专利名称：数字化激光锁相装置和相位锁定方法
技术领域：
本发明涉及两台激光器的相对相位锁定技术，特别是数字化锁相装置和相位锁定方法。
背景技术：
在精密光谱，相干光学测量，物质波干涉测量以及量子计算等很多领域，都需要两 束频率差非常精准的激光。为了获得这样的相干光束，传统方法是使用声光移频器(AOM) 或者电光调制器(EOM)，但是频率差是要预先设定好，选择对应频段的声光移频器或者电光 调制器，一旦架上，不易更改。除此以外，传统的移频器件移频量做不到很高，到几百兆赫兹 的AOM就十分昂贵，而且再高频就没有相应的移频器件了。本发明克服了传统移频器件频率不够灵活以及频率范围不够宽的缺点，将电学锁 相环扩展到激光频率上来，从而对其相位锁定。频率控制上采用直接分频的办法将两束激 光的差频下转换到100兆赫兹量级，操作上，只要改变外部参考频率即可改变激光束之间 的差频，还可以修改分频倍数，从而受控的差频可以从几十兆到几个吉赫兹不等。本发明中 使用了数字化比例-积分-微分(PID)控制模块，实现了由计算机控制锁相过程，调节PID 参数，改变锁相位置，操作十分方便。
发明内容
本发明目的为解决传统光学移频器件频率固定而且不够高的难题，实现主要采用 集成锁相环频率综合器和数字PID构成的激光相位锁定技术，拓宽了两束频率相差精准的 激光的应用范围。本发明提供数字化激光锁相技术，包括数字化激光锁相装置和数字化激光锁相 装置的相位锁定方法。本发明提供数字化激光锁相装置，主要由作为参考的激光器、待锁定的可调谐激 光器、第一分束器、第二分束器、光电探测器、偏置结、定向耦合器、放大器、集成锁相环频率 综合器、外部参考源、数字PID控制模块、计算机组成，通过光路和电路连接，构成数字化激 光锁相装置整体，其中由参考的激光器、待锁定的可调谐激光器、第一分束器、第二分束 器、光电探测器构成拍频光路系统；由光光电探测器、偏置结、定向耦合器、放大器和集成锁 相环频率综合器依次通过同轴电缆连接；集成锁相环频率综合器、外部参考源、数字PID控 制模块通过同轴电缆连接；数字PID控制模块和激光器通过同轴电缆连接，构成控制电路 系统；控制电路系统和计算机相连，计算机和外部参考源、数字PID控制模块通过USB线缆 连接，构成计算机控制系统。本发明所述的集成锁相环频率综合器内置分频器和鉴频鉴相器两个组件，其分频 器将输入的本振信号分频后送到鉴频鉴相器，其鉴频鉴相器将分频后的信号和来自外部的 参考信号作频率相位比较，输出误差信号。本发明数字化激光锁相装置的相位锁定方法是所述的第一分束器将待锁定的可调谐激光器输出的激光取一部分和第二分束器分出的光合束进入光电探测器；所述的第二 分束器将作为参考的激光器输出的激光进行分束，取一部分进入第一分束器；所述的光电 探测器将光强信号转换成电信号输入到偏置结；所述的偏置结为光电探测器提供直流偏 置，并将所得差频信号输入到定向耦合器；所述的定向耦合器将来自偏置结的差频信号耦 合出小部分用于监视，将主要部分输入到放大器；所述的放大器将来自定向耦合器的差频 信号放大后送入集成锁相环频率综合器；所述的集成锁相环频率综合器内置分频器和鉴频 鉴相器两个组件，其分频器将来自放大器的差频信号分频后送到鉴频鉴相器，其鉴频鉴相 器将分频后的差频信号和来自外部参考源的参考信号作频率相位比较，得出误差信号，送 入数字PID控制模块；所述的外部参考源将自己产生的射频信号输入到集成锁相环频率综 合器，作为鉴频鉴相的参考信号；所述的数字PID控制模块将来自集成锁相环频率综合器 的误差信号经处理后，输入待锁激光器，控制其输出频率相位；数字PID控制模块可以和计 算机做数字通信，可以利用计算机对其开关控制，调节参数，加入偏置，外部参考源有数字 接口，由计算机控制其频率相位以及扫描等。本发明所述的所述的数字PID将误差信号进行数字化，然后做过比例、积分和微 分处理后反馈给待锁定的可调谐激光器的电流控制端和压电陶瓷控制端。本发明所述的所述的计算机协同数字PID控制模块和外部参考源，控制锁相过 程，以及在锁定状态下完成线性、阶跃和指数扫频操作本发明所提供的数字化激光锁相技术的机理是将参考激光器和待锁激光器的输 出光各取一小部分，用光电探测器取出其差频，经过放大器放大足够后给集成锁相环频率 综合器。集成锁相环频率综合器将差频信号先分频，然后将分频后信号和外部参考源的频 率相位比较，得出误差信号，数字PID控制模块处理该误差信号反馈到激光器，控制其输出 频率相位。在此过程中计算机控制数字PID控制模块和外部参考源。本发明提供一种基于集成锁相环频率综合器和数字PID控制模块激光相位锁定 技术。将电学锁相环原理应用到光频率范围，使用工作在7GHz的集成锁相环频率综合器， 用数字化PID代替电学锁相环中的滤波器来控制激光器的相位。和传统激光移频方法相 比，光路大大简化，只需要探测两光束的拍频(即差频)，此外需要一套电路控制系统即可 将激光相位锁定。可以调节外部参考频率和分频倍数，将激光差频锁定在任意需要的位置， 本发明提供的锁相装置可以实现高达7GHz差频相位锁定，锁定的同时可以扫描参考频率， 从而扫描激光频率。控制电路系统和计算机相连，可以由计算机控制锁相过程，调节数字 PID控制模块参数，改变锁相位置，操作简单。本发明所提供的数字化激光锁相技术，将电学锁相环扩展到激光频率上来，从而 对其相位锁定。采用集成锁相环频率综合器，频率控制上采用直接分频的办法将两束激光 的差频下转换到100兆赫兹量级，操作上，只要改变外部参考频率即可改变激光束之间的 差频，还可以修改分频倍数，从而受控的差频可以从几十兆到7GHz不等。本发明中使用了 数字化比例_积分_微分(PID)控制模块，实现了由计算机控制锁相过程，调节PID参数， 改变锁相位置，操作十分方便。光路上也十分简单，只需一个拍频光路。
附图1是数字化激光锁相装置的示意图具体实施方式
实施实例1 参见附图1，本发明提供数字化激光锁相装置，主要由作为参考的激光器1、待锁 定的可调谐激光器2、第一分束器3、第二分束器4、光电探测器5、偏置结6、定向耦合器7、 放大器8、集成锁相环频率综合器9、外部参考源10、数字PID控制模块11、计算机12组成， 通过光路和电路连接，构成数字化激光锁相装置整体，其中光电探测器5、偏置结6、定向 耦合器7、放大器8和集成锁相环频率综合器9依次通过高性能同轴电缆连接；集成锁相环 频率综合器9、外部参考源10、数字PID控制模块11通过同轴电缆连接；数字PID控制模块 11和激光器2通过同轴电缆连接，计算机12和外部参考源10、数字PID控制模块11通过 USB线缆连接。所述的参考的激光器1其频率已经锁住。所述的待锁定的输出频率可调谐激光器2，频率未锁定，受到外部电压信号的控 制，改变其工作电流和谐振腔的参数，可在一定范围内调谐输出激光的频率。所述的第一分束器3，是一种可将激光分束和合束的光学元件，较强的一束作为输 出，较弱的一束作为和来自分束器4的较弱的束合并成一束给光电探测器5。所述的第二分束器4，是一种可将激光分束和合束的光学元件，较强的一束作为输 出，较弱的一束输给分束器3进行合束。所述的光电探测器5将光强信号转换成电信号，一般需外部提供直流偏置。所述的偏置结6为各种光电探测器提供直流偏置。所述的定向耦合器7将信号耦合出小部分用于监视，将主要部分输出。所述的放大器8将信号按标称增益放大。所述的集成锁相环频率综合器9内置分频器和鉴频鉴相器两个组件，其分频器将 输入的本振信号分频后送到鉴频鉴相器，其鉴频鉴相器将分频后的信号和来自外部的参考 信号作频率相位比较，输出误差信号，其中分频器最高工作频率7GHz，用跳线或TTL开关信 号调节分频倍数，鉴频鉴相器为数字鉴频鉴相器，最高工作频率1. 3GHz。所述的外部参考源10是一种频率发生器，可以产生各种频率信号，一般作为参考 信号使用，可以和电脑连接。所述的数字PID控制模块首先将误差信号数字化，经过比例、积分和微分处理后， 输出到受控对象，一般可以和电脑连接。数字化激光锁相装置的锁相方法是所述的第一分束器3将待锁定的可调谐激光 器2输出的激光取一部分和第二分束器4分出的光合束进入光电探测器5 ；所述的第二分 束器4将作为参考的激光器1输出的激光进行分束，取一部分进入第一分束器3 ；所述的光 电探测器5和偏置结6组成探测体系，探测出两激光的差频，光电探测器5将光强信号即差 频信号转换成电信号，输入到偏置结6 ；所述的偏置结6为光电探测器5提供直流偏置，并 将所得差频信号输入到定向耦合器7 ；所述的定向耦合器7将来自偏置结6的差频信号耦 合出小部分用于监视，将主要部分输入到放大器8 ；所述的放大器8将来自定向耦合器7的 差频信号放大后送入集成锁相环频率综合器9 ；所述的集成锁相环频率综合器9内置分频 器和鉴频鉴相器两个组件，其分频器将来自放大器8的差频信号分频后送到鉴频鉴相器，其鉴频鉴相器将分频后的差频信号和来自外部参考源10的参考信号作频率相位比较，得出误差信号，送入数字PID控制模块11 ；所述的外部参考源10将自己产生的射频信号输入 到集成锁相环频率综合器9，作为鉴频鉴相的参考信号；所述的数字PID控制模块11将来 自集成锁相环频率综合器9的误差信号经过比例、积分和微分处理后，输入待锁激光器2， 控制其输出频率相位。所述的计算机12控制数字PID控制模块11开启关断以及调节其参 数，加入偏置等操作，控制外部参考源10的输出频率相位，以及控制其扫频等。
权利要求
一种数字化激光锁相装置，主要由参考激光器(1)、待锁定的可调谐激光器(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、光电探测器(5)、偏置结(6)、定向耦合器(7)、放大器(8)、集成锁相环频率综合器(9)、外部参考源(10)、数字PID控制模块(11)、计算机(12)组成，通过光路和电路连接，构成数字化激光锁相装置整体；其特征是由参考激光器(1)、待锁定的可调谐激光器(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、光电探测器(5)构成拍频光路系统；由光电探测器(5)、偏置结(6)、定向耦合器(7)、放大器(8)和集成锁相环频率综合器(9)依次通过同轴电缆连接，集成锁相环频率综合器(9)、外部参考源(10)、数字PID(11)通过同轴电缆连接，数字PID控制模块(11)和激光器(2)通过同轴电缆连接，构成控制电路系统；控制电路系统和计算机(12)相连，计算机(12)和外部参考源(10)、数字PID控制模块(11)通过USB线缆连接，构成计算机控制系统。
2.根据权利要求1所述的数字化激光锁相装置，其特征是所述集成锁相环频率综合 器(9)内置分频器和鉴频鉴相器两个组件，其中分频器最高工作频率7GHz，用跳线或TTL开 关信号调节分频倍数，鉴频鉴相器为数字鉴频鉴相器，最高工作频率1. 3GHz。
3.权利要求1所述的数字化激光锁相装置的相位锁定方法，其特征是所述的第一分 束器(3)将可调谐激光器(2)输出的激光取一部分和第二分束器(4)分出 的光合束进入光 电探测器(5)；所述的第二分束器(4)将参考激光器(1)输出的激光进行分束，取一部分进 入第一分束器(3)；所述的光电探测器(5)将光强信号转换成电信号，即激光器(1)和激光 器(2)的差频信号，输入到偏置结(6)；所述的偏置结(6)为光电探测器(5)提供直流偏置， 并将所得差频信号输入到定向耦合器(7)；所述的定向耦合器(7)将来自偏置结(6)的差 频信号耦合出小部分用于监视，将主要部分输入到放大器(8)；所述的放大器(8)将来自定 向耦合器(7)的差频信号放大后送入集成锁相环频率综合器(9)；所述的集成锁相环频率 综合器(9)内置分频器和鉴频鉴相器两个组件，其分频器将来自放大器(8)的差频信号分 频后送到鉴频鉴相器，其鉴频鉴相器将分频后的差频信号和来自外部参考源(10)的参考 信号作频率相位比较，得出误差信号，送入数字PID控制模块(11)；所述的外部参考源(10) 将自己产生的射频信号输入到集成锁相环频率综合器(9)，作为鉴频鉴相的参考信号；所 述的数字PID控制模块(11)将来自集成锁相环频率综合器(9)的误差信号经过处理后， 输入待锁定的可调谐激光器(2)，控制其输出频率相位；数字PID控制模块(11)和计算机 (12)进行数字通信，利用计算机(12)对其开关控制，调节参数，加入偏置，外部参考源(10) 有数字接口，由计算机(12)控制其频率相位以及扫描。
4.根据权利要求3所述的数字化激光锁相装置锁相方法，其特征是所述的数字PID 控制模块(11)将误差信号进行数字化，经过比例、积分和微分处理后反馈给待锁定的可调 谐激光器(2)的电流控制端和压电陶瓷控制端。
5.根据权利要求3所述的锁相方法，其特征是所述计算机(12)协同数字PID控制模 块(11)和外部参考源(10)，控制锁相过程，以及在锁定状态下完成线性、阶跃和指数扫频 操作。
全文摘要
一种数字化激光锁相装置，主要由激光器、分束器、分束器、光电探测器、偏置结、定向耦合器、放大器、集成锁相环频率综合器、外部参考源、数字PID控制模块、计算机等组件通过光路和电路连接，构成数字化激光锁相装置整体，将电学锁相环扩展到激光频率上，对其相位锁定。本发明采用集成锁相环频率综合器，受控的差频可以从几十兆到7GHz不等，使用了数字PID控制模块，实现了由计算机控制锁相过程，调节数字PID控制模块参数，改变锁相位置，操作方便，光路简单，只需一个拍频光路即可。
文档编号H01S3/10GK101800395SQ20101011787
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者徐云飞, 林强, 王兆英, 陶天炯 申请人:浙江大学