一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置与流程
本发明属于激光稳频技术领域，具体涉及一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置。
背景技术：
半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、成本低等优点，已被广泛应用于光通信、半导体激光武器、激光打印、医疗器械等领域。由于激光器腔长或腔内介质折射率的变化均会引起激光振荡频率的漂移，环境温度的起伏、大气变化、机械振动、磁场等外界环境的干扰也会影响激光出射频率的稳定度，无法满足精密测量应用的要求，因此需要对激光进行稳频处理。
采用恒温、真空密封等被动稳频方法，能提升激光的频率稳定度，但即便采用最严格的措施，也无法将其频率稳定度提升到10-8量级以上。为进一步提高激光器的频率稳定度，在直接被动稳频的基础上，还必须采用电子伺服系统对激光器进行反馈控制，即主动稳频。
主动稳频主要沿着两个方向发展。方向之一是利用传统的体元件FPI作为鉴频元件，研究的重点在于提升FPI的稳定性，如腔体材料的选择、腔体结构的设计、外界干扰的隔离消除等；方向之二在于考虑到体元件FPI体积庞大、易碎难维护等固有缺陷，将整个鉴频系统全光纤化、小型化，也获得了优良的频率稳定度。
现有的主动稳频装置可以采用调制技术，实现较好的稳频效果，但控制系统较为复杂。另外，人们在无调制技术方面进行了广泛的研究，也提出了多种解决方案，但这些方案需要外加磁场，或者光路结构复杂且对环境十分敏感。因此，有必要研制出一种用于半导体激光器的结构简单且无调制的精确稳频方案。
技术实现要素：
为了解决上述无调制稳频技术存在的需要外加磁场或者光路结构复杂且对环境敏感的技术问题，本发明提供一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置，技术方案如下：
一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置，包括：依次连接的激光器驱动电路、半导体激光器、马赫-增德尔干涉仪装置、鉴频信号处理单元和激光器控制微处理单元，激光器控制微处理单元与激光器驱动电路连接；
其中，半导体激光器根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一束激光，并发出所述产生的激光；
马赫-增德尔干涉仪装置对半导体激光器发出的激光进行分束和延迟处理，并输出两束有不同相位延迟的光信号；
鉴频信号处理单元检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的所述两束光信号，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号，并根据检测得到的所述两路电信号，产生稳频控制所需的误差信号；
激光器控制微处理单元接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化为对激光器驱动电路进行调节的调节信号；
激光器驱动电路根据所述调节信号产生驱动电流或驱动电压，并提供给半导体激光器，调节半导体激光器的工作状态。
进一步地，所述激光器控制微处理单元还根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；鉴频信号处理单元对检测得到的两路电信号进行处理，处理后的两路电信号与该校正信号进行比较运算，产生所述误差信号；激光器控制微处理单元将该误差信号转换为所述调节信号，激光器驱动电路根据该调节信号，产生驱动电流或驱动电压，并提供给半导体激光器，调节半导体激光器的工作状态。
进一步地，所述马赫-增德尔干涉仪装置包括光分束结构，光分束结构包括：第一耦合器、可变移相器和第二耦合器；
第一耦合器用于将半导体激光器发出的一束激光分成两束光信号；
可变移相器用于对第一耦合器分成的两束光信号进行相位延迟处理；
第二耦合器对经相位延迟处理的两束光信号进行相互干涉耦合，并输出两束有不同相位延迟的光信号。
进一步地，所述第一耦合器和第二耦合器均采用分光比为1：1的标准3dB定向耦合器，因此第一耦合器和第二耦合器的相位因子为45°。
进一步地，所述鉴频信号处理单元包括探测器、归一化处理单元和误差信号生成电路；
探测器用于对马赫-增德尔干涉仪输出的两束光信号转化为鉴频所需的电信号；
归一化处理单元包括可调运算放大电路和归一化模块，可调运算放大电路对转化后的电信号进行放大处理，归一化模块对放大后的电信号进行归一化处理；
误差信号生成电路包括偏移分析模块，偏移分析模块对归一化处理后的信号进行分析，生成所述误差信号。
进一步地，所述激光器控制微处理单元包括校正信号产生电路和FPGA控制电路；
校正信号产生电路根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；
FPGA控制电路将鉴频信号处理单元产生的误差信号转化为所述调节信号，对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行微调。
进一步地，半导体激光器为DFB激光器或DBR激光器。
进一步地，探测器为光敏探测器。
一种采用如前任一项所述的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置进行稳频的方法，包括如下步骤：
步骤S11：半导体激光器根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一束激光，并发出所述激光；半导体激光器发出的激光经马赫-增德尔干涉仪装置分束和延迟处理后，输出两束有不同相位延迟的光信号，两束光信号在空间上相互分离；
步骤S12：鉴频信号处理单元检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的所述两束光信号，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号；
步骤S13：激光器控制微处理单元根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；
步骤S14：鉴频信号处理单元对检测得到的两路电信号进行处理，处理后的两路电信号与该校正信号进行比较运算，产生稳频控制所需的误差信号；
步骤S15：激光器控制微处理单元接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化为对激光器驱动电路进行调节的调节信号；
步骤S16：激光器驱动电路根据调节信号产生驱动电流或驱动电压，提供给半导体激光器，以调节半导体激光器的工作波长或工作频率；如果半导体激光器未工作在设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值的允许误差范围内，则返回步骤S11继续执行。
一种采用如前所述的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置进行稳频的方法，包括如下步骤：
步骤S21：半导体激光器根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一束激光，并发出所述激光；半导体激光器发出的激光经马赫-增德尔干涉仪装置的光分束结构分束和延迟处理后，输出两束有不同相位延迟的两束光信号XLD1和XLD2，两束光信号XLD1和XLD2在空间上相互分离；
步骤S22：鉴频信号处理单元的探测器检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的两束光信号XLD1和XLD2，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号YPD1和YPD2；
步骤S23：激光器控制微处理单元的校正信号产生电路根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；
步骤S24：鉴频信号处理单元的归一化处理单元对检测得到的两路电信号YPD1和YPD2进行处理，处理后的两路电信号YPD1和YPD2与校正信号一起，由鉴频信号处理单元的误差信号生成电路进行比较运算，产生用于稳频控制的误差信号；
步骤S25：激光器控制微处理单元的FPGA控制电路接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化调节信号；
步骤S26：激光器驱动电路根据调节信号产生驱动电流或驱动电压，提供给半导体激光器，以调节半导体激光器的工作波长或工作频率；如果半导体激光器未工作在设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值的允许误差范围内，则返回步骤S21继续执行。
本发明的有益效果：
1.本发明提出的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置，基于马赫-增德尔干涉仪工作原理，利用其输出信号具有类似三角函数分布特性，且其周期特性完全由光束经过马赫-增德尔干涉仪传输后引入的相位延迟θ决定等特点，提出了半导体激光器的无调制稳频方案。通过控制马赫-增德尔干涉仪两个干涉臂的长度，来准确定位激光频率与谐振峰的相对位置。通过将归一化处理后的两组鉴频信号，与根据激光稳频工作点对应的校正信号进行比较，生成误差信号，经由FPGA控制电路反馈调节激光器的驱动电流或驱动电压，实现稳频控制。本发明解决了现有可调谐激光器的稳频采用锁相稳频时控制系统复杂的问题，光路结构简单，归一化后的鉴频信号与光强无关，有效防止了激光抖动带来的不利影响，抗干扰能力强。
2.本发明采用无调制方法，并且锁定在谐振峰的斜边上，因此无需外加元件调节谐振峰位置，只需根据设定频率由激光器控制芯片或计算机生成校正信号，电路结构简单，成本较低，有利于应用推广。
3.本发明基于马赫-增德尔干涉仪工作原理产生的两束光束经过鉴频和差分放大运算后，正好满足归一化条件，避免了复杂的计算机运算，有效节约了计算机的运行时间。
附图说明
图1是本发明提出的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置的控制示意图；
图2是本发明提出的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置包括的马赫-增德尔干涉仪装置中光分束结构的结构示意图；
图3是本发明提出的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置包括的鉴频信号处理单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
实施例1：
本发明提出的一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置，如图1所示，基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置包括：依次连接的激光器驱动电路、半导体激光器、马赫-增德尔干涉仪装置、鉴频信号处理单元和激光器控制微处理单元，激光器控制微处理单元与激光器驱动电路连接。
其中，半导体激光器作为光源，根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一定波长或频率的一束激光，并发出所述产生的激光。
半导体激光器可以为DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布式反馈(DFB)激光器)，也可以为DBR激光器(distributed Bragg reflector Laser，分布式布拉格反射(DBR)激光器)。
马赫-增德尔干涉仪装置对半导体激光器发出的激光，进行分束和延迟处理后，输出两束有不同相位延迟的光信号。两束光信号在空间上相互分离。
鉴频信号处理单元检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的所述两束光信号，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号，并根据检测得到的所述两路电信号，产生稳频控制所需的误差信号。
激光器控制微处理单元接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化为对激光器驱动电路进行调节的调节信号。
激光器驱动电路根据所述调节信号产生驱动电流或驱动电压，并提供给半导体激光器，起到调节半导体激光器工作状态的作用。
进一步地，所述激光器控制微处理单元还根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；鉴频信号处理单元对检测得到的两路电信号进行处理，处理后的两路电信号与该校正信号进行比较运算，产生所述误差信号；激光器控制微处理单元将该误差信号转换为所述调节信号，激光器驱动电路根据该调节信号，产生驱动电流或驱动电压，并提供给半导体激光器，从而调节半导体激光器的工作状态。经过多次反馈调节后，当半导体激光器工作在设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值的可允许误差范围内时，即实现了对半导体激光器的稳频控制。
本发明还提出了一种采用前述的基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置进行稳频的方法，包括如下步骤：
步骤S11：半导体激光器根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一定波长或频率的一束激光，并发出所述激光；半导体激光器发出的激光经马赫-增德尔干涉仪装置分束和延迟处理后，输出两束有不同相位延迟的光信号，两束光信号在空间上相互分离；
步骤S12：鉴频信号处理单元检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的所述两束光信号，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号；
步骤S13：激光器控制微处理单元根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；
步骤S14：鉴频信号处理单元对检测得到的两路电信号进行处理，处理后的两路电信号与该校正信号进行比较运算，产生稳频控制所需的误差信号；
步骤S15：激光器控制微处理单元接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化为对激光器驱动电路进行调节的调节信号；
步骤S16：激光器驱动电路根据调节信号产生驱动电流或驱动电压，提供给半导体激光器，以调节半导体激光器的工作波长或工作频率；如果半导体激光器未工作在设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值的允许误差范围内，则返回步骤S11继续执行，从而实现半导体激光器的稳频闭环控制。
实施例2：
实施例2在实施例1的基础上，对实施例1中马赫-增德尔干涉仪装置的优选实施例进行描述。
所述马赫-增德尔干涉仪装置包括光分束结构，光分束结构如图2所示，光分束结构包括：第一耦合器、可变移相器和第二耦合器。
第一耦合器用于将半导体激光器发出的一束激光分成两束光信号。
可变移相器用于对第一耦合器分成的两束光信号进行相位延迟处理。
第二耦合器用于对经相位延迟处理的两束光信号进行相互干涉耦合，并输出两束有不同相位延迟的光信号。
所述第一耦合器和第二耦合器均采用分光比为1：1的标准3dB定向耦合器，此时第一耦合器和第二耦合器的相位因子为45°。
光分束结构的工作方式如下：来自半导体激光器的激光从马赫-增德尔干涉仪装置的某一个端口输入，第一3dB定向耦合器将输入的激光按照1:1的分光比分为两束光信号，可变移相器改变马赫-增德尔干涉仪两臂L1和L2的长度，从而在马赫-增德尔干涉仪两臂之间引入相位差，即两束光信号经过可变移相器后产生一个相位延迟θ，产生相位延迟的光束再通过第二3dB定向耦合器相互干涉耦合，得到两束具有不同相位的两束光信号XLD1和ILD2。
实施例3：
实施例3在实施例2的基础上，对实施例1中鉴频信号处理单元的优选实施例进行描述。
所述鉴频信号处理单元包括探测器、归一化处理单元和误差信号生成电路，如图3所示。
探测器可以为光敏探测器，用于对马赫-增德尔干涉仪输出的两束光信号转化为鉴频所需的电信号。
归一化处理单元包括可调运算放大电路和归一化模块，可调运算放大电路对转化后的电信号进行放大处理，归一化模块对放大后的电信号进行归一化处理。
误差信号生成电路包括偏移分析模块，偏移分析模块对归一化处理后的信号进行分析，生成所述误差信号。
鉴频信号处理单元的工作方式如下：两束光信号XLD1和XLD2分别经过探测器，转化为鉴频所需的两路电信号YPD1和YPD2，两路电信号YPD1和YPD2又分别经过归一化处理单元的可调运算放大电路进行放大处理，由于两路电信号正好常数项相加等于1，含相位延迟因子θ项表达式相同，但符号相反，因此可一同输入到归一化处理单元的归一化模块进行归一化处理，放大处理后的两路电信号经归一化处理单元的归一化模块进行归一化处理后，分别得到与强度无关的归一化信号N1和N2，消除了激光功率抖动对稳频过程的影响；归一化信号N1和N2与由激光器控制微处理单元根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值生成的校正信号一同送入误差信号生成电路的偏移分析模块进行比较运算，生成所述误差信号。
下面对基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置及稳频方法的工作原理进行详细说明。
设半导体激光器输出光强为ILD，从马赫-增德尔干涉仪装置的某一个端口输入，当马赫-增德尔干涉仪装置包括的光分束结构中，第一耦合器和第二耦合器均为标准的3dB耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为45°，可以推出光分束结构的两个输出端口分别输出的两束光信号XLD1和XLD2的光场强度为ILD2和ILD1，由于鉴频信号处理单元包括的探测器产生的两路电信号YPD1和YPD2，其电信号强度IPD与入射光强ILD成正比，满足IPD＝ηILD,η为探测器的光电转换率，则两个探测器生成的两路电信号YPD1和YPD2的电信号强度IPD1和IPD2分别为：
θ＝2πν/F
其中，v为入射光频率，θ为相位延迟，F为马赫-增德尔干涉仪的自由程，ηi(i＝1,2)分别为两个探测器的光电转换率。对于给定的耦合器，ηi与ILDi相互之间的比例关系是已知的，利用此关系可以设计鉴频信号处理单元包括的归一化处理单元中的可调运算放大电路，使得两路电信号YPD1和YPD2的电信号强度总和为1，从而对两路电信号YPD1和YPD2分别进行归一化处理，进而获得与光强无关的归一化信号N1和N2，此时只有频率漂移传递给归一化信号，而功率漂移对其无影响，归一化信号分别为：
根据实际应用中对本发明装置中半导体激光器所处稳定工作波长的要求，利用DSP芯片等硬件或者直接通过软件生成对应的信号，与归一化信号相比较，即可得到稳频控制所需误差信号：
任何频率漂移导致的相位延迟θ的偏差，都会直接传导为与之间的偏差。将这一偏差导入激光器控制微处理单元(在实施例4中对应激光器控制微处理单元包括的FPGA控制电路)，进而对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行微调，从而实现稳频。
实施例4：
实施例4在实施例1至3的基础上，对实施例1中激光器控制微处理单元的优选实施例进行描述。
所述激光器控制微处理单元包括校正信号产生电路和FPGA控制电路。
校正信号产生电路根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号。
FPGA控制电路将鉴频信号处理单元产生的误差信号转化为所述调节信号，对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行微调。
实施例5：
实施例5在实施例1的基础上，马赫-增德尔干涉仪装置采用实施例2的优选实施例，鉴频信号处理单元采用实施例3的优选实施例，激光器控制微处理单元采用实施例4的优选实施例。
所述马赫-增德尔干涉仪装置包括光分束结构，光分束结构如图2所示，光分束结构包括：第一耦合器、可变移相器和第二耦合器。
第一耦合器用于将半导体激光器发出的一束激光分成两束光信号。
可变移相器用于对第一耦合器分成的两束光信号进行相位延迟处理。
第二耦合器用于对经相位延迟处理的两束光信号进行相互干涉耦合，并输出两束有不同相位延迟的光信号。
所述第一耦合器和第二耦合器均采用分光比为1：1的标准3dB定向耦合器，此时第一耦合器和第二耦合器的相位因子为45°。
光分束结构的工作方式如下：来自半导体激光器的激光从马赫-增德尔干涉仪装置的某一个端口输入，第一3dB定向耦合器将输入的激光按照1:1的分光比分为两束光信号，可变移相器改变马赫-增德尔干涉仪两臂L1和L2的长度，从而在马赫-增德尔干涉仪两臂之间引入相位差，即两束光信号经过可变移相器后产生一个相位延迟θ，产生相位延迟的光束再通过第二3dB定向耦合器相互干涉耦合，得到两束具有不同相位的两束光信号XLD1和ILD2。
所述鉴频信号处理单元包括探测器、归一化处理单元和误差信号生成电路，如图3所示。
探测器可以为光敏探测器，用于对马赫-增德尔干涉仪输出的两束光信号转化为鉴频所需的电信号。
归一化处理单元包括可调运算放大电路和归一化模块，可调运算放大电路对转化后的电信号进行放大处理，归一化模块对放大后的电信号进行归一化处理。
误差信号生成电路包括偏移分析模块，偏移分析模块对归一化处理后的信号进行分析，生成所述误差信号。
鉴频信号处理单元的工作方式如下：两束光信号XLD1和XLD2分别经过探测器，转化为鉴频所需的两路电信号YPD1和YPD2，两路电信号YPD1和YPD2又分别经过归一化处理单元的可调运算放大电路进行放大处理，由于两路电信号正好常数项相加等于1，含相位延迟因子θ项表达式相同，但符号相反，因此可一同输入到归一化处理单元的归一化模块进行归一化处理，放大处理后的两路电信号经归一化处理单元的归一化模块进行归一化处理后，分别得到与强度无关的归一化信号N1和N2，消除了激光功率抖动对稳频过程的影响；归一化信号N1和N2与由激光器控制微处理单元根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值生成的校正信号一同送入误差信号生成电路的偏移分析模块进行比较运算，生成所述误差信号。
所述激光器控制微处理单元包括校正信号产生电路和FPGA控制电路。
校正信号产生电路根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号。
FPGA控制电路将鉴频信号处理单元产生的误差信号转化为所述调节信号，对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行微调。
本实施例中，基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置进行稳频的方法，包括如下步骤：
步骤S21：半导体激光器根据激光器驱动电路提供的驱动电流或驱动电压，产生一定波长或频率的一束激光，并发出所述激光；半导体激光器发出的激光经马赫-增德尔干涉仪装置的光分束结构分束和延迟处理后，输出两束有不同相位延迟的两束光信号XLD1和XLD2，两束光信号XLD1和XLD2在空间上相互分离；
步骤S22：鉴频信号处理单元的探测器检测马赫-增德尔干涉仪装置输出的两束光信号XLD1和XLD2，得到鉴频所需的与所述两束光信号对应的两路电信号YPD1和YPD2；
步骤S23：激光器控制微处理单元的校正信号产生电路根据设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，生成鉴频信号处理所需的校正信号；
步骤S24：鉴频信号处理单元的归一化处理单元对检测得到的两路电信号YPD1和YPD2进行归一化处理，处理后的两路电信号YPD1和YPD2与校正信号一起，由鉴频信号处理单元的误差信号生成电路进行比较运算，产生用于稳频控制的误差信号；
步骤S25：激光器控制微处理单元的FPGA控制电路接收鉴频信号处理单元产生的误差信号，并将其转化调节信号；
步骤S26：激光器驱动电路根据调节信号产生驱动电流或驱动电压，提供给半导体激光器，以调节半导体激光器的工作波长或工作频率；如果半导体激光器未工作在设定的半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值的允许误差范围内，则返回步骤S21继续执行，从而实现半导体激光器的稳频闭环控制。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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