳频激光器系统中需要的信号发生器、AOM驱动器、EOM驱动器、PZT驱动器等分立且昂贵的仪器设备和复杂且功能单一的模拟PID控制电路，将各驱动器及相关外围电路集成到数字锁频主控模块。本发明的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统用主控FPGA数字算法取代模拟PID控制电路、混频器、滤波器、信号发生器等设备，根据不同执行机构通过软件算法快速组成不同比例、积分、微分环节多级滤波器组合，并加入图像算法根据光斑图像判断锁频状态和锁频质量，实现自动锁定和重锁功能，估算透射光的功率和光斑的模式构成。本发明的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，在功能完整性的前提下，本发明大幅度提高了系统的集成度及锁频成功率，降低了操作复杂度。

附图说明

图1为本发明的主控数字算法结构和数字锁频主控模块与输入输出信号的关系图；

图2为本发明的基于PDH技术的激光器数字锁频系统的结构示意图；

附图中，第一PD1，第二PD2，ADC3，LP4，DAC5，EOM驱动6，EOM7，AOM驱动8，AOM9，DDS10，PID滤波器单元11，PZT驱动12，PZT13，温控驱动14，温控15，激光器16，第一分光棱镜17，第二分光棱镜18，相机19，三角波生成器20。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

本发明提供一种基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，用于实现激光器数字锁频算法，所述数字锁频主控模块包括由FPGA实现的DDS10、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器20。其中，通过DDS输出两路信号，一路直接输出，另一路与第一PD1信号混频后经低通滤波器得到误差信号后进入PID滤波器单元；PID滤波器单元11由多个连续的一阶IIR滤波器串级组成，输入的信号经多级滤波器后分别输出三路控制信号，三路控制信号；相机信号经主控图像算法处理单元处理后与第二PD信号共同进入锁频状态判别器，综合判断锁频状态和锁频质量；三角波生成器根据锁频状态控制激光器PZT扫频。

如图1所示，FPGA内部DDS10的IP核生成两路同频信号，一路直接输出为EOM驱动6信号；另一路输出与第一PD信号1经混频器和低通滤波器后得到误差信号。误差信号经内部PI、PI、PD滤波器环节后输出为AOM驱动信号；其继续经I滤波器环节后的信号输出为PZT驱动信号；其再次经I滤波器环节后输出为温控驱动信号。

优选地，所述数字锁频主控模块包括ADC3和DAC5。所述ADC位于所述数字锁频主控模块的输入端；所述DAC位于所述数字锁频主控模块的输出端。

所述数字锁频主控模块还输出EOM驱动信号、AOM驱动信号、PZT驱动信号、温控驱动信号。所述EOM驱动信号用于驱动EOM7对激光进行相位调制。所述AOM驱动信号用于驱动AOM9进行激光功率稳定控制。所述PZT驱动信号用于驱动PZT13改变激光器内晶体长度以调节激光器输出频率和失锁后激光扫频。所述温控驱动信号用于激光器内各关键单元温度的精密控制。

所述数字锁频主控模块，还包括信号驱动单元。所述信号驱动单元在所述数字锁频主控模块的输出端。所述信号驱动单元，用于调节主控经DAC后输出的信号的幅度和偏置。

作为本申请的最佳实施例，制成高速数字锁频主控模块，该模块包含三部分，分别为信号调节驱动电路，ADC和DAC电路以及主控FPGA。

所述信号调节驱动电路对DAC输出信号进行缩放、施加偏置以及平滑滤波，使输出信号满足各外设的信号输入要求。该电路分为四部分包括EOM驱动6、AOM驱动8、PZT驱动12、温控驱动14。EOM驱动信号用于驱动EOM对激光进行相位调制。AOM驱动信号功率与衍射光的效率有直接关系，且驱动信号功率变化不会导致衍射光的方向发生改变，因此通过改变驱动信号的功率来实现基于AOM的激光功率稳定，抑制具有周期性变化的激光功率抖动。AOM的一级衍射光被第一PD探测到，经过主控反馈至AOM驱动，实现激光功率的闭环控制。PZT驱动信号用于驱动PZT改变激光器内晶体长度以调节激光器输出频率，达到稳定激光频率压窄激光线宽的目的，以及根据锁频状态判别器综合判断出的锁频状态和锁频质量，判断失锁则由三角波生成器产生三角波信号驱动PZT控制激光器扫频。温控驱动信号用于激光器内各关键单元温度的精密控制，主动抑制激光频率的慢速温度漂移，抵消各单元材料的热膨胀和外界环境影响。

所述ADC和DAC电路包括第一PD、第二PD信号到主控的模数转换电路，主控信号到EOM驱动、AOM驱动、PZT驱动、温控驱动的数模转换电路。

所述主控FPGA作为整个系统的控制核心。负责处理输入的经ADC的第一PD1、第二PD2的信号和相机采集的图像信号；还负责输出EOM驱动信号、AOM驱动信号、PZT驱动信号、温控驱动信号。第一PD接收经F-P腔前端腔镜的反射光，其交流信号与主控FPGA内部DDS10信号移相后经内部算法混频器、低通滤波器后的信号，解调出反射光中的频率失谐信息，即误差信号。误差信号经过主控FPGA的PID滤波器算法处理后，经DAC与信号调节驱动电路反馈到PZT、AOM等频率响应器件上，进行频率补偿。第二PD接收F-P腔的透射光，相机拍摄腔后透射光的光斑图像。第二PD信号经ADC后与相机的图像信号一起输入主控FPGA，共同进入锁频状态判别器综合进行系统锁频状态和锁频质量判断。当第二PD的直流信号高于设置阈值，且腔后光斑模式和质量符合设计需求，则主控判断系统处于锁定状态；当不满足二者任一条件时，则主控判断系统处于失锁状态，三角波信号发生器产生逐渐增大的三角波信号经DAC和PZT驱动后使PZT开始扫频，直至系统重锁。

进一步地，在系统重锁PZT开始扫频阶段，若入射光与F-P腔共振，主控检测到所述第二PD所接收的透射光信号出现脉冲且大于设置阈值，所述相机拍摄的腔后光斑模式和质量符合设计需求，则固定此时PZT电压并微调AOM、温控15等单元即可完成锁定。若主控未检测到所述第二PD出现且大于设置阈值的信号且所述相机光斑模式和质量不满足设计需求，则主控重新设置输出三角波范围。

主控可以根据不同稳频系统的不同执行机构可快速算法组合多级比例、积分、微分环节。误差信号进入环路滤波器后先进行比例调节，以适应环路滤波器第一级积分的输入条件。对于存在闪烁频率噪声、随机行走频率噪声甚至更高次的噪声的系统，需要加入至少两级积分环节进行抑制。对于PZT为主要执行机构的系统，由于其控制带宽一般在kHz量级，控制带宽相对较慢，需要在系统原有比例、积分的输出再加一级积分，进一步增加压电陶瓷对低频噪声，例如温度，振动等相对较慢，但幅度较大的噪声的抑制。对于AOM为主要执行机构的系统，需要加入微分环节。由于该带宽被声波在AOM中的传播时间所限制，需要微分增益用于增加反馈带宽。温度由于其长期漂移且变化缓慢但调谐范围大的特性，一般作为所有环节的最后一级积分输出。

进一步地，所述相机拍摄的腔后光斑图像信号，分析光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，进一步分析完善光路设计，协助光路调试。经主控对光斑进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测等图像算法处理后。通过灰度分布分析为单一光斑时，首先计算光斑的最小外接矩形，通过矩形长宽比可进行不同模式分类，根据光斑长宽比、光斑形状分布和分度值分布可判断光斑模式。如：当光斑长宽比大于0.8、光斑拟合为大致圆形且灰度值从中间向四周逐渐减小判断为基模光斑；当光斑长宽比大约0.6、光斑拟合为大致两个椭圆形且灰度值分别从两个圆形中间向四周逐渐减小判断为TEM01或TEM10模式光斑。通过灰度分布分析为多模式叠加光斑时，根据灰度值分布分析光斑强度中心、强度次中心、从基模光斑开始层层去除后再分析更高阶模式光斑，从而计算出不同横模比例。对于基模占比90％以上的光斑，仅需计算到TEM02模，更高阶模式所占比例很小，可以忽略。通过功率计一次定标后，即可根据灰度计算光强，从而估算透射光的功率。科研人员可根据当前透射光功率以及锁频质量，调试光路，进一步完善光路设计。

图2是选用本发明所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块的数字锁频系统的结构示意图。

如图2所示，本发明的一种所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块的数字锁频系统，包括顺序连接的激光器16、AOM、EOM、第一分光棱镜、F-P腔、第二分光棱镜、相机、第一PD、第二PD和数字锁频主控模块。

所述基于PDH技术的激光器数字锁频系统是以第一PD、第二PD、相机信号作为输入信号，以EOM、AOM、PZT、温控作为反馈执行机构，以主控FPGA数字算法为核心，使输出激光频率与参考腔共振频率保持一致，达到稳定激光频率、压窄激光线宽的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下方式：

基于PDH技术的激光器数字锁频系统工作时，自由运转的激光器发出的光经过AOM进行激光功率稳定后，由EOM对激光进行相位调制后进入第一分光棱镜17，所述第一分光棱镜其入射光的一部分光进入F-P腔，另一部分经F-P腔前端腔镜反射再经第一分光棱镜后输出至第一PD；所述第二分光棱镜18的入射光经其分光后一部分进入相机19，另一部分进入第二PD。

第一PD探测到携带参考腔信息的激光信号，经ADC输出电信号至主控与内部DDS射频信号通过内部软件算法的混频器和低通滤波器后解调出用于系统锁定的误差信号。误差信号经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法，通过DAC反馈输出不同控制信号到对应执行单元，从而调整激光器输出的激光频率，使输出激光频率与参考腔共振频率保持一致。结合腔后第二PD与相机反馈信号综合判断锁频状态和锁频质量，分析光斑的构成和基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，进一步分析完善光路设计，协助光路调试。以主控FPGA数字算法为核心，使输出激光频率与参考腔共振频率保持一致，达到稳定激光频率、压窄激光线宽的目的。

本发明解决了现有技术中对于不同波长、不同执行机构的稳频系统，模拟稳频PID电路难以适应和调节不同比例、积分、微分环节组合的问题，提出了基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，将系统中的大量分立模拟器件通过主控算法替代，或者高度集成到主控模块中，节省大量的前期调试时间；用数字PID算法取代传统的模拟PID稳频电路，主控根据不同稳频系统的不同执行机构可快速算法组合多级比例、积分、微分环节；主控根据腔后光斑的光斑强度和模式判断锁频状态和锁频质量，辅助科研人员进一步分析光路和判断与腔的模式是否匹配。本发明解决了激光器自动数字锁频问题，使稳频系统更加通用化、数字化、智能化、精简化。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，用于控制激光器数字锁频，其特征在于：所述基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块包括利用FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器，所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号经混频器混频后，经低通滤波器得到误差信号后进入PID滤波器单元，通过PID滤波器单元解算误差信号，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，三路控制信号分别对应不同执行机构以适应不同稳频系统的频率控制；初步频率控制后，腔后光斑图像经图像算法处理单元进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测处理后，主控模块根据腔后光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率；同时，腔后光斑图像信号与第二PD信号经信号采集后进入共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据锁频状态产生三角波信号以控制激光器扫频。

2.如权利要求1所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：所述PID滤波器单元由多个连续的一阶IIR滤波器串级组成，输入的误差信号经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法分别输出不同控制信号到对应执行单元，误差信号进入PID环路滤波器单元后先进行比例调节以适应环路滤波器第一级积分的输入条件，对于存在闪烁频率噪声、随机行走频率噪声甚至更高频的噪声系统，加入至少两级积分环节进行抑制，三路控制信号至少分别对应PZT为主要执行机构的系统、AOM为主要执行机构的系统和温控为主要执行机构的系统，对于PZT为主要执行机构的系统，在原有比例、积分的输出再加一级积分以增加压电陶瓷对低频且幅度较大的噪声抑制，对AOM为主要执行机构的系统，加入微分环节以增加反馈带宽，对温控为主要执行机构的系统，加入积分环节以抑制器件长期且缓慢的温度漂移，主控模块根据不同稳频系统的不同执行机构快速组合多级比例、积分、微分环节；根据抑制的噪声种类，判断PID滤波器单元加入的积分环节级数；根据执行机构的种类和特性，判断PID滤波器单元加入的控制环节和级数。

3.如权利要求2所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：对温控为主要执行机构的系统的控制信号，作为所述PID滤波器单元所有环节的最后一级积分输出。

4.如权利要求1所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：图像处理单元通过分析腔后光斑图像信号、光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，对光斑进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测的图像算法处理。

5.如权利要求4所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：腔后光斑图像信号通过灰度分布分析为单一光斑，首先计算光斑的最小外接矩形，通过最小外接矩形的长宽比进行不同模式分类，根据光斑最小外接矩形的长宽比、光斑形状分布和灰度值分布判断光斑模式，当光斑长宽比大于0.8、光斑拟合为大致圆形且灰度值从中间向四周逐渐减小判断为基模光斑；当光斑长宽比大约0.6、光斑拟合为两个椭圆形且灰度值分别从两个圆形中间向四周逐渐减小判断为TEM01或TEM10模式光斑，通过灰度分布分析为多模式叠加光斑时，通过灰度值分布分析光斑强度中心、强度次中心、从基模光斑开始层层去除后再分析更高阶模式光斑，计算出不同横模比例，对于基模占比90％以上的光斑，计算到TEM02模，将腔后光斑调节至基横模状态后，在水平方向调偏腔镜时在水平方向激发高阶横模，在竖直方向调偏腔镜在竖直方向激发高阶横模，分析出的不同模式比例用于完善光路设计、协助光路调试，分析光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率。

6.如权利要求1所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：设有ADC和DAC，所述ADC位于所述数字锁频主控模块的输入端；所述DAC位于所述数字锁频主控模块的输出端；所述数字锁频主控模块输出EOM驱动信号、AOM驱动信号、PZT驱动信号、温控驱动信号，所述EOM驱动信号驱动EOM对激光进行相位调制，所述AOM驱动信号驱动AOM进行激光功率稳定控制，所述PZT驱动信号驱动PZT改变激光器内晶体长度以调节激光器输出频率和失锁后激光扫频，所述温控驱动信号激光器内各关键单元温度的精密控制。

7.如权利要求6所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：所述数字锁频主控模块的输出端设置信号驱动单元，信号驱动单元调节主控经DAC后输出信号的幅度和偏置。

8.选用权利要求1-7任一权利要求所述的数字锁频主控模块的基于PDH技术的激光器数字锁频系统，其特征在于：包括顺序连接的激光器、AOM、EOM、第一分光棱镜、F-P腔、第二分光棱镜、相机；

所述第一分光棱镜其入射光的一部分光进入F-P腔，另一部分经F-P腔前端腔镜反射再经第一分光棱镜后输出至第一PD；

所述第二分光棱镜的入射光经其分光后一部分进入相机，另一部分进入第二PD，第一PD将所接收到的光信号转化为电信号，输入数字锁频主控模块经混频器低通滤波器算法处理后获得误差信号；

所述第二PD将所接收到的光信号转化为电信号，输入数字锁频主控模块经算法处理后作为锁频状态判别信号；

相机将所接收到的图像信号，输入数字锁频主控模块经图像算法处理后作为另一个锁频状态判别信号。

9.如权利要求8所述的基于PDH技术的激光器数字锁频系统，其特征在于，以DDS直接输出的信号作为EOM驱动信号，以经PI、PI、PD滤波器环节后的信号作为AOM驱动信号，以经PI、PI、PD、I滤波器环节后的信号作为PZT驱动信号，以经PI、PI、PD、I、I滤波器环节后的信号作为温控驱动信号。

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