一种基于锁相原理的光学频率梳的制作方法

本发明涉及激光技术领域，涉及一种基于fpga实现的基于锁相原理的光学频率梳。

背景技术：

光学频率梳主要应用于光学频率测量、绝对距离测量、以及天文光谱的波长校准等领域。传统的光频梳其结构复杂、体积庞大、成本昂贵、难以维护以及对工作环境要求苛刻，难以适应测量领域对简便运行及长期连续测量的诉求。

目前在激光稳频领域常用的稳频率方法有饱和吸收稳频、双色稳频、调制转移稳频及无源腔稳频等方法。目前常见的稳频方法是pdh稳频方法，利用光学系统实现光学鉴相等操作。上述稳频方法都有一个确定的频率值，即最后稳定的激光频率都是在原子谱线的某共振峰上，或是无源腔的某一纵膜上，频率比较固定死板。而且光学稳频所用的高稳定度的超稳腔系统结构复杂，在面临空间应用时光学系统要满足稳定性、抗冲击性和轻便的要求，导致设计难度和成本增加。本专利所述的光频梳中激光器拥有可调节的步进电机以及pzt，只需对控制器中的fpga逻辑进行修改即可实现不同频率的稳频，因此灵活性更高，可稳定的频率范围大。同时本设计的参考源为rb钟，空间应用相对成熟，相对超稳腔系统更能适应空间环境的应用要求。传统的光学系统激光锁相大部分都是采用光学系统进行鉴相，而本专利是将光信号进行光电转换，对转换后的信号进行数字鉴相，提高了在空间应用时的适应性。

技术实现要素：

本发明为解决现有激光稳频系统对环境要求高，光学系统安装复杂，频率固定等问题，利用rb钟作为参考源对激光器的输出重频进行锁定，并通过可重配置的fpga实现pid和数字鉴相等功能。可通过对fpga的更改实现对系统整体性能和参数的更改。降低了对环境的敏感性，能够适应目前空间环境应用需求。

本发明的基于锁相原理的光学频率梳，包括参考源模块、波形整形模块、光电转换模块、主控制器模块、驱动模块以及可调谐光源。所述参考源模块用于产生高稳定度的参考时钟信号；所述波形整形模块完成反馈信号的波形整形；所述光电转换模块用于将激光器的输出信号转换为电信号；主控制器模块用于实现锁相的相关功能；驱动模块用于驱动与激光器相关的运动器件；可调谐光源用于产生最终的重频信号。

其中参考源模块输出及激光器输出信号经光电转换模块后的电信号与波形整形模块相连，波形整形模块的输出与主控制器模块相连，主控制器与驱动模块相连，驱动模块控制激光器的部件影响激光器的输出频率。

作为进一步限定，所述参考源模块包括一个固定频率的rb钟以及相关配套电路，rb钟输出频率为50m，频率准确率真空环境下优于±5×10^-10，漂移率≤1×10^-12/day，单边带相位噪声最大≤-100dbc/hz@10hz最小为≤-160dbc/hz@10khz。

作为进一步限定，所述波形整形模块包括电压比较器，将rb钟及激光器经过光电转换后的波形整形为等占空比的方波。

作为进一步限定，所述光电转换模块包括光电转换器件及相关电路，负责将激光器输出的信号转换为电信号送波形整形电路。

作为进一步限定，主控制器模块由fpga及其外围外设构成，负责完成与锁相功能相关的分频、数字鉴相、k值滤波以及pi计算等功能。

作为进一步限定，所述驱动模块及可调谐光源包括了伺服系统，pzt以及光源，其中伺服系统用于驱动光源中的腔长步进电机和锁模步进电机，pzt在光源内部用于微调激光器的腔长。

本发明还涉及一种激光稳频方法，将光信号进行光电转换，对转换后的信号进行数字鉴相。

进一步的，利用rb钟作为参考源对激光器的输出重频进行锁定，并通过可重配置的fpga实现pid和数字鉴相功能，通过对fpga的更改实现对系统整体性能和参数的更改。

本发明采用高稳定的rb钟作为参考源，该rb钟经过了空间飞行验证，性能可靠，相对于传统的光学超稳激光器环境适应性强而且对工艺要求相对光学超稳激光器较低，易于空间的大范围应用。同时本专利还利用fpga实现了锁相相关的分频鉴相等工作，可重配置性强，通过更改fpga逻辑可实现不同重复频率的锁定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为基于锁相原理的光学频率梳的原理示意图。

图2为基于锁相原理的光学频率梳的电路原理示意图。

图3为基于锁相原理的光学频率梳的fpga逻辑示意图。

具体实施方式

如图1所示，该光学频率梳至少包含参考源模块、光电转换模块、波形整形模块、主控模块、驱动模块以及光源模块。参考源模块功能为产生频率相位稳定的时钟信号，光电转换模块用来将激光器的信号转换为电信号，对于参考源和光电转换后的信号为正弦波，因此通过波形整形模块将正弦波转换为等占空比的方波信号。主控模块功能为根据输入的参考信号和反馈回的激光输出频率来完成鉴频鉴相等工作。驱动模块根据主控计算结果来驱动相关的动作机构来影响激光器的输出频率达到锁频的目的。在主控模块中影响系统的性能参数都可在逻辑中进行更改，进而可使激光器锁定在不同的频率上。参考源为rb钟信号，频率较为稳定而且相对较小，功耗低，相对光学的超稳源对加工及工艺要求较低，因而具有良好的集成度和可靠性，并且体积小，功耗低。

参考源模块由一个rb钟及其外围电路组成。rb原子钟体积小，成本低，而且功耗小，适合空间应用。该rb钟模块的输出为标准的正弦信号。

光电转换电路采用光电二极管进行光电转换，电路结构简单，功耗较低。整形电路中选用max998电压比较芯片实现对输入的正弦信号到方波信号的整形。

光源模块中除了光纤等光学器件外还包括波片以及对应的波片步进电机、腔长步进电机以及pzt。波片步进电机用于驱动波片旋转来锁定激光的输出模态；腔长步进电机调整激光器的腔的长度来在大范围内改变激光器的输出频率；pzt用来对激光器的输出频率进行微调。工作时先调整波片步进电机进行锁模，使激光器的输出频率稳定。锁模结束后在调整腔长步进电机，腔长步进电机的分辨率为1.5微米，微调激光器的输出频率，使激光器的输出频率在pzt工作的范围之内。腔长步进电机调整完毕后利用pzt及主控模块中的锁相功能完成最终的频率锁定。

驱动模块电路包含了两个伺服电机的驱动以及pzt的驱动，其中伺服电机的驱动单独利用fpga来实现，而pzt驱动通过对主控模块计算结果进行da转换进而高压放大来驱动pzt动作。

主控fpga如图2中的重频控制fpga所示，负责完成锁相的相关功能，如图3所示，重频控制fpga包括分频模块、全数字鉴频鉴相模块、频率计模块、k值滤波器模块、数字pi模块、主控状态机以及pzt电压监测模块和da转换模块。分频模块分别将输入的参考时钟信号和激光器反馈时钟信号进行分频，分频后的信号进入数字鉴频鉴相器进行鉴相，该数字鉴频鉴相器采用jk触发器型鉴频鉴相器，鉴相范围为0-2π。将两者的相位频率差转换为脉冲信号，而k值滤波器一方面进行滤波，降低因为抖动产生的相位噪声同时又将该脉冲信号转换为数字量输出。k值滤波后的数字量送数字pi进行运算，该pi运算采用无符号整型进行运算，对数据的正负做单独的处理。在运算完成后将计算结果进行da转换以及后续的高压放大。通过修改分频器的分频系数可以实现对激光器输出不同频率的锁定。而且k值滤波器的计数范围也可重新设定，更改系统的性能。