光纤激光器自适应拍频锁定系统技术方案

本申请涉及一种光纤激光器自适应拍频锁定系统。将一台频率待锁定的光纤激光器与参考激光频率进行拍频锁定，并借助OPLL把两者的拍频锁定在可溯源至原子钟的微波频率上，实现待锁激光器与参考激光器的光频之间保持频差可控的跟随锁定。此外，针对光纤激光器的控制带宽限制，采用前馈控制法改进OPLL性能，在环路带宽小的限制下仍能实现待锁激光器的快速跳频和迅速锁定，并在锁频时保持较高的频率稳定度。最后，系统还设置了控制端口和兼顾上位机控制接口，按下按键可快速完成锁频前自动准备工作、目标频差设置以及切换锁定开关，同时系统的关键参数通过控制模块进行实时监测显示。统的关键参数通过控制模块进行实时监测显示。统的关键参数通过控制模块进行实时监测显示。

【技术实现步骤摘要】
光纤激光器自适应拍频锁定系统


[0001]本申请涉及激光
，特别是涉及一种光纤激光器自适应拍频锁定系统。

技术介绍

[0002]单频光纤激光器具有线宽窄、无跳模、频率漂移低、体积小和结构简单等优点，已在光学传感、激光雷达和量子信息等众多领域广泛应用。在诸多精密测量领域，不仅需要对光纤激光器的频率进行锁定，而且常常要求对两台激光器进行锁相或锁频，例如基于双光子拉曼跃迁的原子干涉需要相干锁相的两束激光形成拉曼光、基于光学频率梳的激光频率锁定等。
[0003]对于单频光纤激光器而言，由于其腔内波长调谐主要依靠响应较慢的热调谐和kHz带宽的压电效应(PZT)机械调谐。目前，单频光纤激光器的锁相技术无法仅靠PZT调谐实现，还必须依靠带宽更大的声光或电光腔外调谐来实现。但利用热调谐和PZT调谐，可直接实现激光器频偏锁定，锁频范围可达到几GHz范围。但当待锁定的光频需要进行变化，特别是激光器需要进行GHz快速跳频时，频偏锁定的拍频也就需要跳变。这就要求所采用的光锁相环能实现快速跳频锁定，光锁相环的电路带宽一般都能做到很大。但由于这里所用的激光器为光纤激光器，PZT调谐带宽小，因此，在跳频时锁定时间慢，精度较低，达到理想锁定目标需要几十甚至上百毫秒时间，难以满足诸多应用背景下的快速跳频锁定需求。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种光纤激光器自适应拍频锁定系统。
[0005]一种光纤激光器自适应拍频锁定系统，所述系统包括：
[0006]拍频探测模块、功分模块、测频模块、信号发生器、鉴频鉴相器、中心主控模块、频偏输入模块、数模转换模块、PID控制器、电压加法器以及驱动转换模块；
[0007]待锁定激光器的待锁定激光和参考激光输入所述拍频探测模块进行拍频，输出拍频光，所述功分模块对所述拍频光进行放大以及分频处理，得到监测信号和鉴频鉴相输入信号；
[0008]所述测频模块接收所述监测信号，并向所述中心主控模块输入监测频率信号，所述中心主控模块连接所述数模转换模块，并且由所述数模转换模块输出拍频锁定信号；
[0009]所述鉴频鉴相器接收所述鉴频鉴相输入信号和所述信号发生器生成的偏置频率信号，生成脉冲信号，并转化为输入频率和相位差成线性关系的电压误差信号；其中，所述偏置频率信号的频率是通过中心主控模块控制的，并且所述偏置频率信号的频率与所述频偏输入模块输入的频偏大小相关；
[0010]所述PID控制器接收所述电压误差信号，并对所述电压误差信号进行PID控制，输出误差控制信号，所述电压加法器接收所述误差控制信号和所述拍频锁定信号，输出驱动信号给所述驱动转换模块，控制待锁定激光器输出激光。
[0011]在其中一个实施例中，所述功分模块包括：放大器、分频器以及功分器；所述放大
器用于对所述拍频光进行功率放大，所述分频器用于对放大后的拍频光进行分频，所述功分器用于对分频后的拍频光进行功分处理，得到监测信号和鉴频鉴相输入信号。
[0012]在其中一个实施例中，所述信号发生器包括：参考时钟和DDS模块。
[0013]在其中一个实施例中，所述系统还包括：锁频开光模块；所述锁频开关模块与所述中心主控模块连接，用于控制拍频的开始和停止。
[0014]在其中一个实施例中，所述功分模块输出的监测信号输入至分频器进行M倍分频之后，输出至所述测频模块。
[0015]在其中一个实施例中，所述系统还包括：拍频显示模块，所述拍频显示模块与所述中心主控模块连接，用于根据测频模块测量的频率大小以及偏置频率信号的频率大小，进行拍频展示。
[0016]在其中一个实施例中，所述驱动转换模块为激光器压电陶瓷，所述激光器压电陶瓷的调制带宽为kHz量级。
[0017]在其中一个实施例中，所述中心主控模块实时采集调频前后所述驱动转换模块的驱动电压的变化值，根据所述变化值计算当前时段的电压变化平均值，将当前时段的电压变化平均值作为下一时段拍频的偏压偏置。
[0018]在其中一个实施例中，所述中心主控模块中设置基准频率，在进行拍频锁定之前，将所述待锁定激光的频率调至所述基准频率的预设范围内。
[0019]上述光纤激光器自适应拍频锁定系统，待锁定的光纤激光器与参考激光频率进行拍频锁定，一方面，通过鉴频鉴相器和PID模块，准确的提取到电压误差信号，可以实现拍频的稳定锁频，并借助鉴频鉴相器把两者的拍频锁定在可追溯至原子钟的信号发生器的微波频率上，实现待锁激光器与参考激光器的光频之间保持频差可控的跟随锁定。另一方面，针对光纤激光器的控制带宽限制，在进行跳频时，通过中心主控模块采集到的跳频前后的信号差值，有DAC转化为偏置电压输出，作用在电压加法器上，实现了前馈控制，前馈控制法改进了鉴频鉴相器性能，此外通过测量、控制和显示的一体化融合，使整个光学锁相环结构具有良好的自适应跳频锁定特性，因此，本专利技术可以在环路带宽小的限制下仍能实现待锁激光器的快速跳频和迅速锁定，并在锁频时保持较高的频率稳定度。
附图说明
[0020]图1为一个实施例中光纤激光器自适应拍频锁定系统的结构框图；
[0021]图2为另一个实施例中光纤激光器自适应拍频锁定系统的结构框图；
[0022]图3为一个实施例中10小时拍频锁定的频率抖动结果图；
[0023]图4为一个实施例中10小时拍频锁定的频率抖动结果的Allan方差分析结果图；
[0024]图5为一个实施例中跳频锁定的时域采集结果图。
具体实施方式
[0025]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0026]在一个实施例中，如图1所示，提供了一种光纤激光器自适应拍频锁定系统，包括：
[0027]拍频探测模块、功分模块、测频模块、信号发生器、鉴频鉴相器、中心主控模块、频偏输入模块、数模转换模块、PID控制器、电压加法器以及驱动转换模块；待锁定激光器的待锁定激光和参考激光输入拍频探测模块进行拍频，输出拍频光，功分模块对拍频光进行放大以及分频处理，得到监测信号和鉴频鉴相输入信号；测频模块接收监测信号，并向中心主控模块输入监测频率信号，中心主控模块连接数模转换模块，并且由数模转换模块输出拍频锁定信号；鉴频鉴相器接收鉴频鉴相输入信号和信号发生器生成的偏置频率信号，生成脉冲信号，并转化为输入频率和相位差成线性关系的电压误差信号；其中，偏置频率信号的频率是通过中心主控模块控制的，并且偏置频率信号的频率与频偏输入模块输入的频偏大小相关；PID控制器接收所述电压误差信号，并对电压误差信号进行PID控制，输出误差控制信号，电压加法器接收误差控制信号和拍频锁定信号，输出驱动信号给驱动转换模块，控制待锁定激光器输出激光。
[0028]上述光纤激光器自适应拍频锁定系统中，待锁定的光纤激光器与参考激光频率进行拍频锁定，一方面，通过鉴频鉴相器和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤激光器自适应拍频锁定系统，其特征在于，所述系统包括：拍频探测模块、功分模块、测频模块、信号发生器、鉴频鉴相器、中心主控模块、频偏输入模块、数模转换模块、PID控制器、电压加法器以及驱动转换模块；待锁定激光器的待锁定激光和参考激光输入所述拍频探测模块进行拍频，输出拍频光，所述功分模块对所述拍频光进行放大以及分频处理，得到监测信号和鉴频鉴相输入信号；所述测频模块接收所述监测信号，并向所述中心主控模块输入监测频率信号，所述中心主控模块连接所述数模转换模块，并且由所述数模转换模块输出拍频锁定信号；所述鉴频鉴相器接收所述鉴频鉴相输入信号和所述信号发生器生成的偏置频率信号，生成脉冲信号，并转化为输入频率和相位差成线性关系的电压误差信号；其中，所述偏置频率信号的频率是通过中心主控模块控制的，并且所述偏置频率信号的频率与所述频偏输入模块输入的频偏大小相关；所述PID控制器接收所述电压误差信号，并对所述电压误差信号进行PID控制，输出误差控制信号，所述电压加法器接收所述误差控制信号和所述拍频锁定信号，输出驱动信号给所述驱动转换模块，控制待锁定激光器输出激光。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功分模块包括：放大器、分频器以及功分器；所述放大器用于对所述拍频光进行功率放大，所述分频器用于对放大后的拍...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国超，杨俊，朱凌晓，颜树华，王亚宁，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：