CN117410822B - 基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于调制吸收光谱稳频技术领域，公开了基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法及系统，本发明搭建了一套基于光源内调制式吸收光谱稳频控制方法及系统，针对微探头激光干涉测量基准难以兼顾大幅度高带宽调频和高精度稳频、导致大量程测量下难以获得高相对精度的问题，提出一种基于鉴频曲线重构的大幅度高带宽调频下高精度激光稳频方法，在大幅度高带宽调制条件下，建立鉴频特征曲线畸变模型和畸变矫正模型，利用矫正模型反馈调节相位补偿并重构鉴频曲线，明确锁定点与稳频基准点的对应关系，实现气体分子吸收基准点锁定跟踪，精准控制大范围高带宽调谐中心频率。

Description

基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法及系统
技术领域
本发明属于调制吸收光谱稳频技术领域，具体涉及基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法及系统。
背景技术
激光光源作为超精密激光测量的核心技术单元，影响着测量的准确度和稳定度。微探头传感器式激光干涉仪是新一代超精密激光干涉测量仪器的代表，与传统激光干涉仪相比，具有探头尺寸极小、装调方便、可隔离热污染和易实现嵌入式测量等显著优势。在利用微探头传感器式激光干涉仪进行高测速高精度位移测量时，其光源波长要求大范围高带宽调谐，同时需要满足中心频率稳定，光源的中心输出波长为标尺，因此波长调谐下的中心频率稳定研究是重中之重。
半导体激光器的波长稳定主要两个方面，一方面是被动稳频技术，另一种是主动稳频技术。半导体激光管的被动稳频主要是通过提高驱动器的驱动电流稳定度和温度控制稳定度，进而提高激光管的波长输出稳定度。主动稳频的核心思想为，将激光器的输出波长控制在一个标准和基准上，并根据待稳定波长与选定的外部基准的差值作为误差信号对激光器实现稳定控制。一般来说，通用的外部参考基准主要有两类，一类是更加稳定和准确波长的激光器作为标准，但更精密的激光器本身难以实现，故难以实现。另一部分为标准F-P腔或者气体原子吸收谱线作为参考标准。
图1为典型的光源内调制式吸收光谱稳频控制系统结构简图，直接数字频率合成(DDS)单元1产生的正弦信号对分布式反馈激光器2进行电流调制，输出光经光纤传输进入光纤隔离器3，接着由光纤耦合器4分为出射光和信号光；其中信号光经过乙炔吸收气室5后由光电探测器6转换为电信号，再由模数转换器7依次经过稳频控制系统8和数模转换器9得到控制信号，从而调节驱动器10的输出驱动电流，最终实现大范围高带宽调谐下激光光源频率分子吸收稳定。
2016年，日本长冈技术科学大学团队进行633nm附近I2超精细成分的饱和吸收稳频。该方法大大提高了此类激光干涉测量仪器的最大测量速度上限，但由于调谐范围较小，难以满足激光干涉仪大量程位移测量。
2020年，中国科学院半导体所提出了基于饱和吸收气室的DFB激光管的稳频系统。但是调制范围小且调制频率低，这将导致光纤微探头激光干涉仪的动态测量性能较差，最大测量速度较低。
综上所述，现今的光纤微探头激光干涉仪调谐激光光源中心频率稳定研究中存在如下问题：基于分子吸收稳频的调谐中心稳频技术中调谐频率和调谐范围较小，无法满足微探头超精密激光干涉仪测量速度和测量范围精度等要求，现有吸收稳频方法和模型只适用于小范围低速光源波长调制下使用，缺少光纤微探头干涉仪大范围高带宽激光波长调谐下的分子吸收稳频模型和方法，使得光纤微探头干涉光源在大范围高带宽波长调谐下无法实现中心频率稳定或失锁进而导致干涉仪测不准的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法及系统，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：
基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，包括以下步骤：
步骤一：激光器输出激光到光纤耦合器，光纤耦合器将激光分为两束，一束作为出射光，另外一束作为信号光进入乙炔吸收气室，通过光电探测器转换为电信号，再由模数转换器送入稳频控制系统中；
步骤二：改变激光器的激光驱动温度以调节输出波长至乙炔气体目标吸收峰附近，乘法器中光强信号与载波信号相乘，再通过低通滤波器得到鉴频信号H*(ν)，由峰值检测单元中计算得到H*(ν)的峰值MAX*、谷值MIN*，以及二者的和值D*、差值G*；
步骤三：相位补偿单元中，首先粗略判断，以30°的步长调节载波补偿相位α*，重复步骤二中的过程，记录G*值并通过拟合曲线得到最大值，同时记录对应的载波补偿相位量α0；接着准确判断，将粗略判断的α0作为调整中心，在前后15°的范围内以5°的步长调节补偿相位，继续重复步骤二中的过程获取较为准确的载波相位延迟补偿值α以及对应的和值D、差值最大值Gmax；
步骤四：锁频点计算单元中将步骤三得到的D值乘以比例因子k，计算结果即为重新设定的锁频点；
步骤五：完成锁频点重新设定后，得到的误差结果通过PI调节器输出控制信号，以调节激光器的驱动电流值和驱动温度值，从而实现将激光器的输出频率稳定在锁频点。
基于特征曲线重构的调谐光源稳频系统，包括依次相连的直接数字频率合成单元、激光器、光纤隔离器、光纤耦合器、乙炔吸收气室、光电探测器、模数转换器、稳频控制系统、数模转换器和驱动器，所述驱动器的输出端连接所述激光器；其中，直接数字频率合成单元产生的正弦信号对激光器进行电流调制，输出光通过光纤经过光纤隔离器，接着由光纤耦合器分为出射光和信号光，信号光经过乙炔吸收气室后由光电探测器转换为电信号，再由模数转换器依次进入稳频控制系统和数模转换器中得到输出的控制信号，从而调节驱动器输出到激光器的驱动电流。
一种稳频控制系统，包括峰值检测单元、相位补偿单元和锁频点计算单元；其中，所述相位补偿单元用于计算得到鉴频信号；所述峰值检测单元用于计算得到鉴频信号的峰值和谷值；所述锁频点计算单元用于重新设定锁频点。
本发明具有以下有益效果：本发明针对微探头激光干涉测量基准难以兼顾大幅度高带宽调频和高精度稳频、导致大量程测量下难以获得高相对精度的问题，提出一种基于鉴频曲线重构的大幅度高带宽调频下高精度激光稳频方法。在大幅度高带宽调制条件下，建立鉴频特征曲线畸变模型和畸变矫正模型，利用矫正模型反馈调节相位补偿并重构鉴频曲线，明确锁定点与稳频基准点的对应关系，实现气体分子吸收基准点锁定跟踪，精准控制大范围高带宽调谐中心频率。
附图说明
图1为基于特征曲线重构的调谐光源稳频系统的结构简图；
图2为稳频控制系统内部示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1-图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明搭建了一套基于光源内调制式吸收光谱稳频控制方法及系统，针对微探头激光干涉测量基准难以兼顾大幅度高带宽调频和高精度稳频、导致大量程测量下难以获得高相对精度的问题，提出一种基于鉴频曲线重构的大幅度高带宽调频下高精度激光稳频方法。在大幅度高带宽调制条件下，建立鉴频特征曲线畸变模型和畸变矫正模型，利用矫正模型反馈调节相位补偿并重构鉴频曲线，明确锁定点与稳频基准点的对应关系，实现气体分子吸收基准点锁定跟踪，精准控制大范围高带宽调谐中心频率。
基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，包括以下步骤：
步骤一：激光器2输出激光到光纤耦合器4，光纤耦合器4将激光分为两束，一束作为出射光，另外一束作为信号光进入乙炔吸收气室5，通过光电探测器6转换为电信号，再由模数转换器7送入稳频控制系统8中；
步骤二：改变激光器2的激光驱动温度以调节输出波长至乙炔气体目标吸收峰附近，乘法器11中光强信号与载波信号相乘，再通过低通滤波器12得到鉴频信号H*(ν)，由峰值检测单元13中计算得到H*(ν)的峰值MAX*、谷值MIN*，以及二者的和值D*、差值G*；
步骤三：相位补偿单元14中，首先粗略判断，以30°的步长调节载波补偿相位α*，重复步骤二中的过程，记录G*值并通过拟合曲线得到最大值，同时记录对应的载波补偿相位量α0；接着准确判断，将粗略判断的α0作为调整中心，在前后15°的范围内以5°的步长调节补偿相位，继续重复步骤二中的过程获取较为准确的载波相位延迟补偿值α以及对应的和值D、差值最大值Gmax；
步骤四：锁频点计算单元15中将步骤三得到的D值乘以比例因子k，计算结果即为重新设定的锁频点；
步骤五：完成锁频点重新设定后，得到的误差结果通过PI调节器17输出控制信号，以调节激光器2的驱动电流值和驱动温度值，从而实现将激光器2的输出频率稳定在锁频点。
进一步地，所述步骤一中，调制后的激光器输出频率为νm＝ν+Δνmcos(ω0t)，此时激光器输出的光强信号为I[ν+Δνmcos(ω0t)]，利用泰勒公式对光强信号在频率v处进行展开并合并同类项得：
其中，Δvm为调制频率范围，ω0为调制频率。因此，上述光强信号与载波参考信号cos(ω0t-α*)相乘后得到的鉴频信号为：
其中α*为待补偿相位。对H*(ν)展开后可知，以v＝v0为中心，补偿后的鉴频信号分别包括奇函数项Ho *(ν)和偶函数项He *(ν)。
进一步地，所述步骤二、三中，为实现载波信号相位补偿功能，需要多次进行峰值检测以迭代鉴频信号。根据H*(ν)的奇函数特性，在峰值检测单元13中通过求取Ho *(ν)一阶导数的两个零点频率v1和v2，得到对应的鉴频信号峰值MAX*和谷值MIN*为：
其中，为由于光路延迟导致调制信号和同频率载波信号之间存在的相位延迟量，m为伴随光强调制系数，/>为由于伴随光强导致激光频率调制与光源功率调制之间存在的相位差，a为乙炔吸收峰的吸收率，γ为乙炔吸收峰谱线的半高宽。之后求取MAX*和MIN*的差值G*与和值D*：
设置合适相位步长以满足精度，反复进行峰值检测，不断迭代鉴频信号，最终得到最大差值Gmax，以及其所对应的相位补偿量α。
进一步地，所述步骤四中，通过锁频点计算单元15将可溯源的频率v0代入到得到新的激光稳频锁定点/>与和值D的关系式为：
其中k为比例因子，通过D值和k值可得新的激光稳频锁定点。
本发明还涉及一种基于特征曲线重构的调谐光源稳频系统，包括依次相连的直接数字频率合成单元1、激光器2、光纤隔离器3、光纤耦合器4、乙炔吸收气室5、光电探测器6、模数转换器7、稳频控制系统8、数模转换器9和驱动器10，所述驱动器10的输出端连接所述激光器2。
本发明还涉及一种稳频控制系统，包括乘法器11、低通滤波器12、峰值检测单元13、相位补偿单元14、锁频点计算单元15、比较器16、PI调节器17；所述峰值检测单元13用于计算得到鉴频信号的峰值和谷值；所述锁频点计算单元15用于重新设定锁频点。
其中，所述乘法器11用于计算得到光强信号与载波信号相乘值；所述低通滤波器12用于得到低通滤波后的相乘值；所述比较器16用于计算得到实际鉴频信号和完成特征曲线重构后的鉴频信号之间的差值；所述PI调节器17用于产生改变激光器驱动电流和驱动温度的控制信号，以实现频率稳定。
本发明的具体工作流程如下：
如图1，直接数字频率合成单元1产生的正弦信号对分布式反馈激光器2进行电流调制，输出光经光纤传输进入光纤隔离器3，接着由光纤耦合器4分为出射光和信号光；其中信号光经过乙炔吸收气室5后由光电探测器6转换为电信号，再由模数转换器7依次经过稳频控制系统8和数模转换器9得到控制信号，从而调节驱动器10的输出驱动电流，最终实现大范围高带宽调谐下激光光源频率分子吸收稳定。此时调制后的光强信号与经过相位补偿单元14的载波参考信号相乘后得到的鉴频信号为：
其中α为补偿相位，第一项是以轴v＝v0为中心的奇函数，第二项是以轴v＝v0为中心的偶函数。因此在峰值检测单元13中利用函数求导得到第一项的两个零点频率v1和v2，即可得鉴频信号的峰值MAX和谷值MIN为：
求取MAX和MIN的差值G、和值D：
进入相位补偿单元14后，首先作粗略判断，以30°的步长调节额外的载波补偿相位，重复进行峰值检测并记录G值，通过比较获取最大G值对应的额外载波补偿相位量α0；然后作准确判断，将α0作为调整中心，在前后15°的范围内以步长为5°调节补偿相位，再次重复进行峰值检测，从而获取较为准确的相位延迟补偿值α，如果要求更高的精度，则需要更小的补偿相位步长。
接着进入锁频点计算单元15，将可溯源的频率v0代入到可得新的激光稳频锁定点与D值的关系式为：
由于公式中a是乙炔目标吸收峰的吸收率，通过对选用的乙炔气室进行资料查询即可以获得，因此实现了对于锁定点的重新设定。
通过多次各时间段的激光稳定测试结果分析，优化稳频系统后，激光中心频率波动相对量为2.5×10-8，即中心频率相对精度为5×10-8k＝2，这证明了本文提出的优化稳频系统的有效性。进一步改变调制信号幅度，进而调整调制幅度，测试波长稳定度，每次调整后测试时间为20min，调制速度调制带宽为1MHz，最终得出结论：在调制带宽为1MHz，调制幅度150MHz-2.61GHz范围内，本文研究的高速调谐稳频光源稳定度不受调制宽度变化影响，稳频控制精度为5×10-8k＝2量级，未发现该稳频方法下调制幅度的变化对系统稳频精度的影响，支撑激光干涉仪在大量程测量下保持高相对精度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：激光器(2)输出激光到光纤耦合器(4)，光纤耦合器(4)将激光分为两束，一束作为出射光，另外一束作为信号光进入乙炔吸收气室(5)，通过光电探测器(6)转换为电信号，再由模数转换器(7)送入稳频控制系统(8)中；
步骤二：改变激光器(2)的激光驱动温度以调节输出波长至乙炔气体目标吸收峰附近，乘法器(11)中光强信号与载波信号相乘，再通过低通滤波器(12)得到鉴频信号H*(v)，由峰值检测单元(13)中计算得到H*(v)的峰值MAX*、谷值MIN*，以及二者的和值D*、差值G*；
步骤三：相位补偿单元(14)中，首先粗略判断，以30°的步长调节载波补偿相位α*，重复步骤二中的过程，记录G*值并通过拟合曲线得到最大值，同时记录对应的载波补偿相位量α0；接着准确判断，将粗略判断的α0作为调整中心，在前后15°的范围内以5°的步长调节补偿相位，继续重复步骤二中的过程获取较为准确的载波相位延迟补偿值α以及对应的和值D、差值最大值Gmax；
步骤四：锁频点计算单元(15)中将步骤三得到的D值乘以比例因子k，计算结果即为重新设定的锁频点；
步骤五：完成锁频点重新设定后，得到的误差结果通过PI调节器(17)输出控制信号，以调节激光器(2)的驱动电流值和驱动温度值，从而实现将激光器(2)的输出频率稳定在锁频点；
所述步骤一中，调制后的激光器输出频率为vm＝v+Δvmcos(ω0t)，此时激光器输出的光强信号为I[v+Δvmcos(ω0t)]，利用泰勒公式对光强信号在频率v处进行展开并合并同类项得：
其中，Δvm为调制频率范围，ω0为调制频率，光强信号与载波参考信号cos(ω0t-α*)相乘后得到的鉴频信号为：
其中α*为待补偿相位，对H*(v)展开后，以v＝v0为中心，补偿后的鉴频信号分别包括奇函数项Ho *(v)和偶函数项He *(v)，表示为光强信号I关于激光输出频率v的一阶导数，v0为可溯源的乙炔气体目标吸收峰对应的频率，a为乙炔吸收峰的吸收率，γ为乙炔吸收峰谱线的半高宽，/>为由于光路延迟导致调制信号和同频率载波信号之间存在的相位延迟量，m为伴随光强调制系数，/>为由于伴随光强导致激光频率调制与光源功率调制之间存在的相位差，α为相位补偿量。
2.根据权利要求1所述的基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，其特征在于，所述步骤二、三中，为实现载波信号相位补偿功能，需要多次进行峰值检测以迭代鉴频信号；根据H*(v)的奇函数特性，在峰值检测单元(13)中通过求取Ho *(v)一阶导数的两个零点频率v1和v2，得到对应的鉴频信号峰值MAX*和谷值MIN*为：
其中，之后求取MAX*和MIN*的差值G*与和值D*：
设置合适相位步长以满足精度，反复进行峰值检测，不断迭代鉴频信号，最终得到最大差值Gmax，以及其所对应的相位补偿量α。
3.根据权利要求2所述的基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，其特征在于，所述步骤四中，通过锁频点计算单元(15)将可溯源的频率v0代入到得到新的激光稳频锁定点/>与和值D的关系式为：
其中k为比例因子，通过D值和k值可得新的激光稳频锁定点。
4.基于特征曲线重构的调谐光源稳频系统，采用权利要求1所述的基于特征曲线重构的调谐光源稳频方法，其特征在于，包括依次相连的直接数字频率合成单元(1)、激光器(2)、光纤隔离器(3)、光纤耦合器(4)、乙炔吸收气室(5)、光电探测器(6)、模数转换器(7)、稳频控制系统(8)、数模转换器(9)和驱动器(10)，所述驱动器(10)的输出端连接所述激光器(2)；
其中，直接数字频率合成单元(1)产生的正弦信号对激光器(2)进行电流调制，输出光通过光纤经过光纤隔离器(3)，接着由光纤耦合器(4)分为出射光和信号光，信号光经过乙炔吸收气室(5)后由光电探测器(6)转换为电信号，再由模数转换器(7)依次进入稳频控制系统(8)和数模转换器(9)中得到输出的控制信号，从而调节驱动器(10)输出到激光器(2)的驱动电流。
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