一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置及方法与流程

本发明涉及激光谐振倍频领域，特别涉及一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置及方法。

背景技术：

连续高功率单频532nm的激光，如果直接使用倍频晶体对1064nm激光进行倍频，存在转换效率低下的问题。采用8字倍频循环腔，通过谐振的方式能够将转换效率很大程度上提高。为满足工业化需求，需要实现全自动化，要求该装置能够自动将谐振倍频循环腔锁定。在一定输入功率变化范围内都需要实现锁定，并且具有强抗干扰性，当发生失锁时，能够自动重新锁上。

因此，在现有的基础上，研发一种能够实现自动锁定谐振倍频循环腔的方法和装置非常必要。目前一些操作可能需要手动配置两路不同的正弦波，手动的方式在锁腔和找“零点”之间切换。一些装置因采用的方法不够完善，系统抗干扰能力弱和失锁恢复时间较长。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提出一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置及方法。本发明利用自动锁腔功能装置改善了现有的循环腔倍频技术，实现了自动锁腔，保持倍频循环腔的时刻锁定，失锁后能迅速自动恢复到锁定状态。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置，该装置包括光纤激光器、倍频循环腔、dds正弦信号发生模块、透射峰信号检测模块、反射峰信号检测模块、混频器、高压运放模块和自动反馈控制模块。

所述光纤激光器发出的激光经过声光调制器调制移频后，注入倍频循环腔，将反射峰探测信号和本振信号同时输入混频器，再由混频器输出，通过低通滤波器接入到自动反馈控制模块；所述自动反馈控制模块将计算结果通过高压运放模块后直接作用在倍频循环腔的压电陶瓷上，整个过程形成闭环控制，实现自动对谐振倍频循环腔进行锁腔。

进一步地，所述倍频循环腔包括8字循环腔、倍频晶体和压电陶瓷；其中，四个腔镜：m1、m2、m3和m4，构成8字循环腔；

所述倍频循环腔的腔长是可调节的，在腔内的反射型腔镜背部加装压电陶瓷，通过高压运放模块输出的电压信号控制压电陶瓷形变，带动腔镜上述发生位移从而改变腔内的光程，进而改变了腔长。

进一步地，所述自动反馈控制模块根据混频器的鉴频信号和透射峰信号的状态，自动在“扫频”或者“锁腔”两种状态间切换；

当在扫频模式时，一旦满足锁腔条件，即合适的“零点”位置，立刻进入锁腔，开启调节；当腔体失锁时，自动从锁腔状态返回到扫频状态，寻找合适的锁腔条件；

所述“零点”是当腔长满足激光谐振倍频时，混频器的输出结果为零。

进一步地，所述dds正弦信号发生模块产生两路频率相等、幅值和相位不同的两路正弦波信号，通过低通滤波器和功率运放分别加载到激光器的eom和混频器的本振信号端口。

进一步地，所述光纤激光器为连续波全固态激光器或者连续波光纤激光器。

一种自动谐振倍频循环腔的锁腔方法，包括以下步骤：

1）自动反馈控制模块首先设置整套装置的工作参数；

2）通过透射峰信号检测模块对倍频循环腔的透射光进行探测，获得所需要的透射峰电信号；

3）自动反馈控制模块通过透射峰电信号实时判断当前的状态，如果在“零点”附近，则进入“锁腔”状态，开启pid调节，根据混频器的误差信号值对腔长进行控制；如果不在“零点”附近，则关闭pid调节进入“扫频”状态，采用锯齿波电压作用于压电陶瓷上，实现对谐振倍频循环腔的腔长连续改变，直至找到合适锁腔位置。

进一步地，在步骤1）中，所述工作参数包括dds正弦信号参数和零点位置参数。

进一步地，在步骤3）中，所述“零点”是当腔长满足激光谐振倍频时，混频器的输出结果为零。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

（1）本发明无需利用任何其他实验室设备、不需要人工操作，即可自动进行倍频循环腔的锁定。

（2）本发明自动倍频循环腔锁定装置可在激光频率或者腔体收到外界干扰的情况下，可快速从失锁状态恢复至稳定状态。

（3）本发明的自动反馈控制模块，能够自动进行扫频、找“零点”、锁腔三个步骤。在因干扰等情况下，出现失锁时亦可迅速恢复，整个过程不需要任何人工操作。利用混频器的鉴频曲线（pdh原理）和透射峰信号，自动反馈控制模块能够自动在“扫频”和“锁腔”两种状态切换和工作。

附图说明

图1是本发明的自动谐振倍频循环腔的锁腔装置的结构示意图；

图2是本发明的倍频循环腔的示意图；

图中相应数字标号为：1、半导体光纤激光器；2、光学谐振倍频循环腔；3、dds正弦信号发生模块；4、透射峰信号检测模块；5、反射峰信号检测模块；6、混频器；7、高压运放模块；8、自动反馈控制模块；①、光纤激光器的eom端口；②、倍频循环腔的透射光出口；③、倍频循环腔的压电陶瓷接线端口；④、倍频循环腔的反射光出口；f3、倍频晶体；pzt、压电陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。

本发明提供的一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置，以激光源的频率作为参考频率进行锁定。该装置由光路装置和电学反馈环路组成；光路装置主要是由激光器、声光调制器、8字倍频循环腔和压电陶瓷等构成，电学反馈装置主要是由光电探测模块、dds正弦信号发生模块、混频器、高压运放模块和自动反馈控制模块构成。dds正弦信号发生模块产生两路频率相等、幅值和相位不同的两路正弦波信号，通过功率放大器分别加载到激光器的eom和混频器的本振信号端口。自动反馈控制模块通过高压运放对8字循环倍频腔扫频，将光电探测器的透射峰信号连接至数字控制电路；当扫描至零点附近时，自动反馈控制模块停止扫描，开启闭环反馈控制，反馈的误差信号由混频器的本振信号和8字循环腔的反射信号混频得到。从激光器上电，将倍频循环腔锁住，整个过程无需人工操作，可在极短的时间内实现锁定。

所述的激光器为连续波全固态激光器或者连续波光纤激光器。

所述的dds信号发生器能够同时产生两路不同的正弦波信号，并且具有调幅和调相的功能，能够自动进行频率、相位和幅值的配置。

所述的自动反馈控制模块，能够自动进行扫频、找“零点”、锁腔三个步骤。在因干扰等情况下，出现失锁时亦可迅速恢复，整个过程不需要任何人工操作。

所述的“扫频”是采用锯齿波电压作用于压电陶瓷上，实现对谐振倍频循环腔的腔长连续改变。

所述的“零点”是当腔长满足激光谐振倍频时，混频器的输出结果为零。

所述的“锁腔”是开启pid算法，根据混频器的误差信号值对腔长进行控制。

如图1所示的一种自动谐振倍频循环腔的锁腔装置，包括半导体光纤激光器1、光学谐振倍频循环腔2、dds正弦信号发生模块3、透射峰信号检测模块4、反射峰信号检测模块5、混频器6、高压运放模块7和自动反馈控制模块8；dds正弦信号发生模块3自动配置需要的信号频率、幅值和相位，将产生的信号分别送入半导体光纤激光器1的eom端口和混频器6的本振信号端口；半导体光纤激光器1的激光入射到光学谐振倍频循环腔2中，透射峰信号检测模块4和反射峰信号检测模块5将检测的信号处理后分别送入自动反馈控制模块8中和混频器6的射频信号端口；将混频器6的混频信号输入至自动反馈控制模块8中，自动反馈控制模块8根据混频信号和透射峰信号进行判断。自动反馈控制模块8将计算结果通过高压运放模块7作用在光学谐振倍频循环腔2的压电陶瓷上，实时调节腔长。

在图1中，①表示的是光纤激光器的eom端口；②表示的是倍频循环腔的透射光出口；③表示的是倍频循环腔的压电陶瓷接线端口；④表示的是倍频循环腔的反射光出口。

光学谐振倍频循环腔2包括8字循环腔、倍频晶体和压电陶瓷；图2中，四个腔镜：m1、m2、m3和m4构成8字循环腔，f3为倍频晶体，pzt为压电陶瓷。m1、m2、m3和m4都是腔镜，四个腔镜组成了一个8字形的谐振光路，也就是8字循环腔，输入的激光在四个腔镜间循环反射，反复通过倍频晶体f3。其中，种子激光自m1输入，倍频后的激光从m4输出；从m1处溢出的光为反射光，由反射峰信号检测模块5进行探测；从m3处溢出的光为透射光，由透射峰信号检测模块4进行探测。

倍频循环腔为腔长可变的结构，也就是说，倍频循环腔中具有腔长调节机构，可以响应外部电信号使腔长作出改变，具体的，就是在腔内的反射型腔镜m2背部加装压电陶瓷pzt，通过高压运放模块（7）输出的电压信号控制pzt形变，带动腔镜m2发生位移从而改变腔内的光程，也就是改变了腔长。

本发明提供的一种自动谐振倍频循环腔的锁腔方法，步骤如下：

1)在上述自动激光稳频装置中，自动反馈控制模块8首先设置整套装置的工作参数，包括dds正弦信号参数配置、零点位置设置；

2）通过透射峰信号检测模块（4）对倍频循环腔（2）的透射光进行探测，获得所需要的透射峰电信号；

3）自动反馈控制模块（8）通过透射峰电信号实时判断当前的状态，如果在“零点”附近，则进入“锁腔”状态，开启pid调节，根据混频器（6）的误差信号值对腔长进行控制；如果不在“零点”附近，则关闭pid调节进入“扫频”状态，采用锯齿波电压作用于压电陶瓷上，实现对谐振倍频循环腔（2）的腔长连续改变，直至找到合适锁腔位置。