一种激光锁相装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光锁相装置及方法，其中，所述装置包括：依次连接的一锁模激光器和一电信号提取单元；一微波参考源；与所述电信号提取单元和所述微波参考源连接的一基波鉴相单元和一谐波鉴相单元；第一切换开关和第二切换开关；一环路控制单元；以及一连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器之间的环外数字监控单元。本发明专利技术具备显著的低噪声特性，同步精度可达数十飞秒量级，同时兼具高稳定性，适用于激光器需长期连续运行的工作场合。

A laser phase-locked device and method

The present invention relates to a laser phase locking device and method, wherein, the device comprises a connected mode-locked laser and an electrical signal extraction unit; a microwave reference source; a fundamental reference unit and the microwave reference source connection unit and a harmonic phase detection unit and the signal extraction; the first switch and the second switch; a loop control unit; and a connecting ring in digital monitoring unit of the loop between the control unit and the mode-locked laser. The invention has significant low noise characteristics, and the synchronization accuracy can reach tens of femtosecond magnitude. At the same time, it has high stability and is suitable for long term continuous operation of laser.

【技术实现步骤摘要】
一种激光锁相装置及方法
本专利技术涉及微波光子学领域中的一种锁模激光器锁相技术，尤其涉及一种基于双微波鉴相器的激光脉冲串激光锁相装置及方法。
技术介绍
探索并揭示物质在原子、分子尺度上的微观结构变化过程对生物、化学、材料、环境、医学等众多学科的发展具有非常重要的意义，实现这一目标需要探测设备具有亚纳米级的空间分辨率和亚飞秒量级的时间分辨率。基于X射线光的泵浦-探针用户实验可以以飞秒量级的时间分辨率观测原子尺度的微观现象，因此已经成为一种常用的探测手段。目前，基于X射线光的泵浦-探针用户实验的时间分辨率主要受限于泵浦激光脉冲与加速器产生的X射线探测脉冲之间的时间抖动，这个时间抖动主要来源于驱动激光与种子/泵浦激光之间的时间抖动，以及激光与驱动电子束团加速结构的微波信号之间的时间抖动，因此飞秒量级的激光与微波同步，尤其是具有飞秒量级短脉冲、高脉冲能量的钛宝石激光器与吉赫兹微波信号的高精度同步对飞秒时间分辨率的泵浦-探针实验至关重要。激光器与微波同步是通过控制激光器的谐振腔腔长调节端口，将激光脉冲串的重复频率和相位锁定在高稳定性低相噪的微波参考源上实现的。在锁定带宽以内，激光脉冲串具有和微波参考源相同的相位噪声特性，激光器自身的时间抖动得以降低，从而实现激光器与微波的高精度同步。激光锁相技术的工作原理是，由鉴相器获取待锁定激光器与微波参考源之间的相位差，该相位差信号经过处理后反馈至激光器，用以调节激光器的谐振腔腔长，从而改变脉冲激光的重复频率，直至激光脉冲串锁定在微波参考源上。目前，根据所使用鉴相器的类别，激光锁相技术可以分为三种：第一种基于光-微波平衡鉴相器，该鉴相器由萨格奈克光纤环、微波信号驱动的光相位调制器、平衡光探测器和其它光学器件构成，这种技术方案可以实现十飞秒以下的激光与微波同步精度，但是该鉴相器易受光脉冲展宽效应和光功率失衡效应的影响，前者会抬高光-微波平衡鉴相器的噪声基底，后者则会造成鉴相器工作点的不稳定，而且构成光-微波平衡鉴相器的光学器件需要精密调节，不具备灵活性；第二种基于光-光鉴相器，该鉴相器由以BBO晶体或PPKTP晶体为核心的多个光学器件构成，可以将两束光脉冲在时间轴上的重合度转变为电信号，因此可以达到至少光脉冲尺度的鉴相精度，但是基于光-光鉴相器的技术方案需要先把激光器锁定在一个光脉冲参考信号上，再从该光脉冲参考信号中提取出吉赫兹微波信号，以间接实现激光器与微波的高精度同步，此外，光-光鉴相器要求两束光脉冲在时间轴上重合，因此还需要一个额外的电学锁相环，先将两束光脉冲粗锁相，再调节其中一束光脉冲的相位，直到两束光脉冲能在时间轴上重合，技术方案较为复杂，而且构成光-光鉴相器的光路为自由空间光路，光路调节难度较大；第三种基于微波鉴相器，该鉴相器为微波混频器，结构简单，但这种技术方案通常只是将激光脉冲串锁定在单一频率的微波参考源上，而在用于产生X射线探测脉冲的外种子型自由电子激光装置中，还要求种子激光与电子束团始终具有相同的纵向位置，即激光器既要锁定在驱动电子束团加速结构的微波信号上，也要锁定在与激光器出射的激光脉冲串重复频率同频的一基波参考信号上，且两种锁相模式间可切换。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术旨在提供一种可灵活切换锁相模式、同步精度高、噪声低且运行稳定的激光锁相装置及方法，以实现锁模激光器的激光脉冲串与外部微波参考源间的飞秒量级同步。本专利技术之一所述的一种激光锁相装置，其包括：一具有腔镜PZT控制端口和腔镜马达控制端口的锁模激光器；一与所述锁模激光器连接的电信号提取单元，其将所述锁模激光器出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取所述电信号中的基波信号和谐波信号；一与所述电信号提取单元连接的基波鉴相单元，其将所述基波信号与一外部的微波参考源提供的基波参考信号混频，并生成一基波相差信号；一与所述电信号提取单元连接的谐波鉴相单元，其将所述谐波信号与所述微波参考源提供的谐波参考信号混频，并生成一谐波相差信号；一环路控制单元，其通过第一切换开关与所述基波鉴相单元连接，并通过第二切换开关与所述谐波鉴相单元连接，该环路控制单元对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行信号处理，并向所述锁模激光器的所述腔镜PZT控制端口输出反馈调节信号，以调节所述锁模激光器的谐振腔的腔长，从而调节所述激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与所述微波参考源同步；以及一连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器之间的环外数字监控单元，其在所述锁模激光器锁相后将所述环路控制单元提供的一PZT驱动电压监测信号与一预设的阈值比较，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动。进一步的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，其中，所述数字监控模块包括：一FPGA开发板，其包括：一低速ADC转换器，其接收并将所述PZT驱动电压监测信号数字化；以及一与所述低速ADC转换器连接的FPGA主控制器，其在所述锁模激光器锁相后将经数字化的所述PZT驱动电压监测信号与所述阈值比较，当其超过该阈值时，通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号。优选的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接，一方面检测所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动，另一方面接收并根据所述PZT驱动电压监测信号、所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，监控所述激光锁相装置的环路状态。进一步优选的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，以及与所述数字监控模块连接的计算机，其中，所述数字监控模块还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接。又进一步优选的，在上述激光锁相装置中，所述数字监控模块包括：一与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接的高速ADC转换器以及一与该高速ADC转换器连接的FPGA开发板，其中，所述高速ADC转换器配置为：接收并将所述基波信号和所述基波参考信号数字化；所述FPGA开发板包括：一低速ADC转换器，其接收并将所述PZT驱动电压监测信号数字化；以及一与所述低速ADC转换器以及所述高速ADC转换器连接的FPGA主控制器，其一方面对经数字化的所述基波信号和所述基波参考信号进行数字信号处理以获得所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，若超过，则通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号，一方面在所述锁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光锁相装置，其特征在于，所述装置包括：一具有腔镜PZT控制端口和腔镜马达控制端口的锁模激光器；一与所述锁模激光器连接的电信号提取单元，其将所述锁模激光器出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取所述电信号中的基波信号和谐波信号；一与所述电信号提取单元连接的基波鉴相单元，其将所述基波信号与一外部的微波参考源提供的基波参考信号混频，并生成一基波相差信号；一与所述电信号提取单元连接的谐波鉴相单元，其将所述谐波信号与所述微波参考源提供的谐波参考信号混频，并生成一谐波相差信号；一环路控制单元，其通过第一切换开关与所述基波鉴相单元连接，并通过第二切换开关与所述谐波鉴相单元连接，该环路控制单元对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行信号处理，并向所述锁模激光器的所述腔镜PZT控制端口输出反馈调节信号，以调节所述锁模激光器的谐振腔的腔长，从而调节所述激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与所述微波参考源同步；以及一连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器之间的环外数字监控单元，其在所述锁模激光器锁相后将所述环路控制单元提供的一PZT驱动电压监测信号与一预设的阈值比较，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动。...

【技术特征摘要】
1.一种激光锁相装置，其特征在于，所述装置包括：一具有腔镜PZT控制端口和腔镜马达控制端口的锁模激光器；一与所述锁模激光器连接的电信号提取单元，其将所述锁模激光器出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取所述电信号中的基波信号和谐波信号；一与所述电信号提取单元连接的基波鉴相单元，其将所述基波信号与一外部的微波参考源提供的基波参考信号混频，并生成一基波相差信号；一与所述电信号提取单元连接的谐波鉴相单元，其将所述谐波信号与所述微波参考源提供的谐波参考信号混频，并生成一谐波相差信号；一环路控制单元，其通过第一切换开关与所述基波鉴相单元连接，并通过第二切换开关与所述谐波鉴相单元连接，该环路控制单元对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行信号处理，并向所述锁模激光器的所述腔镜PZT控制端口输出反馈调节信号，以调节所述锁模激光器的谐振腔的腔长，从而调节所述激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与所述微波参考源同步；以及一连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器之间的环外数字监控单元，其在所述锁模激光器锁相后将所述环路控制单元提供的一PZT驱动电压监测信号与一预设的阈值比较，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动。2.根据权利要求1所述的激光锁相装置，其特征在于，所述环外数字监控单元还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接，一方面检测所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动，另一方面接收并根据所述PZT驱动电压监测信号、所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，监控所述激光锁相装置的环路状态。3.根据权利要求1或2所述的激光锁相装置，其特征在于，所述环路控制单元包括：依次连接的一环路电子学模块和一PZT驱动器，其中，所述第一切换开关和第二切换开关的输出端相连至所述环路电子学模块的输入端，且所述环路电子学模块配置为：对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行可调增益放大、加可调直流偏置、滤波和限幅处理，并向所述PZT驱动器输出相应的一处理信号；所述PZT驱动器的输出端连接至所述锁模激光器的所述腔镜PZT控制端口，且所述PZT驱动器配置为：一方面对所述处理信号进行放大并加等同于一腔镜PZT中心工作电压的直流偏置后，向所述锁模激光器的所述腔镜PZT控制端口输出所述反馈调节信号，另一方面向所述环外数字监控单元提供所述PZT驱动电压监测信号。4.根据权利要求3所述的激光锁相装置，其特征在于，所述环路电子学模块包括：依次连接在所述第一切换开关和第二切换开关的输出端与所述PZT驱动器之间的一增益可调电路、一直流偏置电路、一有源PI滤波电路和一双向限幅电路，以及一与所述直流偏置电路连接的可调电压源电路。5.根据权利要求1所述的激光锁相装置，其特征在于，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，其中，所述数字监控模块包括：一FPGA开发板，其包括：一低速ADC转换器，其接收并将所述PZT驱动电压监测信号数字化；以及一与所述低速ADC转换器连接的FPGA主控制器，其在所述锁模激光器锁相后将经数字化的所述PZT驱动电压监测信号与所述阈值比较，当其超过该阈值时，通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号。6.根据权利要求2所述的激光锁相装置，其特征在于，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，以及与所述数字监控模块连接的计算机，其中，所述数字监控模块还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接。7.根据权利要求6所述的激光锁相装置，其特征在于，所述数字监控模块包括：一与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接的高速ADC转换器以及一与该高速ADC转换器连接的FPGA开发板，其中，所述高速ADC转换器配置为：接收并将所述基波信号和所述基波参考信号数字化；所述FPGA开发板包括：一低速ADC转换器，其接收并将所述PZT驱动电压监测信号数字化；以及一与所述低速ADC转换器以及所述高速ADC转换器连接的FPGA主控制器，其一方面对经数字化的所述基波信号和所述基波参考信号进行数字信号处理以获得所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓庆，刘波，张文艳，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31