基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统技术方案

本发明专利技术基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，包括由主控模块的FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器；所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号混频经低通滤波器得到误差信号后进入PID环路滤波器单元，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，分别对应不同执行机构；主控根据光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率，腔后光斑图像信号与第二PD信号共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据三角波信号以控制激光器扫频，提高了系统的集成度及锁频成功率，降低了操作复杂度。降低了操作复杂度。降低了操作复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统


[0001]本专利技术涉及激光频率自动锁定
，尤其是基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统。

技术介绍

[0002]随着激光技术的不断发展，激光被广泛应用于量子光学、量子信息、冷原子物理等各种研究领域。环境温度、外界振动、声音等因素会导致激光频率发生变化，为了减小激光器的频率漂移需要使用激光稳频技术将激光频率锁定在原子、分子或F
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P腔共振跃迁频率等某一标准频率上。
[0003]锁频激光器在原子、分子和光学等物理学实验中的应用无处不在，是各种高精度测量仪器的核心组件之一。激光器的频率噪声是影响测试计量仪器的精度和灵敏度直接来源之一，抑制激光频率噪声，可以有效地提高仪器的灵敏度。
[0004]自由运转的激光器输出的激光频率由于外界环境温度、振动、声音等因素的影响而发生展宽，特别是半导体激光器其输出激光频率线宽约为MHz量级，即使半导体激光器中使用外腔进行初步的线宽压窄激光器输出激光线宽也为数百kHz，远不能满足实验需求。采用隔振、隔音、精确控温等被动措施可以在一定程度上抑制频率噪声。但是，这些被动措施很难保证激光频率的长期稳定性和复现性，要得到更优异的频率噪声性能，通常采用主动反馈抑制技术，把激光频率锁定在噪声极低、频率稳定度更高的参考频率上。主动抑制技术依据频率参考标准分为两种：一种是以原子或分子的跃迁谱线中心频率为参考标准，包括兰姆凹陷稳频技术、原子光谱Zeeman效应稳频技术、原子或分子饱和吸收稳频技术；另一种是以超稳光学参考腔的共振频率作为频率参考标准，最有效且应用最多的激光稳频方法之一就是基于超稳光学参考腔的Pound
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Drever
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Hall(PDH)激光稳频技术。PDH激光稳频技术具有伺服响应快、噪声低等特点，是目前稳频技术中应用最广泛、稳频效果最优异的技术方法之一。
[0005]目前实验室中所使用的基于PDH稳频技术的激光器，通常采用分立式模拟器件获得PDH误差信号并通过模拟PID电路解算误差信号。对于不同执行机构需要多级不同比例、积分、微分环节硬件电路组成，而分立式模拟器件和模拟PID电路成本高昂、规模复杂庞大、只适用单一锁频电路、一旦设计成型难以更改且调试修改需要焊接等繁琐操作。因此，对于不同波长、不同执行机构的稳频系统，模拟稳频PID电路难以适应和调节不同比例、积分、微分环节组合。此外，现行模拟稳频技术在实验过程中存在的各分立器件仍需要科研人员大量的时间进行调试，仍然需要科研人员根据腔后光斑的光斑强度和模式人为判断锁频质量、与腔的模式匹配是否符合设计需求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的第一个目的在于，提供基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块及数字锁频系统，解决激光器的数字化自动锁频问题。
[0007]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，用于控制激光器数字锁频，其特征在于：所述基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块包括利用FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器，所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号经混频器混频后，经低通滤波器得到误差信号后进入PID滤波器单元，通过PID滤波器单元解算误差信号，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，三路控制信号分别对应不同执行机构以实现不同稳频系统的频率的控制；初步频率控制后，腔后光斑图像经图像算法处理单元进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测处理后，主控模块根据腔后光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率，腔后光斑图像信号与第二PD信号经ADC信息采集后进入共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据锁频状态产生三角波信号以控制激光器扫频。
[0009]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0010]作为本专利技术的优选技术方案：所述PID滤波器单元由多个连续的一阶IIR滤波器串级组成，输入的误差信号经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法分别输出不同控制信号到对应执行单元，误差信号进入PID环路滤波器单元后先进行比例调节以适应环路滤波器第一级积分的输入条件，对于存在闪烁频率噪声、随机行走频率噪声甚至更高频的噪声系统，加入至少两级积分环节进行抑制，三路控制信号至少分别对应PZT为主要执行机构的系统、AOM为主要执行机构的系统和温控为主要执行机构的系统，对于PZT为主要执行机构的系统，在原有比例、积分的输出再加一级积分以增加压电陶瓷对低频噪声且幅度较大的噪声抑制，对AOM为主要执行机构的系统，加入微分环节以增加反馈带宽，对温控为主要执行机构的系统，加入积分环节以抑制器件长期且缓慢的温度漂移，主控模块通过不同稳频系统的不同执行机构快速组合多级比例、积分、微分环节，根据抑制的噪声种类，判断PID滤波器单元加入的积分环节级数；根据执行机构的种类和特性，判断PID滤波器单元加入的控制环节和级数。
[0011]作为本专利技术的优选技术方案：对温控为主要执行机构的系统的控制信号，作为所述PID滤波器单元所有环节的最后一级积分输出。
[0012]作为本专利技术的优选技术方案：图像处理单元通过分析腔后光斑图像信号、光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，对光斑进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测的图像算法处理。
[0013]作为本专利技术的优选技术方案：腔后光斑图像信号通过灰度分布分析为单一光斑，首先计算光斑的最小外接矩形，通过最小外接矩形的长宽比进行不同模式分类，根据光斑最小外接矩形的长宽比、光斑形状分布和灰度值分布判断光斑模式，当光斑长宽比大于0.8、光斑拟合为大致圆形且灰度值从中间向四周逐渐减小判断为基模光斑；当光斑长宽比大约0.6、光斑拟合为两个椭圆形且灰度值分别从两个圆形中间向四周逐渐减小判断为TEM01或TEM10模式光斑，通过灰度分布分析为多模式叠加光斑时，通过灰度值分布分析光斑强度中心、强度次中心、从基模光斑开始层层去除后再分析更高阶模式光斑，计算出不同横模比例，对于基模占比90％以上的光斑，计算到TEM02模，将腔后光斑调节至基横模状态后，在水平方向调偏腔镜时在水平方向激发高阶横模，在竖直方向调偏腔镜在竖直方向激
发高阶横模，分析出的不同模式比例用于完善光路设计、协助光路调试，分析光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案：所述数字锁频主控模块输出EOM驱动信号、AOM驱动信号、PZT驱动信号、温控驱动信号，所述EOM驱动信号用于驱动EOM对激光进行相位调制，所述AOM驱动信号用于驱动AOM进行激光功率稳定控制，所述PZT驱动信号用于驱动PZT改变激光器内晶体长度以调节激光器输出频率和失锁后激光扫频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，用于控制激光器数字锁频，其特征在于：所述基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块包括利用FPGA实现的DDS、混频器、低通滤波器、PID滤波器单元、图像处理单元、锁频状态判别器、三角波生成器，所述DDS输出两路信号，一路信号直接输出，另一路信号与第一PD信号经混频器混频后，经低通滤波器得到误差信号后进入PID滤波器单元，通过PID滤波器单元解算误差信号，输入的误差信号经多级滤波器后输出三路控制信号，三路控制信号分别对应不同执行机构以适应不同稳频系统的频率控制；初步频率控制后，腔后光斑图像经图像算法处理单元进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测处理后，主控模块根据腔后光斑图像的灰度分布和光斑外接矩形判断光斑模式、计算不同横模比例、估算透射光功率；同时，腔后光斑图像信号与第二PD信号经信号采集后进入共同进入锁频状态判别器判断锁频状态和锁频质量，三角波生成器根据锁频状态产生三角波信号以控制激光器扫频。2.如权利要求1所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：所述PID滤波器单元由多个连续的一阶IIR滤波器串级组成，输入的误差信号经过PI、PI、PD、I、I多级滤波器算法分别输出不同控制信号到对应执行单元，误差信号进入PID环路滤波器单元后先进行比例调节以适应环路滤波器第一级积分的输入条件，对于存在闪烁频率噪声、随机行走频率噪声甚至更高频的噪声系统，加入至少两级积分环节进行抑制，三路控制信号至少分别对应PZT为主要执行机构的系统、AOM为主要执行机构的系统和温控为主要执行机构的系统，对于PZT为主要执行机构的系统，在原有比例、积分的输出再加一级积分以增加压电陶瓷对低频且幅度较大的噪声抑制，对AOM为主要执行机构的系统，加入微分环节以增加反馈带宽，对温控为主要执行机构的系统，加入积分环节以抑制器件长期且缓慢的温度漂移，主控模块根据不同稳频系统的不同执行机构快速组合多级比例、积分、微分环节；根据抑制的噪声种类，判断PID滤波器单元加入的积分环节级数；根据执行机构的种类和特性，判断PID滤波器单元加入的控制环节和级数。3.如权利要求2所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：对温控为主要执行机构的系统的控制信号，作为所述PID滤波器单元所有环节的最后一级积分输出。4.如权利要求1所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：图像处理单元通过分析腔后光斑图像信号、光斑的模式构成，计算基模与高阶模式在透射光中的不同比例，以及估算透射光的功率，对光斑进行滤波降噪、灰度变换、边缘检测的图像算法处理。5.如权利要求4所述的基于PDH技术的激光器数字锁频主控模块，其特征在于：腔后光斑图像信号通过灰度分布分析为单一光斑，首先计算光斑的最小外接矩形，通过最小外接矩形的长宽比进行不同模式分类，根据光斑最小外接矩形的长宽比、光斑形状分布和灰度值分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：王李金，马茹玉，梁新栋，李昊杰，汪国庆，贾建军，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：