双光频梳系统及其偏频控制方法技术方案

一种双光频梳系统及其偏频控制方法，该系统包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，数据采集、处理与偏频控制模块对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，根据误差信号，通过调节信号光频梳或本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制信号光频梳或本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。本发明专利技术仅使用双光频梳干涉信号本身的频谱即可实现不低于重频差刷新率的偏频控制，实现双光频梳系统的长期稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
双光频梳系统及其偏频控制方法
本专利技术涉及光频梳领域，特别是涉及一种双光频梳系统及其偏频控制方法。
技术介绍
飞秒激光频率梳，简称光频梳，是一种脉冲间隔在飞秒级别的脉冲光。它在频域上表现为一定频谱宽度内等间隔的频率分量，在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲。光频梳是21世纪初的一项重要专利技术，经过20年的不断发展，应用领域已经从早期的原子钟比对、绝对光学频率测量拓展到分子吸收光谱、绝对距离测量、高光谱成像、应力传感等领域。其中，双光频梳技术自2004年得到实验验证以来成为了物理学中最热门的方向之一，得到了环境监测、先进制造、国防军工和科学研究界的广泛重视，应用场景也从先进的计量实验室转到各种工业现场应用。虽然具有高分辨率、高准确度、高灵敏度、宽光谱范围和快检测速度等优点，但由于目前光频梳的常用精密控制系统较为复杂，成本较高，尤其是目前广泛使用的f-2f干涉偏频锁定方法对光频梳光源的功率和光谱范围提出了较高要求，远远超过很多实际应用对光源性能的需求，因此需要探索更加简化、低成本、易于实现的光频梳偏频控制方法。随着同步锁定、实时数字误差补偿、自适应采样等方法的提出，双光频梳系统在秒尺度上的短期相干性得到了保障，但在更长的时间尺度上，光频梳的偏频仍会随着环境变化不断漂移，使频谱落入零频率或奈奎斯特频率附近的死区，产生频谱混叠，无法解算出准确的双光频梳幅值和相位信息。对于航空航天、气体监测等需要双光频梳系统独立长期工作的应用来说，开发一种新的小体积、低成本、鲁棒性强、易于实现的双光频梳系统偏频控制方法具有非常重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种双光频梳系统及其偏频控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，所述方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。进一步地：采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅频值，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；或者，采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，N为幅值大于预设阈值的频率点总数，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；或者，计算干涉信号频谱的最大值位置以表征干涉信号频谱的实际位置；或者，计算干涉信号频谱的-3dB截止频率以表征干涉信号频谱的实际位置。所述目标频谱中心位置位于fr1/4或fr2/4附近的预设范围内，将实时测出的中心频率fc与所述目标频谱中心位置之间的偏差作为误差信号进行反馈，其中，fr1为信号光频梳的重复频率，fr2为本振光频梳的重复频率。在探测偏频误差时，根据需要提高误差信号探测的刷新率；优选地，直接提高双光频梳系统的重频差，或将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再合光产生干涉信号。优选地，当中心频率偏差小于设定阈值时不调节偏频，超过阈值时才对泵浦电流进行控制。将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分进行探测，获得重频信号，再分别通过锁相环溯源到射频基准上。预先标定待调节光频梳泵浦电流与中心频率之间的关系，根据待调节偏频光频梳的性质，当泵浦电流与上限或下限之间的差值达到预定值时，一次性将泵浦电流向下或向上调节设定个周期值。使用数字控制方法进行双光频梳相对偏频的反馈控制，或通过模拟电路实现，如使用带通滤波器滤波分隔出干涉信号频谱的上升或下降部分，将其功率变化作为误差信号进行连续的反馈控制，或使用多个不同中心频率的带通滤波器对完整频谱进行采样，通过加权求出频谱中心位置。一种用于双光频梳系统的偏频控制系统，包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源、双光频梳干涉模块以及数据采集、处理与偏频控制模块，信号光频梳和本振光频梳通过所述双光频梳干涉模块产生的干涉信号，所述数据采集、处理与偏频控制模块对所述信号光频梳和所述本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。还包括第一探测器、第二探测器、第一锁相环以及第二锁相环，将所述信号光频梳和所述本振光频梳在合光之前分别分出一部分射入所述第一探测器和所述第二探测器，获得重频信号，再分别通过所述第一锁相环和所述第二锁相环溯源到射频基准上；优选地，还包括延迟臂，将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再引入所述双光频梳干涉模块合光产生干涉信号；优选地，重频锁定的执行器为光频梳谐振腔内的压电陶瓷，通过调节腔长来调节重复频率。所述双光频梳干涉模块包括光纤耦合器、带通滤光片、光电探测器和低通滤波器，所述信号光频梳和所述本振光频梳通过所述光纤耦合器合光，合光的信号通过所述带通滤光片以满足带通采样定理要求，再通过所述光电探测器接收所述干涉信号，然后利用所述低通滤波器滤除所述干涉信号中高于fS/2的频率成分。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供一种双光频梳系统及其偏频控制方法，只实时检测干涉信号的实际位置，并对光频梳的泵浦电流加以控制即可实现长时间的双光频梳系统相对偏频的优化和锁定，对光频梳精密测量领域，尤其是双光频梳测距和双光频梳光谱具有非常重要的作用。本专利技术有利于实现小体积、低成本、长期稳定的双光频梳测量系统，通过提出一种简单实用的偏频控制方案，提供了一种可长期稳定的双光频梳测量系统，为实现高性能的绝对距离测量、光谱分析和精密传感提供了可能。由于采用以上技术方案，本专利技术具有如下具体优点：无需额外的f-2f干涉仪或连续激光参考即可测量双光频梳偏频的实时变化，系统结构简单、体积小、成本低、易于实现；偏频调节速率至少可以达到kHz量级，具有非常好的实时性，足以保证双光频梳系统的长期抗干扰能力；由于泵浦电流对双光频梳信号频谱中心频率的影响具有周期性，可在短暂的测量间歇期重置泵浦电流大小以避免误差的单向累计。该专利技术可广泛应用于基于双光频梳干涉仪的测量应用，如绝对距离测量、气体监测、应力传感等。附图说明图1是本专利技术一种实施例的双光频梳系统的结构示意图。图2是本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，其特征在于，所述方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。/n

【技术特征摘要】
1.一种双光频梳系统的偏频控制方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，其特征在于，所述方法包括：对信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号截取出干涉峰，实时获得干涉信号幅频谱的实际位置，并将其与频谱的目标位置进行比较，获得误差信号，根据所述误差信号，通过调节所述信号光频梳或所述本振光频梳的泵浦电流或腔内色散，闭环控制所述信号光频梳或所述本振光频梳的相对偏频，以将干涉信号的频谱控制在预设目标位置范围。


2.如权利要求1所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：



式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，mi为fi对应的幅频值，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；
或者，采用以下公式计算出频谱的实时中心频率fc以表征干涉信号频谱的实际位置：



式中fi为频谱中幅值大于预设阈值的频率点，N为幅值大于预设阈值的频率点总数，fc代表双光频梳干涉信号频谱的实时中心频率；
或者，计算干涉信号频谱的最大值位置以表征干涉信号频谱的实际位置；
或者，计算干涉信号频谱的-3dB截止频率以表征干涉信号频谱的实际位置。


3.如权利要求1或2所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，所述目标频谱中心位置位于fr1/4或fr2/4附近的预设范围内，将实时测出的中心频率fc与所述目标频谱中心位置之间的偏差作为误差信号进行反馈，其中，fr1为信号光频梳的重复频率，fr2为本振光频梳的重复频率。


4.如权利要求1至3任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，在探测偏频误差时，根据需要提高误差信号探测的刷新率；优选地，直接提高双光频梳系统的重频差，或将信号光频梳或本振光频梳分成多束经过不同长度的延迟臂，再合光产生干涉信号。


5.如权利要求1至4任一项所述的双光频梳系统的偏频控制方法，其特征在于，在进行偏频实时调节时，根据需要降低执行器的调节速率；优选地，当中心频率偏差小于设定阈值时不调节偏频，超过阈值时才对泵浦电流进行控制。


6.如权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪凯，余浩洋，周倩，李星辉，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44