CN117673879A - 一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置及方法，属于双频激光产生领域，包括：光源发射模块，用于将两个激光器发出的连续光合束成双频激光；激光器锁相模块，用于将两个激光器锁定在同一参考延迟光纤上，并对双频激光进行鉴频鉴相和滤波调理得到反馈控制信号，输出反馈控制信号到两个激光器；参考延迟光纤锁定模块，用于锁定参考延迟光纤的长度；第一光耦合器，用于将双频激光分为两路，第一路接入激光器锁相模块，第二路接入第四光耦合器；第四光耦合器用于将第二路双频激光分为两路，第一路接入参考延迟光纤锁定模块，第二路进行输出。本发明制造成本较低且能够实现两个激光器及其频差的稳定控制。

Description

一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置及方法

技术领域

本发明属于双频激光产生领域，尤其涉及一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置及方法。

背景技术

双频激光广泛应用于激光干涉测量、光学传感、全息成像以及光生微波\毫米波\太赫兹波等领域。特别地，具有高频差稳定性的双频激光可提升测量的可重复性和稳定性，可用于长时间、高精度测量与传感，以及超低噪声微波、毫米波信号的生成的技术领域。同时，具备大频差、可调谐能力的双频激光，在高速目标、高精度绝对距离测量，以及可调谐微波等信号的产生等领域发挥着重要作用。以合成波长测量技术为例，大频差双频激光具有更高的测量精度，小频差则可实现更大的测量范围(绝对距离测量)，通过双频激光频差调谐可以构造多级合成波长，实现高精度、大动态范围的绝对距离测量。

目前主流的双频激光的产生技术及方法中，利用塞曼效应或声光调制移频方法仅可产生几MHz或几十MHz的频差输出；常见的利用气体增益介质(例如He-Ne激光器)的双纵模法可以产生600MHz至1000MHz频差范围的双频激光；基于Nd:YAG等特殊固体增益介质的激光器可以实现数GHz乃至数THz的频差间隔输出，但其均面临难以精确控制的困扰。并且，为了实现稳定频差输出，需要保持激光器光腔的稳定性。一方面，这对外部环境提出了更高要求；另一方面，也迫使其结合Pound-Drever-Hall(PDH)稳频控制、腔体隔振/隔音控制等辅助技术，增加了系统的成本和复杂度。此外，利用PDH稳频的双光源锁定方法原则上可以实现大频差调谐范围的双频激光输出，但由于PDH稳频技术是将激光频率锁定在高精细度、高稳定性Fabry-Perot(FP)参考腔的谐振峰上，为实现FP参考腔自身的稳定，需对其进行严格的控温、防震及隔音等处理，其实现难度大且成本高昂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，包括：

光源发射模块，用于将两个激光器发出的连续光合束成双频激光；

激光器锁相模块，与所述光源发射模块连接，用于将两个激光器锁定在同一参考延迟光纤上，并对所述双频激光进行鉴频鉴相和滤波调理得到反馈控制信号，输出反馈控制信号到两个激光器；

参考延迟光纤锁定模块，分别与所述光源发射模块和激光器锁相模块连接，用于锁定参考延迟光纤的长度；

第一光耦合器，用于将所述双频激光分为两路，第一路接入激光器锁相模块，第二路接入第四光耦合器；

所述第四光耦合器用于将第二路双频激光分为两路，第一路接入参考延迟光纤锁定模块，第二路进行输出。

可选地，所述光源发射模块包括第一激光器、第二激光器和合束器；

所述第一激光器用于发出第一光频的连续光；

所述第二激光器用于发出第二光频的连续光；

所述合束器用于将所述第一光频的连续光和第二光频的连续光合束为双频激光。

可选地，所述激光器锁相模块包括延迟自干涉结构、第一波分复用器、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一环路滤波器和第二环路滤波器；

所述延迟自干涉结构用于将双频激光的频率波动转化为相位波动；

所述第一波分复用器、第二波分复用器分别与所述延迟自干涉结构连接，用于将经过延迟自干涉结构后的双频激光分解复用，获得第一光频激光和第二光频激光；

所述第一光电探测器分别与所述第一波分复用器和第二波分复用器连接，用于接收第一光频激光并将第一光频激光转换为第一拍频信号；

所述第二光电探测器分别与所述第一波分复用器和第二波分复用器连接，用于接收第二光频激光并将第二光频激光转换为第二拍频信号；

所述第一环路滤波器与第一光电探测器的输出连接，用于对第一拍频信号进行鉴频鉴相，得到第一相位误差信号，并基于第一相位误差信号进行环路滤波调理输出第一激光器的反馈控制信号；

所述第二环路滤波器与第二光电探测器的输出连接，用于对第二拍频信号进行鉴频鉴相，得到第二相位误差信号，并基于第二相位误差信号进行环路滤波调理输出第二激光器的反馈控制信号。

可选地，所述延迟自干涉结构包括第二光耦合器、参考延迟光纤、光纤拉伸器、声光移频器和第三光耦合器；

所述第二光耦合器用于将光波分为两路，一路接入参考延迟光纤，另一路接入声光移频器；

所述参考延迟光纤用于稳定激光器的频率；

所述光纤拉伸器与参考延迟光纤连接，用于补偿参考延迟光纤的长度变化；

所述声光移频器用于使光频产生移频；

所述第三光耦合器用于将光纤拉伸器和声光移频器输出的光波合束进行干涉。

可选地，所述参考延迟光纤锁定模块包括光学频率梳、第五光耦合器、第三光电探测器、混频器、滤波器和第三环路滤波器；

所述第五光耦合器用于对光学频率梳和双频激光进行合波干涉，获得干涉光信号；

所述第三光电探测器与第五光耦合器连接，用于将所述干涉光信号转换为电信号，获得第三拍频信号；

所述混频器与第三光电探测器连接，用于将双频激光和光学频率梳邻近梳齿的拍频信号进行混频；

所述滤波器与混频器连接，用于从所述拍频信号中滤出拍频信号之差；

所述第三环路滤波器与滤波器连接，用于对滤出拍频信号之差的拍频信号进行鉴频鉴相，得到拍频频率差的相位误差信号，并基于拍频频率差的相位误差信号进行环路滤波调理输出延迟自干涉结构中光纤拉伸器的反馈控制信号。

本发明还提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生方法，包括以下步骤：

将两个激光器发出的连续光合束成为双频激光，然后将所述双频激光分为三部分，第一部分用于输出，另外两部分用于闭环反馈控制两激光器的频率；

第二部分双频激光通过延迟自干涉结构将双频激光的频率波动转化为相位波动，再通过波分复用器和光电探测器分别获得包含两个激光器相位波动信息的拍频信号；

将所述拍频信号与低噪声参考信号进行鉴相，得到误差信号，对所述误差信号进行环路滤波调理，得到激光器的反馈信号，通过激光器的反馈信号控制激光器的输出。

可选地，通过延迟自干涉结构将双频激光的频率波动转化为相位波动的过程中还包括对延迟自干涉结构进行校准，校准方法包括：

第三部分双频激光与光学频率梳进行干涉拍频，然后经过混频、滤波得到双频激光频差的变化；

拍频频差与低噪声参考信号鉴相后得到相位误差信号，基于拍频频率差的相位误差信号进行环路滤波调理，得到延迟自干涉结构的反馈控制信号，通过延迟自干涉结构的反馈控制信号控制延迟自干涉结构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明采用延迟干涉光锁相环，将两个独立运行的激光器锁定在同一参考延迟光纤上，同步两个激光器的频率变化，并进一步通过两个激光器间频差的变化，采用闭环反馈控制的方法实现参考延迟光纤的延时稳定控制。从而实现了两个激光器及其频差的稳定控制。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的高稳定双频激光产生装置示意图；

图中：1、第一激光器；2、第二激光器；3、合束器；4、第一光耦合器；5、第二光耦合器；6、参考延迟光纤；7、光纤拉伸器；8、声光移频器；9、第三光耦合器；10、第一波分复用器；11、第二波分复用器；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、第一环路滤波器；15、第二环路滤波器；16、第四光耦合器；17、光学频率梳；18、第五光耦合器；19、第三光电探测器；20、混频器；21、滤波器；22、第三环路滤波器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，具体实施方式如下：

第一激光器1和第二激光器2分别发出频率为ν₁和ν₂的连续光，通过合束器3合束，合束器3输出第一光耦合器4连接，第一光耦合器分为两路，第一路连接第二光耦合器5，第二光耦合器5又分为两路，一路依次连接延迟光纤6，光纤拉伸器7，另一路连接声光移频器8，两路通过第三光耦合器9合波，第三光耦合器9的两个输出端口分别连接第一波分复用器10和第二波分复用器11，两个波分复用器将频率为ν₁和ν₂的连续光分开，再分别连接第一光电探测器12和第二光电探测器13，将光信号转换为电信号后，分别接入第一环路滤波器14和第二环路滤波器15；第一环路滤波器14和第二环路滤波器15同时接入低噪声参考信号，其输出分别连接第一激光器1和第二激光器2。第一光耦合器4输出的另一路连接第四光耦合器16，第四光耦合器16的输出分为两路，一路用于输出产生的双频激光，另一路与光学频率梳17分别连接第五光耦合器18的两个输入端口，第五光耦合器18的输出端口接入第三光电探测器19，第三光电探测器19输出与混频器20、滤波器21和第三环路滤波器22连接，同时低噪声参考信号接入第三环路滤波器22，第三环路滤波器22的输出连接光纤拉伸器7。

优选的，第一激光器1和第二激光器2可以为光纤激光器、半导体激光器等可控制其频率调节的激光器，其输出波长可以在C波段和L波段等波段，两个激光器的频差可以间隔MHz至几十THz；

第一光耦合器和第四光耦合器可以为99:1光耦合器；第二光耦合器、第三光耦合器和第五光耦合器为50:50光耦合器；

参考延迟光纤6可以为单模光纤、保偏光纤，其长度最优化为2km；

第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器采用平衡光电探测器以消除共模噪声；

光学频率梳17光谱范围可根据双频激光频差大小可进行适当选择，从几十nm至几百nm不等。

本实施例中，还提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生方法，具体实施步骤为：

步骤1，两个波长分别为1546nm和1554nm的光纤激光器发出连续光合束成为双频激光，其频差相差约1THz；然后通过99：1的光耦合器分为两部分，99％的双频激光用于输出，1％的部分用于闭环反馈控制激光器频率；

步骤2，占比1％的双频激光通过由50：50光耦合器、2km长的参考延迟单模光纤、光纤拉伸器、以及可产生40MHz移频的声光移频器构成的非平衡马赫曾德尔干涉仪进行延迟自干涉，使得两个激光器的频率波动转化为相位波动，通过波分复用器和平衡光电探测器后，分别获得包含两个激光器相位波动信息的拍频信号。

步骤3，步骤2中产生的两个激光器各自的拍频信号分别与以原子钟为参考的低噪声参考信号进行鉴相，得到误差信号，经过环路滤波调理，得到反馈信号分别用于控制各自激光器的输出，使得激光器频率变化锁定在参考延迟光纤上。设两个激光器的频率为ν_i(i＝1,2,分别代表每个激光器)，频率波动为δν_i，光纤长度为L，由于环境变化引起的光纤长度变化为δL，其对应的延时分别为τ和δτ，那么在锁定状态下，激光器的频率变化与光纤长度变化成比例关系：

步骤4，进行参考延迟光纤的稳定。设两激光器的频差为Δν＝ν₁-ν₂，根据步骤3中式子可以推出，激光器锁相后，两个激光器的频差变化量δ(Δν)同样与参考光纤延时变化成比例关系：

因此，双频激光频差的变化反应了参考延迟长度的变化；通过双频激光输出的一部分与光学频率梳进行干涉拍频，然后经过混频、滤波得到双频激光频差的变化，也就得到了参考延迟光纤的延时抖动信息。

步骤5，步骤4中拍频频差与低噪声参考信号鉴相后得到相位误差信号，经过环路滤波调理后输出控制光纤延迟线以补偿由外界环境变化引起的参考延迟光纤的长度变化。

实施例二

本实施例提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，包括光源发射模块、激光器锁相模块和参考延迟光纤6锁相模块。

光源发射模块，用于将两个独立激光器发出的连续光合束成双频激光。包括两个激光器以及合束器3。所述第一激光器1用于发出第一光频的连续光；所述第二激光器2用于发出第二光频的连续光；所述合束器3用于将所述第一光频的连续光和所述第二光频的连续光合束。

激光器锁相模块，用于将两个激光器锁定在同一参考延迟光纤6上，使他们的频率变化与光纤延时变化一致。包括第二光耦合器5、参考延迟光纤6、光纤拉伸器7、声光移频器8、第三光耦合器9、第一波分复用器10、第二波分复用器11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、第一环路滤波器14和第二环路滤波器15。其中，所述第二光耦合器5、参考延迟光纤6、光纤拉伸器7、声光移频器8(用于改变频率)和第三光耦合器9构成延迟自干涉结构，用于将激光器的频率波动转化为相位波动。所述第二光耦合器5，用于将光波分为两路，一路接入参考延迟光纤6和光纤拉伸器7，另一路接入声光移频器8；所述参考延迟光纤6作为两个激光器的共同参考，用于稳定激光器的频率，所述光纤拉伸器7用于补偿参考延迟光纤6的长度变化，使其延时保持不变。所述声光移频器8使通过的光频产生移频；所述第三光耦合器9，用于将两路光波合束进行干涉；所述第一波分复用器10、第二波分复用器11，与所述第三光耦合器9连接，用于波分解复用；所述第一光电探测器12，分别与所述第一波分复用器10、第二波分复用器11连接，用于接收包含第一光频频率抖动信息的拍频信号；所述第二光电探测器13，分别与所述第一波分复用器10、第二波分复用器11连接，用于接收包含第二光频频率抖动信息的拍频信号。所述第一环路滤波器14与第一光电探测器12的输出连接，同时接入低噪声射频参考信号，经过鉴频鉴相，得到第一光频的相位误差信号后，经过环路滤波调理输出第一激光器1的反馈控制信号。所述第二环路滤波器15与第二光电探测器13的输出连接，同时接入低噪声射频参考信号，经过鉴频鉴相，得到第二光频的相位误差信号后，经过环路滤波调理输出第二激光器2的反馈控制信号。

参考延迟光纤6锁定模块，用于进一步锁定参考延迟光纤6的长度，使其延时保持不变。包括光学频率梳17、第五光耦合器18、第三光电探测器19、混频器20、滤波器21、第三环路滤波器22。所述光学频率梳17与双频激光在第五光耦合器18中合波干涉，然后接入第三光电探测器19，第三光电探测器19将干涉光信号转化为电信号，获得两激光与光学频率梳17邻近梳齿的拍频信号；所述混频器20将两激光与光学频率梳17邻近梳齿的拍频信号进行混频；所述滤波器21从上述拍频信号中滤出拍频信号之差，拍频信号之差的稳定性代表了两激光器频差的稳定性。所述第三环路滤波器22与滤波器21的输出连接，同时接入低噪声射频参考信号，经过鉴频鉴相，得到拍频频率差的相位误差信号，经过环路滤波调理后输出控制光纤延迟线的反馈信号。

相应地，本发明提供了一种大频差、可调谐的高稳定双频激光的产生方法，包括如下步骤：

步骤1，两个独立激光器发出的连续光合束成为双频激光，然后分为三部分，一部分用于输出，另外两部分用于闭环反馈控制两激光器的频率；

步骤2，用于反馈控制激光器的双频激光通过由光耦合器、参考延迟光纤6、光纤拉伸器7、声光移频器8构成延迟自干涉结构，使得激光器的频率波动转化为相位波动，通过波分复用器和光电探测器后，分别获得包含两个激光器相位波动信息的拍频信号。

步骤3，步骤2中产生的两个激光器各自拍频信号分别与低噪声参考信号进行鉴相，得到误差信号，经过环路滤波调理，得到反馈信号分别用于控制各自激光器的输出，使得激光器频率变化锁定在参考延迟光纤6上。

步骤4，为了进一步稳定参考延迟光纤6，双频激光输出的一部分与光学频率梳17进行干涉拍频，然后经过混频、滤波得到双频激光频差的变化，频差的稳定性反映了参考延迟光纤6的稳定性。

步骤5，步骤4中拍频频差与低噪声参考信号鉴相后得到相位误差信号，经过环路滤波调理后输出，用于控制光纤延迟线以补偿由外界环境变化引起的参考延迟光纤6的长度变化。

经过上述步骤，可以实现大频差、可调谐且高稳定的双频激光输出。

综上可见，本发明与现有技术相比的显著优势概括如下：

1、本发明采用延迟干涉光锁相环，将两个独立运行的激光器锁定在同一参考延迟光纤上，同步两个激光器的频率变化，并进一步通过两个激光器间频差的变化，采用闭环反馈控制的方法实现参考延迟光纤的延时稳定控制。相比于大部分只稳定了频差的传统方案，本发明所提出的技术方案，能够实现两个激光器及其频差的稳定控制。

2、本发明提出的技术方案，可以根据实际应用的需求，任意选择合适的两个独立激光器及其频率间隔，在保持高稳定性的前提下，可以实现频差从MHz至几十THz的双频激光输出，具有优越的可调谐性。

3、采用本发明所提出的技术方案，相对于需要以高精度、高稳定度FP腔为参考的PDH等稳频技术而言，成本较低、操作方便，降低了对于外界环境高稳定性的严苛要求。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，其特征在于，包括：

光源发射模块，用于将两个激光器发出的连续光合束成双频激光；

激光器锁相模块，与所述光源发射模块连接，用于将两个激光器锁定在同一参考延迟光纤上，并对所述双频激光进行鉴频鉴相和滤波调理得到反馈控制信号，输出反馈控制信号到两个激光器；

参考延迟光纤锁定模块，分别与所述光源发射模块和激光器锁相模块连接，用于锁定参考延迟光纤的长度；

第一光耦合器，用于将所述双频激光分为两路，第一路接入激光器锁相模块，第二路接入第四光耦合器；

所述第四光耦合器用于将第二路双频激光分为两路，第一路接入参考延迟光纤锁定模块，第二路进行输出。

2.根据权利要求1所述的大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，其特征在于，

所述光源发射模块包括第一激光器、第二激光器和合束器；

所述第一激光器用于发出第一光频的连续光；

所述第二激光器用于发出第二光频的连续光；

所述合束器用于将所述第一光频的连续光和第二光频的连续光合束为双频激光。

3.根据权利要求1所述的大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，其特征在于，

所述激光器锁相模块包括延迟自干涉结构、第一波分复用器、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一环路滤波器和第二环路滤波器；

所述延迟自干涉结构用于将双频激光的频率波动转化为相位波动；

所述第一波分复用器、第二波分复用器分别与所述延迟自干涉结构连接，用于将经过延迟自干涉结构后的双频激光分解复用，获得第一光频激光和第二光频激光；

所述第一光电探测器分别与所述第一波分复用器和第二波分复用器连接，用于接收第一光频激光并将第一光频激光转换为第一拍频信号；

所述第二光电探测器分别与所述第一波分复用器和第二波分复用器连接，用于接收第二光频激光并将第二光频激光转换为第二拍频信号；

所述第一环路滤波器与第一光电探测器的输出连接，用于对第一拍频信号进行鉴频鉴相，得到第一相位误差信号，并基于第一相位误差信号进行环路滤波调理输出第一激光器的反馈控制信号；

所述第二环路滤波器与第二光电探测器的输出连接，用于对第二拍频信号进行鉴频鉴相，得到第二相位误差信号，并基于第二相位误差信号进行环路滤波调理输出第二激光器的反馈控制信号。

4.根据权利要求3所述的大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，其特征在于，

所述延迟自干涉结构包括第二光耦合器、参考延迟光纤、光纤拉伸器、声光移频器和第三光耦合器；

所述第二光耦合器用于将光波分为两路，一路接入参考延迟光纤，另一路接入声光移频器；

所述参考延迟光纤用于稳定激光器的频率；

所述光纤拉伸器与参考延迟光纤连接，用于补偿参考延迟光纤的长度变化；

所述声光移频器用于使光频产生移频；

所述第三光耦合器用于将光纤拉伸器和声光移频器输出的光波合束进行干涉。

5.根据权利要求1所述的大频差、可调谐的高稳定双频激光产生装置，其特征在于，

所述参考延迟光纤锁定模块包括光学频率梳、第五光耦合器、第三光电探测器、混频器、滤波器和第三环路滤波器；

所述第五光耦合器用于对光学频率梳和双频激光进行合波干涉，获得干涉光信号；

所述第三光电探测器与第五光耦合器连接，用于将所述干涉光信号转换为电信号，获得第三拍频信号；

所述混频器与第三光电探测器连接，用于将双频激光和光学频率梳邻近梳齿的拍频信号进行混频；

所述滤波器与混频器连接，用于从所述拍频信号中滤出拍频信号之差；

所述第三环路滤波器与滤波器连接，用于对滤出拍频信号之差的拍频信号进行鉴频鉴相，得到拍频频率差的相位误差信号，并基于拍频频率差的相位误差信号进行环路滤波调理输出延迟自干涉结构中光纤拉伸器的反馈控制信号。

6.一种大频差、可调谐的高稳定双频激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

将两个激光器发出的连续光合束成为双频激光，然后将所述双频激光分为三部分，第一部分用于输出，另外两部分用于闭环反馈控制两激光器的频率；

第二部分双频激光通过延迟自干涉结构将双频激光的频率波动转化为相位波动，再通过波分复用器和光电探测器分别获得包含两个激光器相位波动信息的拍频信号；

将所述拍频信号与低噪声参考信号进行鉴相，得到误差信号，对所述误差信号进行环路滤波调理，得到激光器的反馈信号，通过激光器的反馈信号控制激光器的输出。

7.根据权利要求6所述的大频差、可调谐的高稳定双频激光产生方法，其特征在于，

通过延迟自干涉结构将双频激光的频率波动转化为相位波动的过程中还包括对延迟自干涉结构进行校准，校准方法包括：

第三部分双频激光与光学频率梳进行干涉拍频，然后经过混频、滤波得到双频激光频差的变化；

拍频频差与低噪声参考信号鉴相后得到相位误差信号，基于拍频频率差的相位误差信号进行环路滤波调理，得到延迟自干涉结构的反馈控制信号，通过延迟自干涉结构的反馈控制信号控制延迟自干涉结构。