本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大調(diào)諧量高精度鎖定激光頻率的控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

在激光精密調(diào)控原子，激光相關(guān)的精密測(cè)量場(chǎng)景中，通常需要在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光頻率，同時(shí)需要保證激光頻率的高精度。

通常，對(duì)于一臺(tái)激光器來(lái)說(shuō)，激光頻率的大范圍調(diào)諧和高精度鎖定很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)激光頻率，常用的方法是調(diào)節(jié)激光器外腔長(zhǎng)度、管芯溫度或注入電流，但是由于外腔的穩(wěn)定性不高，溫度和電流的控制精度有限以及激光管跳模等因素，頻率控制精度低。為了提高激光器頻率控制精度，常用的方法是采用聲光調(diào)制(一般在50mhz)或者電光調(diào)制(一般在100mhz)等外調(diào)制等方式進(jìn)行移頻，或者將激光頻率鎖定在超穩(wěn)腔或高q值的原子躍遷譜線上，但這些方法的調(diào)諧范圍很小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前激光頻率控制技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制系統(tǒng)及其控制方法；對(duì)拍頻頻率的控制常用的有鎖頻和鎖相兩種方法，鎖頻可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)諧，但控制精度不高；鎖相可以實(shí)現(xiàn)高精度的頻率鎖定，但是無(wú)法同時(shí)滿足大動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)諧。本發(fā)明采用可編程邏輯器件cpld將鎖頻和鎖相兩個(gè)環(huán)路結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)大動(dòng)態(tài)范圍和高精度控制激光頻率的目標(biāo)。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制系統(tǒng)包括：主激光器、從激光器、合束裝置、高速光電探測(cè)器、頻率參考源、鎖頻裝置和鎖相裝置；其中，主激光器和從激光器分別輸出激光至合束裝置；合束裝置輸出光至高速光電探測(cè)器產(chǎn)生拍頻信號(hào)；拍頻信號(hào)分別傳輸至鎖頻裝置和鎖相裝置；鎖頻裝置包括分頻器和可編程邏輯器件cpld，通過(guò)編寫程序在cpld中形成測(cè)頻單元、鎖相控制單元和主控單元；拍頻信號(hào)經(jīng)分頻器轉(zhuǎn)變成頻率為原信號(hào)頻率1/n的頻率信號(hào)，傳輸至cpld，cpld以頻率參考源提供的參考信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，測(cè)頻單元測(cè)得拍頻信號(hào)的頻率，傳輸至主控單元；主控單元將當(dāng)前的拍頻信號(hào)頻率與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值相比較，獲得數(shù)字鎖頻信號(hào)，并將數(shù)字鎖頻信號(hào)反饋回從激光器的電源，形成鎖頻環(huán)路；數(shù)字鎖頻信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，從而調(diào)節(jié)從激光器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)拍頻信號(hào)的頻率；調(diào)節(jié)頻率后的拍頻信號(hào)進(jìn)一步輸入至鎖頻裝置，當(dāng)拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值調(diào)節(jié)至鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，主控單元保持輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)不變，通過(guò)鎖相控制單元啟動(dòng)鎖相裝置工作；鎖相裝置包括依次連接的集成鎖相芯片、低通濾波器和比例積分電路；集成鎖相芯片將拍頻信號(hào)與頻率參考源提供的參考信號(hào)鑒相得到相應(yīng)的誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器和比例積分電路調(diào)節(jié)后反饋回從激光器的電源，形成鎖相環(huán)路；誤差信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，從而實(shí)現(xiàn)激光頻率的鎖定；同時(shí)，cpld持續(xù)對(duì)拍頻信號(hào)測(cè)頻，當(dāng)拍頻信號(hào)的頻率與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值位于鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，保持輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)不變；當(dāng)拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值超出鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，cpld斷開(kāi)鎖相環(huán)路，開(kāi)始更新輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)，通過(guò)輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)調(diào)節(jié)拍頻信號(hào)，直至拍頻信號(hào)再次滿足鎖相要求，，最終通過(guò)鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)從激光器的輸出頻率鎖定；其中，n為分頻比，n為自然數(shù)。

合束裝置采用1/2玻片、偏振分束棱鏡和1/4玻片；其中，主激光器輸出激光，經(jīng)1/2玻片調(diào)整偏振方向，與從激光器輸出的激光一同輸入偏振分束棱鏡，合束后的激光經(jīng)1/4玻片輸入至高速光電探測(cè)器形成拍頻信號(hào)。

高速光電探測(cè)器采用銦鎵砷探測(cè)器。

主激光器的輸出頻率鎖定在精確值；調(diào)節(jié)從激光器的注入電流實(shí)現(xiàn)從激光器的輸出頻率在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，將從激光器的頻率鎖定。該控制系統(tǒng)能夠鎖定的從激光器的輸出頻率與主激光器的輸出頻率之差的范圍僅受限于高速光電探測(cè)器的響應(yīng)帶寬以及分頻器的工作帶寬。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制方法。

本發(fā)明的大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制方法，包括以下步驟：

1)主激光器和從激光器分別輸出激光至合束裝置；

2)合束裝置輸出光至高速光電探測(cè)器產(chǎn)生拍頻信號(hào)；

3)拍頻信號(hào)分別傳輸至鎖頻裝置和鎖相裝置；

4)拍頻信號(hào)經(jīng)分頻器轉(zhuǎn)變成頻率為原信號(hào)頻率1/n的頻率信號(hào)，然后傳輸至cpld，cpld以頻率參考源提供的參考信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，測(cè)頻單元測(cè)得拍頻信號(hào)的頻率，傳輸至主控單元，其中，n為分頻比，n為自然數(shù)；

5)主控單元將拍頻信號(hào)的頻率與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值相比較，如果拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值超出鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)入步驟a)，如果拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值位于鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)入步驟b)：

a)主控單元通過(guò)控制鎖相控制單元停止鎖相裝置工作，主控單元更新數(shù)字鎖頻信號(hào)，并將數(shù)字鎖頻信號(hào)反饋回從激光器的電源，形成鎖頻環(huán)路；數(shù)字鎖頻信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，從而調(diào)節(jié)從激光器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)與主激光器合束后的拍頻信號(hào)的頻率，然后返回步驟1)；

b)主控單元保持輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)不變，通過(guò)鎖相控制單元啟動(dòng)鎖相裝置工作；集成鎖相芯片將拍頻信號(hào)與頻率參考源提供的參考信號(hào)鑒相得到相應(yīng)的誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器和比例積分電路調(diào)節(jié)后反饋回從激光器的電源，形成鎖相環(huán)路，誤差信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，返回步驟1)，最終通過(guò)鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)從激光器的輸出頻率鎖定。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用主激光器和從激光器，輸出光合束獲得拍頻信號(hào)；調(diào)節(jié)從激光器的注入電流實(shí)現(xiàn)對(duì)從激光器的輸出頻率的控制，進(jìn)而控制拍頻信號(hào)的頻率；采用cpld將鎖頻和鎖相兩個(gè)控制環(huán)路結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)大動(dòng)態(tài)范圍和高精度控制激光頻率的目標(biāo)；以主激光器的輸出光頻率為基準(zhǔn)，精確鎖定從激光器的輸出光頻率，兩臺(tái)激光器輸出光的頻率差能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這樣就實(shí)現(xiàn)了從激光器的輸出光頻率大調(diào)諧量和高精度控制。本發(fā)明解決了現(xiàn)有激光頻率控制方法大調(diào)諧量和高精度鎖定不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、大調(diào)諧量(40ghz以上)和高精度(1hz)的激光頻率調(diào)諧和鎖定；本發(fā)明的方法可以廣泛應(yīng)用在激光冷卻、原子頻標(biāo)和原子干涉儀等基礎(chǔ)研究和精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的大調(diào)諧量高精度控制激光頻率的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的大調(diào)諧量高精度鎖定激光頻率的控制系統(tǒng)包括：主激光器、從激光器、合束裝置、高速光電探測(cè)器、頻率參考源、鎖頻裝置和鎖相裝置；其中，合束裝置采用1/2玻片、偏振分束棱鏡和1/4玻片；主激光器輸出激光，經(jīng)1/2玻片調(diào)整偏振方向，與從激光器輸出的激光一同輸入偏振分束棱鏡，合束后的激光經(jīng)1/4玻片輸出；合束裝置輸出光至高速光電探測(cè)器產(chǎn)生拍頻信號(hào)；拍頻信號(hào)分別傳輸至鎖頻裝置和鎖相裝置；鎖頻裝置包括分頻器和可編程邏輯器件cpld，通過(guò)編寫程序在cpld中形成測(cè)頻單元、鎖相控制單元和主控單元；拍頻信號(hào)經(jīng)分頻器轉(zhuǎn)變成頻率為原信號(hào)頻率1/n的頻率信號(hào)，傳輸至cpld，cpld以頻率參考源提供的參考信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，測(cè)頻單元測(cè)得拍頻信號(hào)的頻率，傳輸至主控單元，主控單元將當(dāng)前的拍頻信號(hào)頻率與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值相比較，獲得數(shù)字鎖頻信號(hào)，并將數(shù)字鎖頻信號(hào)反饋回從激光器的電源，形成鎖頻環(huán)路，數(shù)字鎖頻信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，從而調(diào)節(jié)從激光器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)拍頻信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)頻率后的拍頻信號(hào)進(jìn)一步輸入至鎖頻裝置，當(dāng)拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值調(diào)節(jié)至鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，主控單元保持輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)不變，通過(guò)控制鎖相控制單元啟動(dòng)鎖相裝置工作；鎖相裝置包括依次連接的集成鎖相芯片、低通濾波器和比例積分電路，集成鎖相芯片將拍頻信號(hào)與頻率參考源提供的參考信號(hào)鑒相得到相應(yīng)的誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器和比例積分電路調(diào)節(jié)后反饋回從激光器的電源，形成鎖相環(huán)路，誤差信號(hào)調(diào)節(jié)從激光器的注入電流，從而實(shí)現(xiàn)激光頻率的鎖定；此時(shí)，cpld持續(xù)對(duì)拍頻信號(hào)測(cè)頻，當(dāng)拍頻信號(hào)頻率與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值位于鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，保持輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)不變；當(dāng)拍頻信號(hào)與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值的差值超出鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，cpld斷開(kāi)鎖相環(huán)路，開(kāi)始更新輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)，通過(guò)輸出的數(shù)字鎖頻信號(hào)調(diào)節(jié)拍頻信號(hào)頻率，直至拍頻信號(hào)頻率再次滿足鎖相要求，最終通過(guò)鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)從激光器的輸出頻率鎖定，從激光器與主激光器的頻率差等于拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值。

在本實(shí)施例中，高速光電探測(cè)器采用銦鎵砷探測(cè)器；主激光器的頻率為384234683mhz，從激光器的頻率為384223114mhz，頻率參考源提供的參考頻率為10mhz，鎖相裝置的工作動(dòng)態(tài)范圍為500mhz，拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值為6580mhz。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了±20ghz的大調(diào)諧量，同時(shí)1hz的高精度的激光頻率調(diào)諧和鎖定。本實(shí)施例中，該頻率范圍為-20ghz～20ghz，與拍頻信號(hào)頻率設(shè)定值范圍一致。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。