一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统技术方案

一种外差式相敏检测的Pound‑Drever‑Hall激光稳频系统，本地振荡器不仅为电光调制器提供驱动电压，同时作为频率合成器的参考输入，使其输出稳定频率的信号；频率合成器产生两种稳定的频率，一种作为系统中心频率，另一种用于频谱搬移，将系统调制频率搬移到频率合成器产生的系统中心频率上，使误差信号检测系统参数与系统调制频率无关。相敏检测方法获取频率漂移误差信号，达到稳频效果。本发明专利技术使用频率合成器与本地振荡器进行外差探测，相敏检波获取频率漂移误差信号，具有调试简单、灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统
本专利技术属于激光稳频系统
，特别涉及一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统。
技术介绍
利用Pound-Drever-Hall稳频方法将激光频率锁定在高精细度、高稳定性的F-P参考腔的谐振峰上，是目前获得超窄线宽激光的最有效方法之一。该方法的原理是：单频线偏振激光经过电光调制器进行相位调制后形成载波和上下边带光，本地振荡器产生调制频率的正弦信号，驱动电光调制器。三束线偏振光经过偏振分光棱镜和四分之一波片变为圆偏振光垂直入射进入F-P参考腔。参考腔的反射光在光电探测器上进行拍频，经过互阻增益放大和带通滤波可得到调制频率的正弦信号。该信号的幅度反映了激光频率与F-P参考腔谐振频率的差。采用模拟相敏检波器获得该信号幅度，即频率漂移误差信号。将误差信号通过伺服系统，控制激光器固定在一端反射镜上的压电陶瓷调节激光器腔长，使激光频率的偏移量回复到零，从而将激光频率锁定在参考腔谐振频率上，实现稳频。本地振荡器的频率(系统调制频率)对鉴频曲线的形态有较大的影响，直接影响误差信号的线性动态范围。动态范围较小，稳频系统极易失锁。目前的Pound-Drever-Hall稳频系统中获得调制频率的正弦信号的方法都是将参考腔的反射光在光电探测器上进行拍频和互阻增益放大后，通过带通滤波器来获得。当调制频率改变时，必须调整带通滤波器的参数使得中心频率随之变化。如果中心频率不随之做调整，则拍频信号的频率就有可能位于滤波器通频带的边沿，从而导致无法获得稳定的误差信号。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统，将反射光拍频信号首先变频到一个固定的中频，然后进行带通滤波和相敏检波，避免在调制频率漂移和变化时，稳频系统不能适应该变化而无法正常工作；具有调试简单、灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力好的特点。一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统，包括激光源1，激光源1出射的激光进入光隔离器2进行反射光隔离，再入射进偏振片3进行偏振方向调整，最后入射进电光调制器4的光孔进行相位调制；电光调制器4的驱动电压输入端与本地振荡器8的电压输出端和频率合成器9的输入端相连；电光调制器4出射的激光入射进偏振分束器5和其后的四分之一波片6，垂直入射进入参考腔7，从参考腔7反射的激光再次经过四分之一波片6和偏振分束器5入射进入光电探测器10的光孔；光电探测器10的电压输出端与选频放大网络11的电压输入端相连，选频放大网络11的电压输出端与混频器12的信号输入端相连，频率合成器9的输出端1与混频器12的参考输入端相连，混频器12的电压输出端与带通滤波器13的输入端相连，带通滤波器13的输出端与乘法器15的信号输入端相连，频率合成器9的输出端2与可调移相器14的输入端相连，可调移相器14的输出端与乘法器15的参考输入端相连，乘法器15的输出端与低通滤波器16的输入端相连，低通滤波器16的输出端与伺服电路17的信号输入端相连，伺服电路17的信号输出端与压电陶瓷18上的电极相连，压电陶瓷18粘在激光源1上。所述的频率合成器9内包括鉴相器、积分器、压控振荡器、晶体振荡器、乘法器和低通滤波器，其功能是产生系统中心频率fi和用于频谱搬移的频率fi+f0，晶体振荡器产生高度稳定的频率为fi的正弦波，从频率合成器9的输出端2输出与可调移相器14的输入端相连；压控振荡器输出频率fi+f0′的正弦信号，与晶体振荡器产生的频率为fi的正弦波在乘法器内混频，输出信号经过低通滤波器送入鉴相器；本地振荡器8的调制频率为f0，其电压输出端与频率合成器9内的鉴相器输入端相连，与低通滤波器输出在鉴相器中进行鉴相，当环路锁定，压控振荡器从频率合成器9的输出端1输出，输出频率为fi+f0的正弦信号，送入混频器12。本专利技术的特点在于：1、所述的本地振荡器(8)不仅为电光调制器(4)提供驱动电压，而且作为频率合成器(9)的参考输入。2、采用外差式相敏检测技术获取频率漂移误差信号。3、频率合成器产生两种频率的正弦信号，一种作为系统中心频率，另一种用于频谱搬移。4、误差信号检测系统参数与本地振荡器的频率(系统调制频率)无关。附图说明图1为本专利技术外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统结构示意图。图2为本专利技术外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统PDH频率合成器结构框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。参照图1，外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统，包括激光源1，激光源1输出的激光经过光隔离器2进入偏振片3，光隔离器2的作用是避免光路反射而影响激光器1稳定工作；偏振片3调整激光的偏振方向，使其垂直电光调制器4光轴入射；偏振片3输出光入射进电光调制器4进行相位调制，调制频率即为本地振荡器8的频率。本地振荡器8产生调制频率为f0的正弦信号，一方面为电光调制器4提供驱动，一方面作为频率合成器9的参考输入。经过相位调制的光进入偏振分束器5，偏振分束器5的输出光经过四分之一波片6垂直入射到参考腔7，参考腔7的反射光再次经过四分之一波片6和偏振分束器5进入光电探测器10，在光电探测器10内拍频。输出进入选频放大网络11进行滤波放大，提取频率为f0的拍频信号。该信号与频率合成器9输出端1输出的频率为fi+f0的正弦信号在混频器12内进行混频，输出经过中心频率为fi的带通滤波器13后输出频率为fi的正弦信号，其幅度正比于频率为f0的拍频信号。频率合成器9输出端2输出的频率为fi的正弦信号经过可调移相器14，使得其相位与带通滤波器13输出的信号相位相同，并同带通滤波器13输出的信号一起进入乘法器15进行频谱迁移，再经过低通滤波器16提取基带频谱信号，该信号作为伺服电路17的输入，经放大后加在与激光源1粘在一起的压电陶瓷18上，使激光源1的光束锁定到参考腔7的谐振频率上。参照图2，频率合成器9内包括鉴相器、积分器、压控振荡器、晶体振荡器、乘法器和低通滤波器。频率合成原理为：压控振荡器输出频率fi+f0′的正弦信号从频率合成器9的输出端1输出，其中，f0′受积分器输出的控制。晶体振荡器产生高度稳定的频率为fi的正弦波，从频率合成器9的输出端2输出，两种频率在乘法器内混频，产生差频项频率f0′及和频项频率2fi+f0′。经过低通滤波器滤除和频项2fi+f0′，输出差频项f0′给鉴相器。本地振荡器8产生的频率为f0的正弦信号作为频率合成器9的频率参考信号，与低通滤波器输出的频率为f0′的正弦波在鉴相器中进行鉴相。当f0′＝f0，鉴相器和积分器的输出都为零，压控振荡器输出频率为f0的正弦信号。当f0′＜f0，鉴相器的输出电压为负，经过积分器的输出送入压控振荡器的控制输入端，使得压控振荡器的输出频率上升，从而使f0′趋近于f0，直到f0′＝f0，环路频率锁定在f0处。当f0′＞f0，鉴相器的输出电压为正，经过积分器的输出送入压控振荡器的控制输入端，使得压控振荡器的输出频率下降，使f0′趋近于f0，直到f0′＝f0，环路达到新本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外差式相敏检测的Pound‑Drever‑Hall激光稳频系统，其特征在于，包括激光源(1)，激光源(1)出射的激光进入光隔离器(2)进行反射光隔离，再入射进偏振片(3)进行偏振方向调整，最后入射进电光调制器(4)的光孔进行相位调制；电光调制器(4)的驱动电压输入端与本地振荡器(8)的电压输出端和频率合成器(9)的输入端相连；电光调制器(4)出射的激光入射进偏振分束器(5)和其后的四分之一波片(6)，垂直入射进入参考腔(7)，从参考腔(7)反射的激光再次经过四分之一波片(6)和偏振分束器(5)入射进入光电探测器(10)的光孔；光电探测器(10)的电压输出端与选频放大网络(11)的电压输入端相连，选频放大网络(11)的电压输出端与混频器(12)的信号输入端相连，频率合成器(9)的输出端(1)与混频器(12)的参考输入端相连，混频器(12)的电压输出端与带通滤波器(13)的输入端相连，带通滤波器(13)的输出端与乘法器(15)的信号输入端相连，频率合成器(9)的输出端(2)与可调移相器(14)的输入端相连，可调移相器(14)的输出端与乘法器(15)的参考输入端相连，乘法器(15)的输出端与低通滤波器(16)的输入端相连，低通滤波器(16)的输出端与伺服电路(17)的信号输入端相连，伺服电路(17)的信号输出端与压电陶瓷(18)上的电极相连，压电陶瓷(18)粘在激光源(1)上。...

【技术特征摘要】
1.一种外差式相敏检测的Pound-Drever-Hall激光稳频系统，其特征在于，包括激光源(1)，激光源(1)出射的激光进入光隔离器(2)进行反射光隔离，再入射进偏振片(3)进行偏振方向调整，最后入射进电光调制器(4)的光孔进行相位调制；电光调制器(4)的驱动电压输入端与本地振荡器(8)的电压输出端和频率合成器(9)的输入端相连；电光调制器(4)出射的激光入射进偏振分束器(5)和其后的四分之一波片(6)，垂直入射进入参考腔(7)，从参考腔(7)反射的激光再次经过四分之一波片(6)和偏振分束器(5)入射进入光电探测器(10)的光孔；光电探测器(10)的电压输出端与选频放大网络(11)的电压输入端相连，选频放大网络(11)的电压输出端与混频器(12)的信号输入端相连，频率合成器(9)的输出端(1)与混频器(12)的参考输入端相连，混频器(12)的电压输出端与带通滤波器(13)的输入端相连，带通滤波器(13)的输出端与乘法器(15)的信号输入端相连，频率合成器(9)的输出端(2)与可调移相器(14)的输入端相连，可调移相器(14)的输出端与乘法器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏娟，王萍，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61