一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置，属于精密光谱测量技术中的光源调控领域。本发明专利技术包括参考光源稳频模块、激光拍频扫频模块、探测光功率稳定模块。参考光源稳频模块将窄线宽激光器输出的参考光锁定到气室中的原子吸收峰上，作为扫频过程中的参考标准频率；激光拍频扫频模块通过探测光与参考光拍频的方式并施加反馈控制实现探测光频率稳定，通过分段扫描以及调控两束光拍频值实现探测光扫频功能；探测光功率稳定模块提取部分探测光用于功率稳定。本发明专利技术通过参考光源稳频模块、激光拍频扫频模块、探测光功率稳定模块三个模块的协同完成扫频范围和间隔精确可控的扫频过程，并且保证扫频过程中频率和功率的同步稳定。功率的同步稳定。功率的同步稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置


[0001]本专利技术属于精密光谱测量技术中的光源调控领域，涉及光学原子钟、气体浓度测量、多普勒展宽测温等领域，具体涉及一种应用于原子吸收谱的精密测量的碱金属原子吸收谱扫频装置。

技术介绍

[0002]原子与激光相互作用包含丰富的物理信息，在一定范围内调谐激光可以获得原子吸收谱，对吸收谱进行解析后可实现多方面应用，包括原子钟，气体浓度测量，多普勒测温等。在所述应用中，激光频率的调谐即扫频是实现精密光谱测量的必要环节，例如在多普勒展宽测温过程中，其扫频过程中需要保持每个探测频率点下的激光频率和功率稳定，并且要保证在扫频过程中相邻两个频率点的间隔即扫频间隔是相等的，扫频过程中的频率和功率不稳定性，以及扫频间隔的未知性会对多普勒展宽温度测量精度产生重要影响。
[0003]目前激光的扫频通过以下几种方式来实现。第一，直接电流调谐，通过对激光器直接注入电流实现激光器有源区载流子浓度的控制进而实现输出光频的偏移。该方法简单且响应时间快，无调模可调谐范围达几十GHz。但初始及结束扫描点频率和扫频间隔是未知的，该方法是很多扫频方法的基础。第二，温度调谐，温度变化同样会使激光器有源区载流子浓度产生光频移动，温度调谐范围更大可达几百GHz，但响应时间慢，同样无法实现频率及扫频间隔的精确控制。第三、利用电光调制器进行控制，构建基于马赫曾德干涉仪的光路结构并通过改变射频源的输入频率实现光学频率转移。该方法对器件的精度和稳定性要求较高。第四，基于外部参考源进行扫频，通常将光学频率梳和FP腔作为标准参考源，通过参考源和探测光源的拍频的方式，实现探测光的扫频。该方法可实现扫频过程中的光频具有很高的稳定性并且可精确扫频间隔。
[0004]相比较以上几种方法，利用外部参考源具有诸多优点，可精确控制扫频光源。但常用的外部参考源例如光学频率梳、FP腔、波长计等仪器通常体积较大，使用复杂，耗费较高，很难实现光路集成化，限制了其在激光扫频领域中的发展与应用。FP腔基于干涉的原理产生多个透射峰，基于FP腔的扫频方法将参考光锁定到某一个特征峰上，然后通过参考光与探测光的拍频差值实现扫频。基于光频梳的扫频方法，将探测光与光梳进行拍频，通过锁定探测光与两根梳齿的频差实现光学扫频。气室中的碱金属原子吸收峰为某一特征频率可以作为参考频率，本专利技术将气室外作为外部参考源实现光学扫频，更有利于系统集成。

技术实现思路

[0005]针对扫频光源参数精确调控以及光路集成化问题，本专利技术主要目的是提供一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置，能够实现精确可控激光扫频功能，并且能够保证扫频过程中单频率测试点的频率和功率的同步稳定。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现。
[0007]本专利技术公开的一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置，包括参考光源
稳频模块、激光拍频扫频模块、探测光功率稳定模块。
[0008]参考光源稳频模块，包括参考光源激光器、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、分光片、气室、分光片、反射镜、反射镜、光电探测器、混频器、相位调节器、低通滤波器、PI控制器、加法器、相位调节器、信号发生器、三角波扫频器。
[0009]将参考光锁定到气室中原子的吸收峰上，从而实现参考光的频率稳定；由三角波扫频器产生的三角波与信号发生器产生的调制信号叠加到参考光源激光器上，其输出光通过光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、反射透射光的分光片后，光路分为两路；其中一路光照射到光电探测器上，输出信号与信号发生器产生的调制信号后通过混频器进行混频，再经低通滤波器对激光进行解调，解调后的电学信号输入到PI控制器产生反馈信号、通过反馈控制将参考光锁定到碱金属原子吸收峰上，实现参考光源的频率稳定。作为优选，分光片的反射透射光比为3：7。
[0010]激光拍频扫频模块，包括探测光源激光器、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、稳频参考光、反射镜、合束棱镜、格兰泰勒棱镜、透镜、高速探测器、滤波放大电路、分频器、信号整形、数字测频单元、上位机、高精密电压源。
[0011]探测光源激光器输出的探测光通过光隔离器、半波片、偏振分光棱镜后分成两束，其中一束与参考光源通过合束棱镜进行合束，合束光经过格兰泰勒棱镜、透镜后照射到探测器上实现探测光与参考光的拍频；从光电探测器出来的拍频信号经过信号处理，包括滤波整形电路、分频器、信号整形，变为方波信号被数字测频单元测量，并将测量得到拍频信号传递给上位机；上位机Labview程序中包含数字PID模块，将预设值以及实际测量得到的拍频值输入到数字PID模块中得出反馈电压，通过程序控制高精密电压源输出电压控制探测光频的移动与稳定。
[0012]为实现与气室成分相同的原子或分子传感等应用，需要进行扫频以产生吸收谱；基于参考光路的气室吸收峰作为参考实现扫频过程，但由于参考源吸收峰位于探测光待测试谱线中，扫频过程中的拍频信号并不能体现探测光与参考光的相对位置，这是实现扫频的一个难点；对于DBR半导体激光器，注入电流增大，输出光频红移，注入电流减小，输出光频左移；设计外部加法器电路即外部调制电压电路，使外部调制电压与DBR激光器注入电流相映射，也就是增大电压调制端口电压注入电流增大，此时光频移减小；相反，减小电压调制端口电压光频蓝移；根据此原理通过分段扫频确定参考光与探测光的相对位置，即将扫频范围分为低于参考频率、等于参考频率、高于参考频率三段；扫频过程实现如下。
[0013]所述扫频功能的实现方法包括如下述步骤：
[0014]步骤1：上位机Labview程序根据设置的扫频范围和扫频间隔生成扫频数组，并将扫频数组分成低频数组、参考频率、高频数组；
[0015]步骤2：将探测光源激光器输出的激光锁定参考光上，此时拍频值为零，获取稳定时的反馈电压值；
[0016]步骤3：低频率段扫频；首先将步骤2获取的反馈电压值设置为上位机Labview程序中数字PID模块的输出电压下限；其次，将低频数组中的第一个数值与拍频值进行比较，并通过上位机Labview程序中的数字PID模块、高精密电压源，通过反馈控制实现拍频值的稳定，即完成低频数组中第一个点稳频；随后，数字PID模块的输出电压下限不变，依次按照低频数组中顺序，通过重复相同的反馈控制实现低频数组中每个点稳频直到完成低频数组中
最后一个点，最终实现低频段扫频；
[0017]步骤4：参考频率点稳定；将探测光源锁定到参考光上，即拍频为零，记录稳定时的反馈电压值，并作为高频扫描段的数字PID模块输出上限；
[0018]步骤5：高频率段扫频与步骤3低频率段扫频一样，只是将步骤4获取的反馈电压值设置为上位机Labview程序中数字PID模块的输出电压上限；通过上位机数字PID模块与硬件模块进行反馈控制依次实现高频数组中第一个至最后一个点的稳频，实现高频率段扫频；
[0019]将所述低于参考频率、等于参考频率、高于参考频率三段过程拼接起来，实现覆盖碱金属原子吸收谱的扫频功能，并能够保证单测量点的频率稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现激光扫频过程中频率和功率同步稳定装置，其特征在于：包括参考光源稳频模块(1)、激光拍频扫频模块(2)、探测光功率稳定模块(3)；参考光源稳频模块(1)，包括参考光源激光器(100)、光隔离器(101)、半波片(102)、偏振分光棱镜(103)、分光片(104)、气室(105)、分光片(106)、反射镜(107)、反射镜(108)、光电探测器(109)、混频器(110)、相位调节器(111)、低通滤波器(112)、PI控制器(113)、加法器(114)、信号发生器(115)三角波扫频器(116)；将参考光锁定到气室中原子的吸收峰上，从而实现参考光的频率稳定；由三角波扫频器(116)产生的三角波与信号发生器(115)产生的调制信号叠加到参考光源激光器上(100)，其输出光通过光隔离器(101)、半波片(102)、偏振分光棱镜(103)、反射透射光的分光片(104)后，光路分为两路；其中一路光照射到光电探测器上(109)，输出信号与信号发生器(115)产生的调制信号经过相位调节器(111)通过混频器(110)进行混频，再经低通滤波器(112)对激光进行解调，解调后的电学信号输入到PI控制器(113)产生反馈信号、通过反馈控制将参考光锁定到碱金属原子吸收峰上，实现参考光源的频率稳定；激光拍频扫频模块(2)，包括探测光源激光器(200)、光隔离器(201)、半波片(202)、偏振分光棱镜(203)、稳频参考光(204)、反射镜(205)、合束棱镜(206)、格兰泰勒棱镜(207)、透镜(208)、高速探测器(209)、滤波放大电路(210)、分频器(211)、信号整形(212)、数字测频单元(213)、上位机(214)、高精密电压源(215)；探测光源激光器(200)输出的探测光通过光隔离器(201)、半波片(202)、偏振分光棱镜(203)后分成两束，其中一束与参考光源(204)通过合束棱镜(206)进行合束，合束光经过格兰泰勒棱镜(207)、透镜(208)后照射到探测器(209)上实现探测光与参考光的拍频；从光电探测器(209)出来的拍频信号经过信号处理，包括滤波整形电路(210)、分频器(211)、信号整形(212)，变为方波信号被数字测频单元(213)测量，并将测量得到拍频信号传递给上位机(214)；上位机(214)Labview程序中包含数字PID模块，将预设值以及实际测量得到的拍频值输入到数字PID模块中得出反馈电压，通过上位机(214)Labview程序控制高精密电压源(215)输出电压控制探测光频的移动与稳定；基于参考光路的气室吸收峰作为参考实现扫频过程，但由于参考源吸收峰位于探测光待测试谱线中，扫频过程中的拍频信号并不能体现探测光与参考光的相对位置；对于DBR半导体激光器，注入电流增大，输出光频减小，注入电流减小，输出光频增大；通过外部加法器电路即外部调制电压电路，使外部调制电压与DBR激光器注入电流相映射，也即增大电压调制端口电压注入电流增大，光频红移；相反，减小电压调制端口电压，光频蓝移；根据此原理可以确定参考光与探测光的相对位置，通过分段实现扫频过程，即低于参考频率段扫频、等于参考频率点、高于参考频率段扫频。探测光功率稳定模块(3)，包括透镜(301)、透镜(302)、声光调制器(303)、偏振分光棱镜(304)、光电探测器(305)、PI控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小宽，李维，李昱东，刘雅丽，冯梁森，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：