一种数字PDH误差解算模块和激光器系统的制作方法

一种数字pdh误差解算模块和激光器系统
技术领域
1.本技术涉及激光器领域，尤其涉及一种数字pdh误差解算模块和激光器系统。


背景技术：

2.窄线宽激光在时间频率传递、光频率标准、超稳微波信号产生、精密激光光谱、引力波探测以及基本物理实验等方面有着重要的应用。pound-drever-hall(pdh)方法是将激光器的输出频率与光学参考腔的共振频率进行比较，获得误差信号，在通过反馈的方式调节激光器输出频率，从而将激光器输出频率锁定在参考腔的共振频率上。该方法具有鉴频特性好、信噪比高、伺服响应快等特点。
3.目前，获得pdh误差信号通常采用分立式模拟器件产生并解算。采用相干解算的方法，通过信号发生源或dds生成两路同频正弦信号，一路输入电光调制器对激光进行光外差调制，由光电探测器接收光学参考腔反射光信号转换为电信号，获得带调制载波的误差信号，与相移后的另一路正弦信号混频，再经过低通滤波器解算出误差信号。
4.相干解算要求本振信号相位光电探测器得到的电信号载波相位严格匹配，在实践中通过调整信号源两路正弦信号的相移，同时观察示波器误差信号波形，通过调节相移得到误差信号最大幅度确定相移量。该方法忽略了传输线中相位随时间的变化，不可避免地引入了噪声，降低系统的控制精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种数字pdh误差解算模块和激光器系统，解决激光器频率控制精度不高的问题。
6.本技术实施例提供一种数字pdh误差解算模块，用于激光器输出频率调节，所述数字pdh误差解算包括dds、乘法器、平方器、开方器、低通滤波器、判别器、反相器。其中，dds，生成中频正交信号sin和cos；输入信号分为两路，分别与sin和cos相乘后经二阶低通滤波得到同相支路信号i和正交支路信号q。信号i和信号q分别经过平方器，将输出信号相加后再经过开方器。当i路信号大于0时，所述开方器输出为第一控制信号；当i路信号小于0时，所述开方器反相输出为第一控制信号。
7.优选地，所述数字pdh误差解算模块进一步包括adc和dac。所述adc位于所述数字pdh误差解算模块的输入端；所述dac位于所述数字pdh误差解算模块的输出端。
8.进一步地，所述数字pdh误差解算模块还输出第二控制信号、第三控制信号。所述sin信号输出为第二控制信号，用于调节激光器输出频率。所述数字pdh误差解算模块包含三角波生成器时，三角波生成器用于产生三角波信号作为第三控制信号，所述第三控制信号用于控制激光器扫频。
9.进一步地，所述数字pdh误差解算模块，还包括信号调理单元。所述信号调理单元配置在所述数字pdh误差解算模块的输入端和/或输出端。所述信号调理单元，用于调节信号幅度和偏置、对模拟信号进行低通滤波，滤波带宽小于adc或dac采样率的一半。
10.本技术还提出一种数字pdh误差解算的激光器系统，使用本技术任意一项实施例所述的数字pdh误差解算模块，所述系统还包含
11.顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器；
12.所述光纤耦合器旁路输出稳定激光；
13.所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜进入光学参考腔，生成反射光返回至所述环形器输出端；
14.所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至光电探测器，获得误差信号，作为所述数字pdh误差解算模块的输入信号；
15.所述第一控制信号，经声光调制器驱动电路控制所述声光调制器的调制端。
16.优选地，以sin信号作为第二控制信号，输入所述电光调制器的调制端。
17.优选地，以三角波信号作为第三控制信号，输送到激光器的pzt调节端，实现激光器扫频。
18.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
19.本发明将激光器控制、正弦信号产生以及误差信号解算集成于单块数字板上，具有功能完备、性能优越、体积小的特点。利用fpga实现激光稳频系统中pound-drever-hall反馈控制方法所需的信号发生源与误差信号产生的所有功能，通过在正交解算逻辑中嵌套一层判断逻辑，解决正交解算方案由于对同相支路信号与正交支路信号平方和开根号操作引起的误差信号符号信息丢失问题，在功能完整性的前提下，提高了系统的集成度及系统精度，降低操作复杂度。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
21.图1是本发明的数字pdh误差信号正交解算模块实施例
22.图2是包含数字pdh误差信号正交解算模块的激光器系统实施例。
具体实施方式
23.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.本技术利用全光纤光学组件及五个自由度的光学调整架，实现超稳窄线宽激光系统光学部分的小型化，减低系统安装的复杂度，减少重复调节工作。
25.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
26.图1是本发明的数字pdh误差信号正交解算模块实施例。
27.本技术实施例提供一种数字pdh误差解算模块，用于激光器输出频率调节，所述数字pdh误差解算包括dds、乘法器、平方器、开方器、低通滤波器、判别器、反相器。其中，dds，生成中频正交信号sin和cos；输入信号分为两路，分别与sin和cos相乘后经二阶低通滤波得到同相支路信号i和正交支路信号q。信号i和信号q分别经过平方器，将输出信号相加后
再经过开方器。当i路信号大于0时，所述开方器输出为第一控制信号；当i路信号小于0时，所述开方器反相输出为第一控制信号。
28.如图1，例如，正弦信号由fpga内部dds ip核生成10mhz正交的两路信号sin与cos。将sin信号输出；输入信号经数字一阶低通滤波去除高频杂散后分两路分别与sin和cos相乘后经二阶低通滤波得同相支路信号i与正交支路信号q，并求两路信号的平方和开根号得输出out；以i路信号为参考，若i路信号为大于零，则输出out，若i路信号小于零，则输出-out，得到误差信号，经过内部数字pid模块后得到激光频率反馈控制信号。
29.优选地，所述数字pdh误差解算模块进一步包括adc和dac。所述adc位于所述数字pdh误差解算模块的输入端；所述dac位于所述数字pdh误差解算模块的输出端。
30.进一步地，所述数字pdh误差解算模块还输出第二控制信号、第三控制信号。所述sin信号输出为第二控制信号，用于调节激光器输出频率。所述数字pdh误差解算模块包含三角波生成器时，三角波生成器用于产生三角波信号作为第三控制信号，所述第三控制信号用于控制激光器扫频。
31.进一步地，所述数字pdh误差解算模块，还包括信号调理单元。所述信号调理单元配置在所述数字pdh误差解算模块的输入端和/或输出端。所述信号调理单元，用于调节信号幅度和偏置、对模拟信号进行低通滤波，滤波带宽小于adc或dac采样率的一半。
32.作为本技术的最佳实施例，制成高速数字pound-drever-hall误差信号正交解算电路，该电路包含三部分，分别为模拟信号调理电路，数模/模数转换电路以及fpga模块。模拟信号调理电路对输入信号幅度进行缩放和附加偏置，使外输入模拟信号尽可能在adc的满量程范围内被采样，并进行抗混叠滤波(为低通滤波，截止根据奈奎斯特采样定律，应小于adc采样率的一半，工程上应为三分之一至四分之一)，滤除高频噪声，避免因频谱混叠产生的信号失真；对dac输出信号进行缩放、施加偏置以及平滑滤波，使输出信号满足外设的输入要求。该模块有一输入三输出。输出3(第三控制信号)用于产生三角波信号输送给激光器的pzt调节端，用于实现激光扫频；输出2(第二控制信号)输出10mhz正弦信号，输送到电光调制器射频输入端，对激光进行外差调制，以获得用于反馈控制激光频率的误差信号，该误差信号的大小正比于输出激光频率与光学参考腔频率之间的偏差，在扫频下该误差信号为类色散鉴频曲线(仅使用中间线性部分)；输出1(第一控制信号)解算的误差信号，并经过fpga内的数字pid模块，以补偿反馈系统响应，用于接入aom驱动器控制激光频率。输入接收由光电探测器接收光学参考腔反射光信号转换的电信号，该信号为带调制的误差信号，经内部数字滤波后由内部正交解算模块计算处理，获得误差信号。
33.由于误差信号存在负值，而正交解算算法包含由平方和开根号运算，仅保留了误差信号的绝对值。本发明通过嵌套一层判断逻辑解决误差信号解算中符号信息丢失的问题。
34.图2是包含数字pdh误差信号正交解算模块的激光器系统实施例(图中，光路中实线为光纤连接；虚线为自由空间传播)。
35.本技术实施例提供一种超稳窄线宽激光器系统，包括通过光纤顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器、光纤耦合镜，及配置在光纤耦合镜下游的光学参考腔，还包含连接于环形器第三端口的光电探测器。
36.所述光纤耦合器旁路输出稳定激光。所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜进入
光学参考腔，生成反射光返回至所述环形器输出端。所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至光电探测器，获得误差信号，作为所述数字pdh误差解算模块的输入信号；
37.例如，为了实现上述目的，本发明采用的是：基于波导的声光调制器(aom)、基于波导的电光调制器(eom)、可调焦光纤耦合镜。第一光电探测器为光纤耦合方式。
38.超稳窄线宽激光器系统工作时，激光在光纤内传输，由自由运转激光器经隔离器，aom，再由光纤耦合器将激光光束分为两路，一路用于激光输出，另一路用于产生误差反馈信号，用于产生误差反馈信号的一路经eom后由环形器第一端口送至第二端口，再通过光纤耦合镜转换成自由空间激光光束耦合进光学参考腔，同时将耦合回来的光经环形器第二端口送至第三端口输出接入光电探测器，以获得用于控制激光器频率的误差反馈信号。
39.所述第一控制信号，经声光调制器驱动电路控制所述声光调制器的调制端。优选地，以sin信号作为第二控制信号，输入所述电光调制器的调制端。优选地，以三角波信号作为第三控制信号，输送到激光器的pzt调节端，实现激光器扫频。
40.在对激光器系统进行控制时，连接好超稳窄线宽激光器系统光路与电路，调节好光路耦合。激光沿光纤经隔离器、声光调制器(aom)、光纤耦合器、电光调制器(eom)、环形器、光纤耦合镜耦合进光学参考腔，由光学参考腔反射回来的光信号经环形器接入光电探测器转换成电信号接入高速数字pdh误差信号正交解算模块的输入端。数字模块的输出，输出3(第三控制信号)输出三角波信号接入激光器pzt控制端，实现激光扫频；输出2(第二控制信号)输出10mhz正弦信号给电光调制器实现对激光的外差调制；输出1(第一控制信号)为经过数字pid模块的最终解算的误差信号，接入aom驱动器实现激光频率控制。
41.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
42.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。