本发明涉及微波光子学领域中的一种锁模激光器锁相技术，尤其涉及一种基于双微波鉴相器的激光脉冲串激光锁相装置及方法。
背景技术：
探索并揭示物质在原子、分子尺度上的微观结构变化过程对生物、化学、材料、环境、医学等众多学科的发展具有非常重要的意义，实现这一目标需要探测设备具有亚纳米级的空间分辨率和亚飞秒量级的时间分辨率。基于x射线光的泵浦-探针用户实验可以以飞秒量级的时间分辨率观测原子尺度的微观现象，因此已经成为一种常用的探测手段。
目前，基于x射线光的泵浦-探针用户实验的时间分辨率主要受限于泵浦激光脉冲与加速器产生的x射线探测脉冲之间的时间抖动，这个时间抖动主要来源于驱动激光与种子/泵浦激光之间的时间抖动，以及激光与驱动电子束团加速结构的微波信号之间的时间抖动，因此飞秒量级的激光与微波同步，尤其是具有飞秒量级短脉冲、高脉冲能量的钛宝石激光器与吉赫兹微波信号的高精度同步对飞秒时间分辨率的泵浦-探针实验至关重要。
激光器与微波同步是通过控制激光器的谐振腔腔长调节端口，将激光脉冲串的重复频率和相位锁定在高稳定性低相噪的微波参考源上实现的。在锁定带宽以内，激光脉冲串具有和微波参考源相同的相位噪声特性，激光器自身的时间抖动得以降低，从而实现激光器与微波的高精度同步。激光锁相技术的工作原理是，由鉴相器获取待锁定激光器与微波参考源之间的相位差，该相位差信号经过处理后反馈至激光器，用以调节激光器的谐振腔腔长，从而改变脉冲激光的重复频率，直至激光脉冲串锁定在微波参考源上。
目前，根据所使用鉴相器的类别，激光锁相技术可以分为三种：
第一种基于光-微波平衡鉴相器，该鉴相器由萨格奈克光纤环、微波信号驱动的光相位调制器、平衡光探测器和其它光学器件构成，这种技术方案可以实现十飞秒以下的激光与微波同步精度，但是该鉴相器易受光脉冲展宽效应和光功率失衡效应的影响，前者会抬高光-微波平衡鉴相器的噪声基底，后者则会造成鉴相器工作点的不稳定，而且构成光-微波平衡鉴相器的光学器件需要精密调节，不具备灵活性；
第二种基于光-光鉴相器，该鉴相器由以bbo晶体或ppktp晶体为核心的多个光学器件构成，可以将两束光脉冲在时间轴上的重合度转变为电信号，因此可以达到至少光脉冲尺度的鉴相精度，但是基于光-光鉴相器的技术方案需要先把激光器锁定在一个光脉冲参考信号上，再从该光脉冲参考信号中提取出吉赫兹微波信号，以间接实现激光器与微波的高精度同步，此外，光-光鉴相器要求两束光脉冲在时间轴上重合，因此还需要一个额外的电学锁相环，先将两束光脉冲粗锁相，再调节其中一束光脉冲的相位，直到两束光脉冲能在时间轴上重合，技术方案较为复杂，而且构成光-光鉴相器的光路为自由空间光路，光路调节难度较大；
第三种基于微波鉴相器，该鉴相器为微波混频器，结构简单，但这种技术方案通常只是将激光脉冲串锁定在单一频率的微波参考源上，而在用于产生x射线探测脉冲的外种子型自由电子激光装置中，还要求种子激光与电子束团始终具有相同的纵向位置，即激光器既要锁定在驱动电子束团加速结构的微波信号上，也要锁定在与激光器出射的激光脉冲串重复频率同频的一基波参考信号上，且两种锁相模式间可切换。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种可灵活切换锁相模式、同步精度高、噪声低且运行稳定的激光锁相装置及方法，以实现锁模激光器的激光脉冲串与外部微波参考源间的飞秒量级同步。
本发明之一所述的一种激光锁相装置，其包括：
一具有腔镜pzt控制端口和腔镜马达控制端口的锁模激光器；
一与所述锁模激光器连接的电信号提取单元，其将所述锁模激光器出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取所述电信号中的基波信号和谐波信号；
一与所述电信号提取单元连接的基波鉴相单元，其将所述基波信号与一外部的微波参考源提供的基波参考信号混频，并生成一基波相差信号；
一与所述电信号提取单元连接的谐波鉴相单元，其将所述谐波信号与所述微波参考源提供的谐波参考信号混频，并生成一谐波相差信号；
一环路控制单元，其通过第一切换开关与所述基波鉴相单元连接，并通过第二切换开关与所述谐波鉴相单元连接，该环路控制单元对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行信号处理，并向所述锁模激光器的所述腔镜pzt控制端口输出反馈调节信号，以调节所述锁模激光器的谐振腔的腔长，从而调节所述激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与所述微波参考源同步；以及
一连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器之间的环外数字监控单元，其在所述锁模激光器锁相后将所述环路控制单元提供的一pzt驱动电压监测信号与一预设的阈值比较，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，其中，
所述数字监控模块包括：一fpga开发板，其包括：
一低速adc转换器，其接收并将所述pzt驱动电压监测信号数字化；以及
一与所述低速adc转换器连接的fpga主控制器，其在所述锁模激光器锁相后将经数字化的所述pzt驱动电压监测信号与所述阈值比较，当其超过该阈值时，通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号。
优选的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接，一方面检测所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动，另一方面接收并根据所述pzt驱动电压监测信号、所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，监控所述激光锁相装置的环路状态。
进一步优选的，在上述激光锁相装置中，所述环外数字监控单元包括：依次连接在所述环路控制单元与所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口之间的一数字监控模块以及一马达控制器，以及与所述数字监控模块连接的计算机，其中，所述数字监控模块还与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接。
又进一步优选的，在上述激光锁相装置中，所述数字监控模块包括：一与所述电信号提取单元以及所述基波鉴相单元连接的高速adc转换器以及一与该高速adc转换器连接的fpga开发板，其中，
所述高速adc转换器配置为：接收并将所述基波信号和所述基波参考信号数字化；
所述fpga开发板包括：
一低速adc转换器，其接收并将所述pzt驱动电压监测信号数字化；以及
一与所述低速adc转换器以及所述高速adc转换器连接的fpga主控制器，其一方面对经数字化的所述基波信号和所述基波参考信号进行数字信号处理以获得所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，并在所述锁模激光器锁相前判断该频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，若超过，则通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号，一方面在所述锁模激光器锁相后将经数字化的所述pzt驱动电压监测信号与所述阈值比较，当其超过该阈值时，通过一串口控制芯片向所述马达控制器输出一运动指令，以使所述马达控制器根据该运动指令向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出所述控制信号，另一方面通过一以太网控制芯片向所述计算机输出经数字化的所述pzt驱动电压监测信号、所述基波信号和所述基波参考信号之间的相位差和频率差，以使所述计算机监控所述激光锁相装置的环路状态。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述环路控制单元包括：依次连接的一环路电子学模块和一pzt驱动器，其中，
所述第一切换开关和第二切换开关的输出端相连至所述环路电子学模块的输入端，且所述环路电子学模块配置为：对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行可调增益放大、加可调直流偏置、滤波和限幅处理，并向所述pzt驱动器输出相应的一处理信号；
所述pzt驱动器的输出端连接至所述锁模激光器的所述腔镜pzt控制端口，且所述pzt驱动器配置为：一方面对所述处理信号进行放大并加等同于一腔镜pzt中心工作电压的直流偏置后，向所述锁模激光器的所述腔镜pzt控制端口输出所述反馈调节信号，另一方面向所述环外数字监控单元提供所述pzt驱动电压监测信号。
又进一步的，在上述激光锁相装置中，所述环路电子学模块包括：依次连接在所述第一切换开关和第二切换开关的输出端与所述pzt驱动器之间的一增益可调电路、一直流偏置电路、一有源pi滤波电路和一双向限幅电路，以及一与所述直流偏置电路连接的可调电压源电路。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述电信号提取单元包括：与所述锁模激光器依次连接的分束器、光电探测器和第一微波功分器、依次连接在所述第一微波功分器的第一输出端口与所述基波鉴相单元之间的第一带通滤波器、第一低噪放大器和第二微波功分器，以及依次连接在所述第一微波功分器的第二输出端口与所述谐波鉴相单元之间的第二带通滤波器、第二低噪放大器和第三微波功分器，其中，所述第一带通滤波器工作在基波频率，该基波频率为所述激光脉冲串的重复频率，所述第二带通滤波器工作在谐波频率，该谐波频率为所述激光脉冲串的重复频率的整数n倍。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述基波鉴相单元包括：依次连接在所述电信号提取单元与所述微波参考源之间的第一微波混频器和第四微波功分器，其中，所述第一微波混频器的输出端与所述第一切换开关连接。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述谐波鉴相单元包括：依次连接在所述电信号提取单元与所述微波参考源之间的第二微波混频器和微波移相器，其中，所述第二微波混频器的输出端与所述第二切换开关连接，所述微波移相器的移相范围大于所述谐波参考信号的周期。
进一步的，在上述激光锁相装置中，所述第一切换开关和第二切换开关均为模拟开关。
本发明之二所述的一种激光锁相方法，其包括以下步骤：
步骤s0，提供如上所述的激光锁相装置；
步骤s1，利用电信号提取单元将锁模激光器出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取所述电信号中的基波信号和谐波信号；
步骤s2，利用基波鉴相单元将所述基波信号与外部的微波参考源提供的基波参考信号混频，以生成基波相差信号，并利用谐波鉴相单元将所述谐波信号与所述微波参考源提供的谐波参考信号混频，以生成谐波相差信号；
步骤s3，通过第一切换开关和/或第二切换开关的开启，利用环路控制单元选择对所述基波相差信号和/或所述谐波相差信号进行信号处理，并向所述锁模激光器的腔镜pzt控制端口输出反馈调节信号，以调节所述锁模激光器的谐振腔的腔长，从而调节所述激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与所述微波参考源同步，其中，当开启所述第一切换开关时，所述锁模激光器锁定在所述基波参考信号上，当开启所述第二切换开关时，所述锁模激光器锁定在所述谐波参考信号上，当同时开启所述第一切换开关和所述第二切换开关时，所述锁模激光器同时锁定在所述基波参考信号和所述谐波参考信号上；以及
步骤s4，在所述锁模激光器锁相后，利用环外数字监控单元将所述环路控制单元提供的pzt驱动电压监测信号与预设的阈值比较，并向所述锁模激光器的腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动，从而使所述pzt驱动电压监测信号不超过所述阈值。
进一步的，在上述激光锁相方法中，所述步骤s3还包括：先开启所述第一切换开关，使所述激光脉冲串锁定在所述基波参考信号上，并在此状态下调节所述环路控制单元中的可调电压源电路的输出电压，从而粗调所述激光脉冲串与所述基波参考信号之间的相对相位，再开启所述第二切换开关，使所述激光脉冲串同时锁定在所述基波参考信号和所述谐波参考信号上，最后关闭所述第一切换开关，使所述激光脉冲串锁定在所述谐波参考信号上，并在此状态下：一方面调节所述谐波鉴相单元中的微波移相器，从而在所述粗调的基础上精调所述激光脉冲串与所述基波参考信号之间的相对相位，另一方面调节所述环路控制单元中的增益可调电路的增益，从而调节环路带宽。
进一步的，在上述激光锁相方法中，所述方法还包括：在所述步骤s3之前执行步骤s5，该步骤s5包括：在所述锁模激光器锁相前，利用所述环外数字监控单元判断所述基波信号和所述基波参考信号的频率差是否超过所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，并向所述锁模激光器的所述腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制所述锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动，从而使所述频率差处于所述激光脉冲串的重复频率的预设调节范围内。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明在传统模拟锁相环基础上，采用双微波鉴相器结构，即同时采用基波鉴相单元和谐波鉴相单元，使所述锁模激光器在基波锁相状态和谐波锁相状态间灵活切换；同时，本发明通过采用环外数字监控单元，使锁模激光器可以长时间稳定运行而不会失锁；另外，本发明利用可调的环路电子学模块和微波移相器，可大范围高精度地连续调节锁模激光器与外部微波参考源、尤其是基波参考信号之间的相对相位，并且利用可调的环路电子学模块可连续在线地调节环路的锁定带宽以获取最优时间抖动。本发明具备显著的低噪声特性，同步精度可达数十飞秒量级，同时兼具高稳定性，适用于激光器需长期连续运行的工作场合。
附图说明
图1是本发明一种激光锁相装置的原理框图；
图2是本发明一种激光锁相装置的结构示意图；
图3是本发明一种激光锁相装置中环路电子学模块的结构示意图；
图4是本发明一种激光锁相装置中环外数字监控模块的结构示意图；
图5示出了采用本发明实现的锁模激光器与微波参考信号飞秒量级同步的实测结果。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
请参见附图1-4，本发明之一，即一种激光锁相装置，包括：锁模激光器1、电信号提取单元2、基波鉴相单元3、谐波鉴相单元4、第一切换开关5、第二切换开关6、环路控制单元7、环外数字监控单元8以及外部的微波参考源9，其中，第一切换开关5和第二切换开关6均为模拟开关。
锁模激光器1具有腔镜pzt(压电陶瓷)控制端口和腔镜马达控制端口。
电信号提取单元2与锁模激光器1连接，其用于将锁模激光器1出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取该电信号中的基波信号和谐波信号，该电信号提取单元2具体包括：与锁模激光器1依次连接的分束器21、光电探测器22和第一微波功分器23、依次连接在第一微波功分器23的第一输出端口与基波鉴相单元3之间的第一带通滤波器24、第一低噪放大器25和第二微波功分器26，以及依次连接在第一微波功分器23的第二输出端口与谐波鉴相单元4之间的第二带通滤波器27、第二低噪放大器28和第三微波功分器29。锁模激光器1出射的激光脉冲串经过分束器21，大部分透射输出至激光再生放大器(图中未示)，小部分反射至光电探测器22，最终转换为电信号输出，该电信号经第一微波功分器23分为两路，一路经第一带通滤波器24、第一低噪放大器25提取出基波信号，并经第二微波功分器26分为两路输出，另一路经第二带通滤波器27、第二低噪放大器28提取出谐波信号，并经第三微波功分器29分为两路输出，其中，第一带通滤波器24工作在基波频率，该基波频率为激光脉冲串的重复频率，第二带通滤波器27工作在谐波频率，该谐波频率为所述基波频率的整数n倍。
基波鉴相单元3与电信号提取单元2连接，其用于将基波信号与微波参考源9提供的基波参考信号混频，并生成基波相差信号，其具体包括：依次连接在第二微波功分器26与微波参考源9之间的第一微波混频器31和第四微波功分器32，其中，第一微波混频器31的输出端与第一切换开关5连接。
谐波鉴相单元4与电信号提取单元2连接，其用于将谐波信号与微波参考源9提供的谐波参考信号(该谐波参考信号与基波参考信号同源，且该谐波参考信号的频率为基波参考信号的频率的整数n倍)混频，并生成谐波相差信号，其具体包括：依次连接在第三微波功分器29与微波参考源9之间的第二微波混频器41和微波移相器42，其中，第二微波混频器41的输出端与第二切换开关6连接，且微波移相器42的移相范围大于谐波参考信号的周期。
环路控制单元7通过第一切换开关5与基波鉴相单元3连接，并通过第二切换开关6与所述谐波鉴相单元4连接，其具体包括：依次连接的环路电子学模块71和pzt驱动器72，其中：
第一切换开关5和第二切换开关6的输出端相连至环路电子学模块71的输入端，且该环路电子学模块71配置为：对基波相差信号和/或谐波相差信号进行可调增益放大、加可调直流偏置、滤波和限幅处理，并向pzt驱动器72输出相应的处理信号；该环路电子学模块71实质上是一个信号处理电路，其作为一个整体设计在一块印制电路板上，其具体包括：依次连接在第一切换开关5和第二切换开关6的输出端与pzt驱动器72之间的增益可调电路711、直流偏置电路712、有源pi滤波电路713和双向限幅电路714，以及与直流偏置电路712连接的可调电压源电路715，其中，增益可调电路711可包括固定增益放大器以及可调电阻分压电路，可调电压源电路715可包括线性稳压芯片以及可调电阻分压电路，上述可调电阻分压电路可包括串联连接的固定阻值电阻器以及可调阻值电阻器，直流偏置电路712为加法电路或减法电路，有源pi滤波电路713为一阶有源pi滤波电路或二阶有源pi滤波电路；
pzt驱动器72的输出端连接至锁模激光器1的腔镜pzt控制端口，且该pzt驱动器72配置为：一方面对处理信号进行放大并加等同于腔镜pzt中心工作电压的直流偏置后，向锁模激光器1的腔镜pzt控制端口输出反馈调节信号，从而快速调节锁模激光器1的谐振腔的腔长，以调节激光脉冲串的重复频率，即，激光脉冲串的基波频率(由于激光脉冲串的谐波频率与基波频率之间成倍数关系，因此相应的也调节了激光脉冲串的谐波频率)，直至该激光脉冲串与微波参考源9同步，即，激光脉冲串锁定在微波参考源9的微波参考信号(包括基波参考信号和谐波参考信号)上(这里的“锁定”是指相位上的锁定，且锁定后，激光脉冲串的基波频率和谐波频率分别与微波参考源9的基波参考频率和谐波参考频率一一对应地相同)，另一方面该pzt驱动器72向环外数字监控单元8提供pzt驱动电压监测信号(和pzt驱动电流监测信号)。
环外数字监控单元8连接在环路控制单元7与锁模激光器1之间，并且还与电信号提取单元2以及基波鉴相单元3连接，其具体包括：依次连接在pzt驱动器72与锁模激光器1的腔镜马达控制端口之间的数字监控模块81以及马达控制器82，以及与数字监控模块81连接的计算机83，其中：
数字监控模块81还与第二微波功分器26以及第四微波功分器32连接，其具体包括：与第二微波功分器26以及第四微波功分器32连接的高速adc转换器811以及与该高速adc转换器811连接的fpga开发板812，其中，
高速adc转换器811配置为：接收并将第二微波功分器26输出的基波信号和从第四微波功分器42输出的基波参考信号数字化；
fpga开发板812包括：
低速adc转换器8121，其接收并将上述pzt驱动电压监测信号数字化；以及
与低速adc转换器8121以及高速adc转换器811连接的fpga主控制器8122，其一方面在锁模激光器1锁相前对经数字化的基波信号和基波参考信号进行数字信号处理，并利用数字iq技术获得基波信号和基波参考信号之间的相位差和频率差，并判断该频率差是否超过激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，若超过，则通过串口控制芯片8123以及串口线缆向马达控制器82输出运动指令，以调节锁模激光器1的谐振腔内的腔镜马达，直到上述频率差回到激光脉冲串的重复频率调节范围，一方面在锁模激光器1锁相后将经数字化的pzt驱动电压监测信号与预设的阈值比较(该阈值的设置是为了使腔镜pzt始终工作在中心工作电压附近的一个设定范围内以避免腔镜pzt受损，本实施例中阈值电压的上下限分别设置为85v和55v)，当其超过该阈值时，通过串口控制芯片8123以及串口线缆向马达控制器82输出运动指令，缓慢调节锁模激光器1的谐振腔内的腔镜马达，使pzt驱动电压逐渐接近腔镜pzt的中心工作电压，从而保证锁模激光器1可以长时间稳定运行而不会失锁，另一方面通过以太网控制芯片8124以及rj45网线向计算机83输出经数字化的pzt驱动电压监测信号、基波信号和基波参考信号之间的相位差和频率差，以使计算机83监控激光锁相装置的环路状态，同时进行数据显示；
马达控制器82通过马达驱动线缆与锁模激光器1的腔镜马达控制端口连接，其配置为：根据上述运动指令向锁模激光器1的腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制锁模激光器1的谐振腔内的腔镜马达运动。
下面对上述激光锁相装置的工作原理，即本发明之二，一种激光锁相方法，进行详细说明。该方法包括以下步骤：
步骤s0，提供上述激光锁相装置；
步骤s1，利用电信号提取单元2将锁模激光器1出射的激光脉冲串转换为电信号，并提取该电信号中的基波信号和谐波信号；
步骤s2，利用基波鉴相单元3将基波信号与微波参考源9提供的基波参考信号混频，以生成基波相差信号，并利用谐波鉴相单元4将谐波信号与微波参考源9提供的谐波参考信号混频，以生成谐波相差信号；
步骤s3，通过第一切换开关5和/或第二切换开关6的开启，利用环路控制单元7选择对基波相差信号和/或谐波相差信号进行信号处理，并向锁模激光器1的腔镜pzt控制端口输出反馈调节信号，以调节锁模激光器1的谐振腔的腔长，从而调节激光脉冲串的重复频率，直至该激光脉冲串与微波参考源9同步，其中：当开启第一切换开关5时(此时，锁模激光器1处于基波锁相工作模式)，锁模激光器1锁定在基波参考信号上，即，激光脉冲串的基波频率与基波参考频率相同，其相位锁定在基波参考信号上；当开启第二切换开关6时(此时，锁模激光器1处于谐波锁相工作模式)，锁模激光器1锁定在谐波参考信号上，即，激光脉冲串的谐波频率与谐波参考频率相同，其相位锁定在谐波参考信号上；当同时开启第一切换开关5和第二切换开关6时(此时，锁模激光器1处于基波谐波锁相工作模式)，锁模激光器1同时锁定在基波参考信号和谐波参考信号上，即，激光脉冲串的基波频率与基波参考频率相同，其谐波频率与谐波参考频率相同，其相位同时锁定在基波参考信号和谐波参考信号上；以及
步骤s4，在锁模激光器1锁相后，利用环外数字监控单元8将环路控制单元7提供的pzt驱动电压监测信号与预设的阈值比较，并向锁模激光器1的腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制锁模激光器1的谐振腔内的腔镜马达运动。
步骤s3还可以包括：先开启第一切换开关5，使激光脉冲串锁定在基波参考信号上(即，先使锁模激光器1处于基波锁相工作模式)，并在此状态下调节环路控制单元7中的可调电压源电路715的输出电压，从而粗调激光脉冲串与基波参考信号之间的相对相位，再开启第二切换开关6，使激光脉冲串同时锁定在基波参考信号和谐波参考信号上(即，再使锁模激光器1处于基波谐波锁相工作模式)，最后关闭第一切换开关5，使激光脉冲串锁定在谐波参考信号上(即，最后使锁模激光器1处于谐波锁相工作模式)，并在此状态下：一方面调节谐波鉴相单元4中的微波移相器42，从而在上述粗调的基础上精调激光脉冲串与基波参考信号之间的相对相位；另一方面调节环路控制单元7中的增益可调电路711的增益，从而在线调节环路带宽。需注意的是，在切换上述锁相工作模式时，锁模激光器1不会失锁。
上述方法还可以包括：在步骤s3之前执行步骤s5，该步骤s5包括：在锁模激光器1锁相前，利用环外数字监控单元8判断基波信号和基波参考信号的频率差是否超过激光脉冲串的重复频率的预设调节范围，并向锁模激光器1的腔镜马达控制端口输出相应的控制信号，以控制锁模激光器的谐振腔内的腔镜马达运动。
在本实施例中，锁模激光器1为美国相干公司的商用钛宝石锁模激光器，激光中心波长800nm，脉冲宽度130fs，重复频率79.33mhz，该激光器为用户提供一个腔镜pzt控制端口和一个腔镜马达控制端口，分别控制激光器谐振腔的腔镜pzt和腔镜马达，从而调节谐振腔腔长，其中腔镜pzt的驱动电压范围为10v～130v，中心工作电压为70v，可驱动的腔镜行程约为8μm，可调节的激光脉冲串重复频率范围约500hz，腔镜马达的行程范围为13mm左右，可调节的激光脉冲串重复频率范围为0.5mhz左右。
在本实施例中，光电探测器22型号为et4000，响应带宽为10ghz，其将锁模激光器1出射的激光脉冲串转换为电信号，并经第一微波功分器23分为两路：一路经过工作在79.33mhz频率的第一带通滤波器24、第一低噪放大器25、第二微波功分器26检出电信号中的基波信号并低噪放大后将其分为两路，另一路经过工作在2856mhz频率的第二带通滤波器27、第二低噪放大器28、第三微波功分器29检出电信号中36次谐波信号并将其低噪放大后分为两路，其中一路用于监测。
在本实施例中，微波参考源9为点频信号源，可输出两路同源的高稳定度的79.33mhz基波参考信号和2856mhz谐波参考信号。微波参考源9的79.33mhz基波参考信号经第四微波功分器32分为两路，其中一路79.33mhz基波参考信号与第二微波功分器26输出的一路79.33mhz基波信号在第一微波混频器31中混频得到基波相差信号，微波参考源9的2856mhz谐波参考信号经微波移相器42与第三微波功分器29输出的一路2856mhz谐波信号在第二微波混频器41中混频得到谐波相差信号。上述第二微波功分器26输出的另一路79.33mhz基波信号和第四微波功分器32输出的另一路79.33mhz基波参考信号分别连接至环外数字监控模块81。
在本实施例中，增益可调电路711采用由低噪精密运放和精密电阻搭建的固定增益放大器以及可调电阻分压电路组成，其中，可调电阻分压电路由精密电阻和可调阻值电阻器串联组成，调节该电阻器的阻值，即可改变环路增益，从而连续调节环路带宽。
本实施例中，可调电压源电路715由-5v线性稳压芯片、可调电阻分压电路、+5v线性稳压芯片串联而成，其中，可调电阻分压电路由精密电阻和可调阻值电阻器串联组成，调节该电阻器的阻值，可使输出电压在-5v～+5v之间连续可调。
在本实施例中，有源pi滤波电路713采用由低噪精密运放和精密电阻电容搭建的一阶有源pi滤波电路，环路处于锁定状态时，有源pi滤波电路713的输入始终为0vdc，此时调节上述直流偏置电路712的直流偏置，即调节可调电压源电路715的输出电压，即可调节锁定点，从而粗调激光脉冲串相对于微波参考信号的相位，相位调节范围可达为-80°～80°，结合在2856mhz谐波频率具有360°移相范围的微波移相器42的使用，即可精确调节激光脉冲串相对于基波参考信号的相位。调节方式如下：在基波锁相工作模式下调节直流偏置电路712的直流偏置，然后切换到基波谐波锁相工作模式，再切换到谐波锁相工作模式后调节微波移相器42，即可连续调节锁模激光器1出射的激光脉冲串与外部微波参考源9的基波参考信号间的相对相位，对于79.33mhz基波频率，调节范围为-2.8ns～2.8ns，调节精度小于1ps，此外，选择性地在第四微波功分器32和第一微波混频器31之间接入一根1米长或2米长的微波线缆，将分别引入约4ns或8ns的时间延时，可将上述相对相位调节范围分别扩展到1.2ns～6.8ns或5.2ns～10.8ns，从而将锁模激光器1出射的激光脉冲串锁定在79.33mhz基波参考信号的任意设定相位位置。
在本实施例中，pzt驱动器72的电压增益为20v/v，提供0～150v的直流偏置，为用户提供增益为50mv/v的输出电压监测端口、增益为1v/a的输出电流监测端口。
在本实施例中，fpga主控制器8122的时钟和高速adc转换器811的采样时钟频率为119mhz，可由外部微波参考源9提供，也可由fpga开发板812上的时钟模块提供。
如图5所示，采用本发明实现的锁模激光器与微波参考信号飞秒量级同步的实测结果表明：锁相后，在锁相带宽以内(偏离载波10hz-10khz频段内)，锁模激光器的相位噪声跟随微波参考信号的相位噪声，锁相带宽以外(偏离载波10khz-10mhz频段内)锁模激光器的相位噪声跟随自由运转激光器的相位噪声，对锁模激光器与微波参考信号间相对抖动相位噪声曲线积分，即可获得锁模激光器与微波参考信号间的同步精度；在本实施例中，利用本发明的装置对锁模激光器锁相后，锁模激光器与2.856ghz微波参考信号间的积分时间抖动为25fs[10-10khz]。
综上所述，本发明采用双微波鉴相器结构，仅用两个模拟开关就可实现锁相模式的灵活切换，从而将激光脉冲串锁定在兆赫兹基波参考信号的设定相位上，同时，可获取激光脉冲串锁定在吉赫兹高频信号上才能实现的超低时间抖动；同时，本发明利用一个微波移相器和一个可调电阻器就可大范围高精度连续调节锁模激光器相对于兆赫兹基波参考信号的相位，利用一个可调阻值电阻器就可在线调节环路的锁定带宽以获取最优时间抖动，激光器与微波参考信号同步精度可达数十飞秒量级。本发明采用模拟和数字相结合的环路控制方案，环内采用模拟方案进行快速反馈控制，具有低噪低延时的特点，环外采用数字方案进行慢速反馈控制，使环路可以长时间稳定工作。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。