一种基于谐振腔的激光器锁频方法与流程

本发明涉及一种基于谐振腔的激光器锁频方法，属于激光器锁屏及谐振式光学陀螺技术领域。

背景技术：

在目前的谐振式光学陀螺应用中，为实现载波抑制，在锁频过程中，主要的调制方式为频率小于谐振腔半高全宽的三角波或正弦波调制。随着谐振式光学陀螺方案设计及谐振腔加工工艺的改进，谐振腔半高全宽减小，同时意味着调制频率的减小。而过低的调制频率导致陀螺性能受到激光器频率噪声的影响，因此，同时具备载波抑制和高频调制特性的调制方案是提高谐振式光学陀螺输出精度的关键。

基于谐振腔的激光器锁频技术主要是利用谐振腔的色散特性，对光波进行远远大于谐振腔半高全宽频率的调制方法称为PDH方法。虽然此方法具有高频调制的特性，但是不具备载波抑制的优势。因此，为能将PDH方法应用与谐振式光纤陀螺，需要在原有基础上加以改进。

基于谐振腔的激光器锁频的原理是：选取外界的谐振腔做参考标准，比较激光器与谐振腔的谐振频率，得出偏离误差信号，通过伺服系统和执行机构调整激光器某一参数，使激光器频率锁定在标准频率，从而实现激光器高频率稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种新型激光器锁频方案，此方案同时具有载波抑制及高频调制的特征，以提高的现有谐振式光学陀螺的输出精度。该锁频方法适用于任何激光器。

本发明的一种基于谐振腔的激光器锁频方法，包括以下几个步骤：

步骤一：搭建实验装置；

锁频装置包括待锁频光源、电光调制器、双通道信号发生器、谐振腔、光电探测器、解调电路板、伺服反馈系统；

步骤二：光路高频调制；

利用高频正弦波，通过电光调制器对光波进行调制，高频正弦波为：至少高于谐振腔共振峰半高全宽两倍的频率的正弦波，之后光波入射谐振腔进行多光束干涉；

步骤三：二次谐波解调；

将已经通过光路调制及谐振腔的光波信号通过具有解调功能的电路板提取出幅值信号，二次谐波解调是指：采用步骤二中高频正弦波频率两倍的正弦波进行解调，同时，两者之间的相位应当匹配；

步骤四：伺服反馈控制；

将步骤三中解调的信号通过比例-积分控制或比例-积分-微分控制系统反馈给待锁频激光器；

步骤五：激光锁频；

调节待锁屏激光器的驱动电流或温度，改变输出频率的参数，最终实现锁屏。

本发明的优点在于：

(1)本发明使调制频率不在受到谐振腔半高全宽的限制，避免了激光器低频噪声对锁频精度的影响。

(2)本发明锁频方法在保证高调制频率情况下，同时实现了载波抑制，减小了谐振腔中的背散噪声。

(3)本发明将调制后的光波信号通过准直器透镜组合或光纤耦合器耦合进入谐振腔进行多光束干涉，得到与激光器频率波动相关的强度信号。

(4)本发明将上步调制信号通过光电探测器转化为电信号，通过相关解调电路进行解调。参考信号选择频率为调制信号2倍，即利用二次谐波进行解调。

附图说明

图1是本发明提供的激光器锁频方法的流程图；

图2是发明测试系统结构示意图；

图3是发明中可获得的调制信号图；

图4是发明中可获得的解调信号图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于谐振腔的激光器锁频方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：搭建实验装置；

锁频装置包括待锁频光源(激光器)、电光调制器(EOM)、双通道信号发生器、谐振腔、光电探测器、解调电路板、示波器、伺服反馈系统；

待锁频光源输出光通过光纤光路或空间光路，将输出光的全部或一部分输入电光调制器，再将电光调制器连接双通道信号发生器，该发生器的一个通道输出调制波信号，并通过高频线缆与电光调制器连接，从而实现对光波的调制。调制后的光波输出后，入射到谐振腔里，经过谐振腔调制后，在由光电探测器转换为电信号，输入到解调电路板，并利用信号发生器的另一路信号进行解调后，通过伺服反馈系统反馈到待锁屏激光器，实现激光器锁屏。

信号发生器与光电探测器带宽应远远大于调制信号频率；

谐振腔通过模式匹配维持仅基膜工作状态；

示波器用于观察调制及解调后信号变化。

使用光电探测器将谐振腔出射信号转换为电信号，进行信号相关解调。解调过程中使用的参考信号应为调制信号的二次谐波，且两者相位相同。

将解调后的信号通过伺服控制系统反馈于激光器，实现锁频。

步骤二：光路高频调制；

即利用高频正弦波，通过电光调制器对光波进行调制。通过EOM实现光波调制，这里的高频正弦波是指至少高于所使用的谐振腔共振峰半高全宽两倍的频率的正弦波。调制深度为2.4048，之后光波入射谐振腔进行多光束干涉。

步骤三：二次谐波解调；

本步骤是将已经通过光路调制及谐振腔的光波信号通过具有解调功能的电路板提取出幅值信号。二次谐波解调是指通过恰好是步骤二中使用的高频正弦波频率两倍的正弦波进行解调，同时，两者之间的相位应当匹配。

步骤四：伺服反馈控制；

伺服反馈系统的作用是将步骤三中解调的信号通过比例-积分控制或比例-积分-微分控制系统反馈给待锁频激光器。

步骤五：激光锁频；

调节待锁屏激光器的驱动电流或温度等可以改变输出频率的参数，最终实现锁屏。

本发明提供激光器锁频的方法，流程图如图1所示，所采用的锁频装置如图2所示，结合图1和图2说明本发明的方法。

本发明方法适用于半高全宽小于10MHz的参考谐振腔，被锁屏光源的类型及波长不限。

本发明实施例以1550nm DFB分布反馈式光纤激光器锁频进行说明，本激光器可外接电压进行波长调节或工作温度调节实现频率改变；参考谐振腔采用共焦型F-P腔，其自由谱宽范围约1.5GHz，半高全宽7.5MHz。

如图2所示，锁频装置包括DFB光纤激光器、EOM、信号发生器、谐振腔及其模式匹配光路元件、高带宽光电探测器、信号解调单元及伺服控制系统及示波器。

打开待锁频光源，运行一段时间以达到稳定状态。

整个锁频系统光路部分应放置在光学平台上，可对谐振腔进行隔热隔震处理，以提高锁频精度。光路可用空间光路或光纤光路进行连接。

激光器输出光波入射至EOM,其频率响应带宽应远远大于参考谐振腔半高全宽。用信号发生器在EOM上加高频正弦波调制，调制深度为2.4048，实现载波抑制；调制频率远远大于FP腔半高全宽，实现高频调制，此处选择50MHz。

本发明实施例中使用光纤谐振腔，则可直接利用光纤熔接完成光路搭建。若实验中使用空间光路谐振腔，则可通过透镜与准直器使谐振腔实现最佳模式匹配，三者位置关系利用微调架精确调整。

谐振腔后应接入光电探测器，其相应带宽应大于信号调制频率。利用相关解调技术对探测器输出信号进行解调。解调电路中应加入适当放大器，使输出信号与后级伺服控制系统匹配。本发明中解调方案为二次谐波解调，即解调频率为调制频率的二倍。实例中采用100MHz频率进行解调。解调信号应与调制信号同相位。调制信号如图3所示，在解调电路中频口可观测到图4所解调信号曲线。