CN203536724U

CN203536724U - 一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置

Info

Publication number: CN203536724U
Application number: CN201320526581.3U
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 万威; 谢艺; 吴昊煜; 周飞; 陈永泰; 冯芒
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2023-08-28

Abstract

本实用新型是一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，该装置主要由依次电信号相连的信号源模块、相位锁定模块、混频器和二阶有源低通滤波器组成。本实用新型结构简单，对激光频率的变化更加敏感，可以方便的得到激光频率变化的一阶微分误差信号或三阶微分误差信号，反应速度更快，因而能够应用于饱和吸收稳频和外腔稳频、Zeeman稳频和偏振光谱稳频，可以同时实现激光长期稳定的锁定和激光线宽的压窄。

Description

一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置

技术领域

本实用新型涉及激光稳频装置，特别是一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置。

背景技术

普通自由运转的激光器，由于受到外界温度、机械振动等工作环境的影响，激光器输出的频率是不稳定的。但是在某些应用场合下是不希望激光器的输出频率发生无规变化的，特别是当激光用作高精度光谱测量或有关计量标准时，要求振荡激光的频率不发生随机漂移变化。要得到频率稳定的激光器，必须对激光器进行稳频，因此稳频技术成为现代精密测量技术中一种必不可少的手段。通常半导体激光器的稳频方法主要有以下四种：饱和吸收稳频、Zeeman稳频、偏振光谱稳频以及外腔稳频，而这些稳频方式一般都是采用一阶微分信号反馈的方式，这种方式只能实现激光频率长期稳定的锁定，不能达到压窄激光线宽的目的。在大量的实际应用中为了实现激光线宽的压窄，通常会采用高细度的光学F-P腔进行激光频率的锁定，但是光学F-P腔自身的长期稳定度，并不能改善激光器的长期稳定度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，该装置可以改善饱和吸收稳频、Zeeman稳频和偏振光谱稳频方法，从而能够实现激光频率长期稳定的锁定以及对激光线宽的压窄。

本实用新型解决其技术问题的技术方案是：主要由依次电信号相连的信号源模块、相位锁定模块、混频器和二阶有源低通滤波器组成。

所述信号源模块可以由两个函数信号发生器电路组成，其中一个函数信号发生器电路输出频率为f的正弦信号，其同步信号输出端口输出相同频率的方波信号，该正弦信号作为调制信号对激光频率进行调制，方波信号作为参考信号输入到相位锁定模块；另一个函数信号发生器电路输出频率为3f的正弦信号作为鉴频模块的参考信号，其同步信号输出端口输出频率为3f的方波信号输入到相位锁定模块。

所述相位锁定模块可以由可编程计数器，D触发器和锁相环组成。

所述混频器可以由移相电路，放大电路和乘法器组成；移相电路可以采用精密运算放大器；频率为f的信号源模块输入的参考信号通过一个电阻连接到精密运算放大器的反相输入端，同时通过一个可变电阻连接到运放单元的同相输入端；用一个负反馈电阻连接运放单元的输出端与反相输入端；所述运放单元的同相输入端可以由一个电容接地，通过一个可变电阻实现信号0-90°的相移。

所述精密运算放大器可以采用型号为op37运算放大器。

所述二阶有源低通滤波器可以由三个精密运算放大器组成，混频器输出的信号通过电阻输入到第一精密运算放大器的反相输入端，该精密运算放大器的同相输入端接地，通过电阻并联电容作为负反馈连接第一精密运算放大器的输出端和反相输入端，由此组成了第一级低通滤波器；第一级低通滤波器通过电阻连接到第二级低通滤波器的第二精密运算放大器的反相输入端，第二精密运算放大器的同相输入端接地，并且通过电容连接第二精密运算放大器的输出端和反相输入端，由此组成第二级低通滤波器；第二级低通滤波器的输出通过电阻连接到第三精密运算放大器的负输入端，第三精密运算放大器的正输入端接地。

所述三个精密运算放大器均可以采用型号为op07的运算放大器。

本实用新型还设有与混频器相连的光电信号输入模块、移相模块，以及与二阶有源低通滤波器相连的PI反馈模块。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

其一.结构简单，采用基本的电路元件实现了激光频率锁定所需的功能，不需要购买昂贵的电路模块，不仅降低了电路成本，而且整个电路可以在一个小的电路板上实现，消除了由于各个分块电路模块引入的电路噪声。

其二.可以实现在鉴频过程中参考信号在f和3f之间互换，这样可以方便的得到激光频率变化的一阶微分误差信号或三阶微分误差信号。目前在饱和吸收稳频和外腔稳频中通常都采用的是一阶微分误差信号作为反馈信号，而本装置可以选择不同的参考频率，不仅可以采用传统的一阶微分误差信号实现激光频率的锁定，而且可以通过三阶微分误差信号实现激光频率的锁定。

其三.性能优异：

信号源最高输出频率可达1MHz正弦信号，谐波抑制达到55dB以上。二阶有源低通滤波器的通带是f/10(f≤1MHz)，并且在在十倍频处衰减≥-40dB且带内波动≤0.01dB。

总之，本实用新型对激光频率的变化更加敏感，反应速度更快，可以应用于饱和吸收稳频和外腔稳频、Zeeman稳频和偏振光谱稳频，而且可以同时实现激光长期稳定的锁定和激光线宽的压窄。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图。

图2是本实用新型的信号源与信号相位锁定模块原理图。

图3是本实用新型的混频器与二阶有源低通滤波器原理图。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型提供的一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其电路结构如图1至图3所示，主要由依次电信号相连的信号源模块、相位锁定模块、混频器和二阶有源低通滤波器组成。

所述信号源模块由两个函数信号发生器电路组成，其中一个函数信号发生器电路输出频率为f的正弦信号（故称其为频率为f的信号源模块），其同步信号输出端口输出相同频率的方波信号；该正弦信号作为调制信号对激光频率进行调制，方波信号作为参考信号输入到相位锁定模块。另一个函数信号发生器电路输出频率为3f的正弦信号作为鉴频模块的参考信号（故称其为频率为3f的信号源模块），其同步信号输出端口输出频率为3f的方波信号输入到相位锁定模块。

所述相位锁定模块由可编程计数器，D触发器和锁相环组成。频率为f的信号源模块的方波信号输入到D触发器，经过2分频，产生频率为f/2，占空比为50％的方波信号，这个方波信号作为参考信号输入到锁相环的比较端口。频率为3f的信号源模块的方波信号输入到可编程计数器，经过3分频后输出。此时输出的方波脉冲占空比不对称，因此将方波脉冲信号输入到D触发器，经过2分频后方波信号频率为f/2，占空比为50％，将这个方波脉冲信号输入到锁相环的信号端与比较端口的信号进行相位比较，其结果由锁相环输出，经无源RC低通滤波器后得到两个信号源输出信号的相位误差信号。将这个误差信号反馈给输出频率为f的信号源模块的信号源，为了使误差信号具有足够的驱动功率，在误差信号输入到信号源芯片之前经过了一个由精密运算放大器组成的跟随电路，进行功率放大。这样就实现输出频率为f和3f的正弦信号之间相位的锁定。

所述混频器（图1中混频模块）由移相电路，放大电路和乘法器组成。移相电路由精密运算放大器组成；该精密运算放大器可以采用型号为op37运算放大器。频率为f的信号源模块输入的参考信号通过一个20KΩ的电阻连接到精密运算放大器的反相输入端，同时通过一个100KΩ的可变电阻连接到运放单元的同相输入端。用一个20KΩ的负反馈电阻连接运放单元的输出端与反相输入端。所述运放单元的同相输入端由一个650pF的电容接地，通过调节100KΩ的可变电阻可以实现信号0-90°的相移。

本实用新型还设有与混频器相连的光电信号输入模块，以及与二阶有源低通滤波器相连的PI反馈模块。

所述移相后的信号通过一个标准的同相放大电路将信号幅度放大2倍后，输入到乘法器的Y1输入端，乘法器的Y2输入端接地。

所述光电信号输入模块，如图1所示，其输出的信号通过一个标准的同相放大电路后输入到乘法器的X1输入端，乘法器的X2输入端接地。参考信号与光电信号输入模块的信号相乘后，由乘法器的W输出端输出到二阶有源低通滤波器中。

所述二阶有源低通滤波器由三个精密运算放大器组成。混频器输出的信号通过电阻输入到精密运算放大器1的反相输入端，精密运算放大器1的同相输入端接地。电阻并联电容作为负反馈连接精密运算放大器1的输出端和反相输入端，这样就组成了第一级低通滤波器。第一级低通滤波器通过电阻连接到第二级低通滤波器的精密运算放大器2的反相输入端，精密运算放大器2的同相输入端接地，通过电容连接精密运算放大器2的输出端和反相输入端，这样组成第二级低通滤波器。第二级低通滤波器的输出通过一个电阻连接到精密运算放大器3的负输入端，其正输入端接地。电阻连接精密运算放大器3的输出端和反相输入端，精密运算放大器3的输出端通过电阻连接到第一级低通滤波器运放的反相输入端。通过二阶有源低通滤波器滤波后，得到激光频率变化的三阶微分误差信号。其误差信号通过PI反馈模块输入到激光器，实现激光频率锁定。上述三个精密运算放大器可以采用型号为op07的运算放大器，或具有同样功能的其它型号的运算放大器。

本实用新型提供的实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其工作过程是：由信号源模块输出频率为f的正弦信号对激光频率进行调制，通过信号相位锁定模块将输出频率分别为f和3f的正弦信号的相位进行锁定，频率为3f的正弦信号通过移相器后，作为参考信号输入到混频器。被调制的激光通过鉴频单元后，由光电探测器转换为电信号输入到混频器的信号输入端，混频器输出的信号通过截止频率为f/10的二阶有源低通滤波器后得到三阶微分误差信号，该信号经过PI反馈模块后反馈给激光器实现激光频率的锁定。

Claims

1.一种实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其特征是主要由依次电信号相连的信号源模块、相位锁定模块、混频器和二阶有源低通滤波器组成；

所述信号源模块由两个函数信号发生器电路组成，其中一个函数信号发生器电路输出频率为f的正弦信号，其同步信号输出端口输出相同频率的方波信号,该正弦信号作为调制信号对激光频率进行调制，方波信号作为参考信号输入到相位锁定模块；另一个函数信号发生器电路输出频率为3f的正弦信号作为鉴频模块的参考信号，其同步信号输出端口输出频率为3f的方波信号输入到相位锁定模块；

所述相位锁定模块由可编程计数器，D触发器和锁相环组成；

所述混频器由移相电路，放大电路和乘法器组成；移相电路采用精密运算放大器；频率为f的信号源模块输入的参考信号通过一个电阻连接到精密运算放大器的反相输入端，同时通过一个可变电阻连接到运放单元的同相输入端；用一个负反馈电阻连接运放单元的输出端与反相输入端；所述运放单元的同相输入端由一个电容接地，通过一个可变电阻实现信号0-90⁰的相移；

所述二阶有源低通滤波器由三个精密运算放大器组成，混频器输出的信号通过电阻输入到第一精密运算放大器的反相输入端，该精密运算放大器的同相输入端接地，通过电阻并联电容作为负反馈连接第一精密运算放大器的输出端和反相输入端，由此组成了第一级低通滤波器；第一级低通滤波器通过电阻连接到第二级低通滤波器的第二精密运算放大器的反相输入端，第二精密运算放大器的同相输入端接地，并且通过电容连接第二精密运算放大器的输出端和反相输入端，由此组成第二级低通滤波器；第二级低通滤波器的输出通过电阻连接到第三精密运算放大器的负输入端，第三精密运算放大器的正输入端接地。

2.根据权利要求1所述的实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其特征是所述精密运算放大器采用型号为op37运算放大器。

3.根据权利要求1所述的实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其特征是所述三个精密运算放大器均采用型号为op07的运算放大器。

4.根据权利要求1所述的实现三阶微分信号反馈的激光稳频装置，其特征是该激光稳频装置还设有与混频器相连的光电信号输入模块、移相模块，以及与二阶有源低通滤波器相连的PI反馈模块。