外腔窄线宽半导体激光器的控制方法及相关装置

本技术属于外腔半导体激光器，具体涉及一种外腔窄线宽半导体激光器的控制方法及相关装置。

背景技术：

1、外腔半导体激光器(ecdl)以其窄线宽和调谐能力，已广泛应用于传感、激光雷达、量子技术等领域。ecdl的最佳性能取决于激光器电流、温度、相位和pzt电压等参数的选择，为了使ecdl处于最佳性能，需要调整控制其各项参数。

2、目前，ecdl控制方法大多采用的是固定参数或手动调整的方式，而这些方法在实时性和精度上存在明显的不足。环境的变化可能会使ecdl的最佳设置发生变化,此时需要利用智能算法来监测和调整这些参数，以保持激光器工作在最佳状态。为了解决这个问题，一些研究者已开始探索使用智能算法进行参数的动态调整，以优化ecdl的性能。然而，这些方法通常需要大量的计算资源，且难以实时适应环境变化，同时实用性并未得到充分的验证。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种外腔窄线宽半导体激光器的控制方法及相关装置，以解决现有技术中ecdl控制方法大多采用的固定参数或手动调整方式，在实时性和精度上存在明显的不足，而智能算法通常需要大量的计算资源，且难以实时适应环境变化，同时实用性并未得到充分的验证的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术采用的一个技术方案是：

3、提供了一种外腔窄线宽半导体激光器的控制方法，包括：

4、对激光器输出的第一pd信号进行采样，得到pd信号序列，所述第一pd信号为所述激光器针对施加有三角波信号的输入信号输出的光电信号；

5、基于所述pd信号序列，得到所述第一pd信号的初始周期波形；

6、基于所述三角波信号和所述初始周期波形，发送偏置电流调整信号和/或三角波信号幅度调整信号，以调整所述初始周期波形的位置，得到所述第一pd信号的第一周期波形，所述第一周期波形对应的采样时间位于所述三角波信号的一个上升沿周期内或下降沿周期内；

7、基于所述三角波信号和所述第一周期波形，发送中心温度调整信号，以调整所述第一周期波形的信号最大值的位置，得到所述第一pd信号的第二周期波形，所述第二周期波形的信号最大值对应的采样时间位于所述三角波信号的上升沿周期的中心位置或下降沿周期的中心位置；

8、基于所述第二周期波形和预期波形，发送硅电阻调整信号，得到第三周期波形，所述第三周期波形符合所述预期波形；

9、发送偏置电流步进调整信号，并在偏置电流调整过程中对激光器输出的第二pd信号进行采样，基于采样结果，锁定所述激光器，所述第二pd信号为所述激光器针对未施加所述三角波信号的输入信号输出的光电信号。

10、在一个或多个实施方式中，所述对激光器输出的第一pd信号进行采样，得到pd信号序列的步骤包括：

11、以所述三角波信号的上升沿起始端对采样起点，在所述三角波信号的每一周期均匀设置n个采样时刻，在每一所述采样时刻对所述第一pd信号进行采样，得到所述pd信号序列。

12、在一个或多个实施方式中，所述基于所述pd信号序列，得到所述第一pd信号的初始周期波形的步骤包括：

13、遍历所述pd信号序列中的信号点得到所述第一pd信号的最大值和最小值式中，i＝1，2……n，为第i时刻采样的信号幅值；

14、基于以下公式计算得到边界阈值pdthreshold：

15、式中，n为大于1的正整数，i＝1，2……n；

16、由所述pd信号序列中选择信号强度等于所述边界阈值pdthreshold的信号点作为边界点

17、基于以下公式将所述边界点分类，得到下降有效边界点u或上升有效边界点d：

18、

19、基于所述下降有效边界点u和上升有效边界点d，得到所述第一pd信号的初始周期波形。

20、在一个或多个实施方式中，所述基于所述三角波信号和所述初始周期波形，发送偏置电流调整信号和/或三角波信号幅度调整信号，以调整所述初始周期波形的位置，得到所述第一pd信号的第一周期波形的步骤包括：

21、判断所述初始周期波形是否位于预设的采样时刻左边界和采样时刻右边界之间；

22、若否，发送偏置电流调整信号，直至所述初始周期波形位于预设的采样时刻左边界和采样时刻右边界之间；

23、判断所述初始周期波形的宽度是否大于第一阈值或小于第二阈值，所述初始周期波形的宽度为所述采样时刻dk和所述下降有效边界点u对应的采样时刻uk之间的差值；

24、若所述初始周期波形的宽度大于所述第一阈值，发送三角波信号幅度减小信号，直至所述初始周期波形的宽度小于所述第一阈值；

25、若所述初始周期波形的宽度小于所述第二阈值，发送三角波信号幅度增大信号，直至所述初始周期波形的宽度大于所述第二阈值。

26、在一个或多个实施方式中，所述发送偏置电流调整信号，直至所述初始周期波形位于预设的采样时刻左边界和采样时刻右边界之间的步骤包括：

27、判断所述上升有效边界点d对应的采样时刻dk是否小于所述采样时刻左边界；

28、若是，发送偏置电流减小信号，直至所述采样时刻dk小于所述采样时刻左边界；

29、若否，发送偏置电流增大信号，直至所述下降有效边界点u对应的采样时刻uk小于所述采样时刻右边界。

30、在一个或多个实施方式中，所述基于所述三角波信号和所述第一周期波形，发送中心温度调整信号，以调整所述第一周期波形的信号最大值的位置，得到所述第一pd信号的第二周期波形的步骤包括：

31、遍历所述第一周期波形，获得信号最大值对应的采样时刻maxk；

32、基于以下公式确定所述采样时刻maxk的最大值采样时刻左边界l和最大值采样时刻右边界r：l＝(muk+dk)/m+1，r＝(uk+mdk)/m+1，式中，m为大于1的正整数；

33、判断所述采样时刻maxk是否满足以下关系：l≤maxk≤r；

34、若所述采样时刻maxk小于所述最大值采样时刻左边界l，发送中心温度降低信号，直至所述采样时刻maxk大于所述最大值采样时刻左边界l；

35、若所述采样时刻maxk大于所述最大值采样时刻右边界r，发送中心温度增加信号，直至所述采样时刻maxk小于所述最大值采样时刻右边界r。

36、在一个或多个实施方式中，所述基于所述第二周期波形和预期波形，发送硅电阻调整信号，得到第三周期波形的步骤包括；

37、判断所述第二周期波形是否符合以下公式：

38、

39、式中，为所述最大值采样时刻左边界l的信号强度，为所述最大值采样时刻右边界r的信号强度，t1为预设的第三阈值，t2为预设的第四阈值；

40、若否，发送硅电阻调整信号，直至所述第二周期波形符合上述公式。

41、在一个或多个实施方式中，所述发送偏置电流步进调整信号，并在偏置电流调整过程中对激光器输出的第二pd信号进行采样，基于采样结果，锁定所述激光器的步骤包括：

42、基于以下公式确定多个目标电流值ci：

43、ci＝pz+dac_valmax_k/i，

44、式中，i为正整数，dac_valmax_k为所述第二周期波形中信号最大值对应的采样时刻时数字模拟转换器的输出值，pz为所述第三周期波形对应的偏置电流大小；

45、发送偏置电流步进调整信号，以将偏置电流调整至一个所述目标电流值；

46、在所述偏置电流调整完成时，发送三角波幅度调零信号并对所述激光器输出的所述第二pd信号进行采样，得到pd扫描值；

47、将所述pd扫描值与所述边界阈值pdthreshold进行比较；

48、若所述pd扫描值大于所述边界阈值pdthreshold，初步锁定所述激光器；

49、若所述pd扫描值小于所述边界阈值pdthreshold，发送三角波幅度恢复信号和偏置电流步进调整信号，以将所述偏置电流调整至下一个所述目标电流值；

50、重复上述步骤，直至所述pd扫描值大于所述边界阈值pdthreshold，初步锁定所述激光器。

51、在一个或多个实施方式中，还包括：

52、对初步锁定后的所述激光器输出的第二pd信号进行轮询采样，将采样三次得到的pd值p1、p2和p3收集至第一队列中；

53、比较所述第一队列中p1、p2和p3的大小；

54、若p1<p2<p3，发送偏置电流递增信号，以使偏置电流增大预设值，重复上述步骤，直至p2>p1,且p2>p3，锁定所述激光器；

55、若p1>p2>p3，发送偏置电流递减信号，以使偏置电流减少预设值，重复上述步骤，直至p2>p1,且p2>p3，锁定所述激光器。

56、在一个或多个实施方式中，还包括：

57、对锁定后的所述激光器输出的所述第二pd信号进行轮询采样；

58、将每次轮询采样的pd值和所述激光器锁定时的pd值进行比较，若所述轮询采样的pd值和所述激光器锁定时的pd值之间的差值大于第五阈值，则重复所述发送偏置电流步进调整信号，并在偏置电流调整过程中对激光器输出的第二pd信号进行采样，基于采样结果，锁定所述激光器的步骤。

59、在一个或多个实施方式中，与所述将每次轮询采样的pd值和所述激光器锁定时的pd值进行比较的步骤同步的还包括：

60、将每次轮询采样的pd值和所述边界阈值pdthreshold进行比较，若所述轮询采样的pd值小于所述边界阈值pdthreshold，则复位所述激光器，并重复所述对激光器输出的第一pd信号进行采样，得到pd信号序列的步骤。

61、为实现上述目的，本技术采用的另一个技术方案是：

62、提供一种外腔窄线宽半导体激光器的控制装置，包括：

63、采样模块，用于对激光器输出的第一pd信号进行采样，得到pd信号序列，所述第一pd信号为所述激光器针对施加有三角波信号的输入信号输出的光电信号；

64、初始定位模块，用于基于所述pd信号序列，得到所述第一pd信号的初始周期波形；

65、第一位置调整模块，基于所述三角波信号和所述初始周期波形，发送偏置电流调整信号和/或三角波信号幅度调整信号，以调整所述初始周期波形的位置，得到所述第一pd信号的第一周期波形，所述第一周期波形对应的采样时间位于所述三角波信号的一个上升沿周期内或下降沿周期内；

66、第二位置调整模块，用于基于所述三角波信号和所述第一周期波形，发送中心温度调整信号，以调整所述第一周期波形的信号最大值的位置，得到所述第一pd信号的第二周期波形，所述第二周期波形的信号最大值对应的采样时间位于所述三角波信号的上升沿周期的中心位置或下降沿周期的中心位置；

67、波形调整模块，用于基于所述第二周期波形和预期波形，发送硅电阻调整信号，得到第三周期波形，所述第三周期波形符合所述预期波形；

68、锁定模块，用于发送偏置电流步进调整信号，并在偏置电流调整过程中对激光器输出的第二pd信号进行采样，基于采样结果，锁定所述激光器，所述第二pd信号为所述激光器针对未施加所述三角波信号的输入信号输出的光电信号。

69、在一个或多个实施方式中，还包括：

70、锁定状态监测模块，用于对锁定后的所述激光器输出的所述第二pd信号进行轮询采样；

71、调整模块，用于将每次轮询采样的pd值和所述激光器锁定时的pd值进行比较，若所述轮询采样的pd值和所述激光器锁定时的pd值之间的差值大于第五阈值，则控制所述锁定模块重新锁定所述激光器。

72、在一个或多个实施方式中，所述调整模块还用于将每次轮询采样的pd值和所述边界阈值pdthreshold进行比较，若所述轮询采样的pd值小于所述边界阈值pdthreshold，则复位所述激光器，并控制所述采样模块重新采样以重新锁定所述激光器。

73、为实现上述目的，本技术采用的又一个技术方案是：

74、提供一种电子设备，包括：

75、至少一个处理器；以及

76、存储器，所述存储器存储有指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如上述任一实施方式所述的外腔窄线宽半导体激光器的控制方法。

77、为实现上述目的，本技术采用的又一个技术方案是：

78、提供一种机器可读存储介质，存储有可执行指令，当所述指令被执行时，使得所述机器执行如上述任一实施方式的外腔窄线宽半导体激光器的控制方法。

79、区别于现有技术，本技术的有益效果是：

80、本技术的控制方法，实现了对外腔窄线宽半导体激光器的高效、实时动态控制，保证外腔窄线宽半导体激光器持续处于最佳工作状态；相对于传统控制方法，有效降低计算复杂性，增强自适应性，具有广泛的应用前景。