一種基于諧振腔的激光器鎖頻方法與流程

本發(fā)明涉及一種基于諧振腔的激光器鎖頻方法，屬于激光器鎖屏及諧振式光學(xué)陀螺技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在目前的諧振式光學(xué)陀螺應(yīng)用中，為實現(xiàn)載波抑制，在鎖頻過程中，主要的調(diào)制方式為頻率小于諧振腔半高全寬的三角波或正弦波調(diào)制。隨著諧振式光學(xué)陀螺方案設(shè)計及諧振腔加工工藝的改進，諧振腔半高全寬減小，同時意味著調(diào)制頻率的減小。而過低的調(diào)制頻率導(dǎo)致陀螺性能受到激光器頻率噪聲的影響，因此，同時具備載波抑制和高頻調(diào)制特性的調(diào)制方案是提高諧振式光學(xué)陀螺輸出精度的關(guān)鍵。

基于諧振腔的激光器鎖頻技術(shù)主要是利用諧振腔的色散特性，對光波進行遠遠大于諧振腔半高全寬頻率的調(diào)制方法稱為PDH方法。雖然此方法具有高頻調(diào)制的特性，但是不具備載波抑制的優(yōu)勢。因此，為能將PDH方法應(yīng)用與諧振式光纖陀螺，需要在原有基礎(chǔ)上加以改進。

基于諧振腔的激光器鎖頻的原理是：選取外界的諧振腔做參考標準，比較激光器與諧振腔的諧振頻率，得出偏離誤差信號，通過伺服系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整激光器某一參數(shù)，使激光器頻率鎖定在標準頻率，從而實現(xiàn)激光器高頻率穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種新型激光器鎖頻方案，此方案同時具有載波抑制及高頻調(diào)制的特征，以提高的現(xiàn)有諧振式光學(xué)陀螺的輸出精度。該鎖頻方法適用于任何激光器。

本發(fā)明的一種基于諧振腔的激光器鎖頻方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：搭建實驗裝置；

鎖頻裝置包括待鎖頻光源、電光調(diào)制器、雙通道信號發(fā)生器、諧振腔、光電探測器、解調(diào)電路板、伺服反饋系統(tǒng)；

步驟二：光路高頻調(diào)制；

利用高頻正弦波，通過電光調(diào)制器對光波進行調(diào)制，高頻正弦波為：至少高于諧振腔共振峰半高全寬兩倍的頻率的正弦波，之后光波入射諧振腔進行多光束干涉；

步驟三：二次諧波解調(diào)；

將已經(jīng)通過光路調(diào)制及諧振腔的光波信號通過具有解調(diào)功能的電路板提取出幅值信號，二次諧波解調(diào)是指：采用步驟二中高頻正弦波頻率兩倍的正弦波進行解調(diào)，同時，兩者之間的相位應(yīng)當匹配；

步驟四：伺服反饋控制；

將步驟三中解調(diào)的信號通過比例-積分控制或比例-積分-微分控制系統(tǒng)反饋給待鎖頻激光器；

步驟五：激光鎖頻；

調(diào)節(jié)待鎖屏激光器的驅(qū)動電流或溫度，改變輸出頻率的參數(shù)，最終實現(xiàn)鎖屏。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明使調(diào)制頻率不在受到諧振腔半高全寬的限制，避免了激光器低頻噪聲對鎖頻精度的影響。

(2)本發(fā)明鎖頻方法在保證高調(diào)制頻率情況下，同時實現(xiàn)了載波抑制，減小了諧振腔中的背散噪聲。

(3)本發(fā)明將調(diào)制后的光波信號通過準直器透鏡組合或光纖耦合器耦合進入諧振腔進行多光束干涉，得到與激光器頻率波動相關(guān)的強度信號。

(4)本發(fā)明將上步調(diào)制信號通過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，通過相關(guān)解調(diào)電路進行解調(diào)。參考信號選擇頻率為調(diào)制信號2倍，即利用二次諧波進行解調(diào)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的激光器鎖頻方法的流程圖；

圖2是發(fā)明測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是發(fā)明中可獲得的調(diào)制信號圖；

圖4是發(fā)明中可獲得的解調(diào)信號圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明是一種基于諧振腔的激光器鎖頻方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟：

步驟一：搭建實驗裝置；

鎖頻裝置包括待鎖頻光源(激光器)、電光調(diào)制器(EOM)、雙通道信號發(fā)生器、諧振腔、光電探測器、解調(diào)電路板、示波器、伺服反饋系統(tǒng)；

待鎖頻光源輸出光通過光纖光路或空間光路，將輸出光的全部或一部分輸入電光調(diào)制器，再將電光調(diào)制器連接雙通道信號發(fā)生器，該發(fā)生器的一個通道輸出調(diào)制波信號，并通過高頻線纜與電光調(diào)制器連接，從而實現(xiàn)對光波的調(diào)制。調(diào)制后的光波輸出后，入射到諧振腔里，經(jīng)過諧振腔調(diào)制后，在由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到解調(diào)電路板，并利用信號發(fā)生器的另一路信號進行解調(diào)后，通過伺服反饋系統(tǒng)反饋到待鎖屏激光器，實現(xiàn)激光器鎖屏。

信號發(fā)生器與光電探測器帶寬應(yīng)遠遠大于調(diào)制信號頻率；

諧振腔通過模式匹配維持僅基膜工作狀態(tài)；

示波器用于觀察調(diào)制及解調(diào)后信號變化。

使用光電探測器將諧振腔出射信號轉(zhuǎn)換為電信號，進行信號相關(guān)解調(diào)。解調(diào)過程中使用的參考信號應(yīng)為調(diào)制信號的二次諧波，且兩者相位相同。

將解調(diào)后的信號通過伺服控制系統(tǒng)反饋于激光器，實現(xiàn)鎖頻。

步驟二：光路高頻調(diào)制；

即利用高頻正弦波，通過電光調(diào)制器對光波進行調(diào)制。通過EOM實現(xiàn)光波調(diào)制，這里的高頻正弦波是指至少高于所使用的諧振腔共振峰半高全寬兩倍的頻率的正弦波。調(diào)制深度為2.4048，之后光波入射諧振腔進行多光束干涉。

步驟三：二次諧波解調(diào)；

本步驟是將已經(jīng)通過光路調(diào)制及諧振腔的光波信號通過具有解調(diào)功能的電路板提取出幅值信號。二次諧波解調(diào)是指通過恰好是步驟二中使用的高頻正弦波頻率兩倍的正弦波進行解調(diào)，同時，兩者之間的相位應(yīng)當匹配。

步驟四：伺服反饋控制；

伺服反饋系統(tǒng)的作用是將步驟三中解調(diào)的信號通過比例-積分控制或比例-積分-微分控制系統(tǒng)反饋給待鎖頻激光器。

步驟五：激光鎖頻；

調(diào)節(jié)待鎖屏激光器的驅(qū)動電流或溫度等可以改變輸出頻率的參數(shù)，最終實現(xiàn)鎖屏。

本發(fā)明提供激光器鎖頻的方法，流程圖如圖1所示，所采用的鎖頻裝置如圖2所示，結(jié)合圖1和圖2說明本發(fā)明的方法。

本發(fā)明方法適用于半高全寬小于10MHz的參考諧振腔，被鎖屏光源的類型及波長不限。

本發(fā)明實施例以1550nm DFB分布反饋式光纖激光器鎖頻進行說明，本激光器可外接電壓進行波長調(diào)節(jié)或工作溫度調(diào)節(jié)實現(xiàn)頻率改變；參考諧振腔采用共焦型F-P腔，其自由譜寬范圍約1.5GHz，半高全寬7.5MHz。

如圖2所示，鎖頻裝置包括DFB光纖激光器、EOM、信號發(fā)生器、諧振腔及其模式匹配光路元件、高帶寬光電探測器、信號解調(diào)單元及伺服控制系統(tǒng)及示波器。

打開待鎖頻光源，運行一段時間以達到穩(wěn)定狀態(tài)。

整個鎖頻系統(tǒng)光路部分應(yīng)放置在光學(xué)平臺上，可對諧振腔進行隔熱隔震處理，以提高鎖頻精度。光路可用空間光路或光纖光路進行連接。

激光器輸出光波入射至EOM,其頻率響應(yīng)帶寬應(yīng)遠遠大于參考諧振腔半高全寬。用信號發(fā)生器在EOM上加高頻正弦波調(diào)制，調(diào)制深度為2.4048，實現(xiàn)載波抑制；調(diào)制頻率遠遠大于FP腔半高全寬，實現(xiàn)高頻調(diào)制，此處選擇50MHz。

本發(fā)明實施例中使用光纖諧振腔，則可直接利用光纖熔接完成光路搭建。若實驗中使用空間光路諧振腔，則可通過透鏡與準直器使諧振腔實現(xiàn)最佳模式匹配，三者位置關(guān)系利用微調(diào)架精確調(diào)整。

諧振腔后應(yīng)接入光電探測器，其相應(yīng)帶寬應(yīng)大于信號調(diào)制頻率。利用相關(guān)解調(diào)技術(shù)對探測器輸出信號進行解調(diào)。解調(diào)電路中應(yīng)加入適當放大器，使輸出信號與后級伺服控制系統(tǒng)匹配。本發(fā)明中解調(diào)方案為二次諧波解調(diào)，即解調(diào)頻率為調(diào)制頻率的二倍。實例中采用100MHz頻率進行解調(diào)。解調(diào)信號應(yīng)與調(diào)制信號同相位。調(diào)制信號如圖3所示，在解調(diào)電路中頻口可觀測到圖4所解調(diào)信號曲線。