一种激光频率锁定系统及激光频率锁定方法与流程

1.本技术涉及激光领域，具体涉及一种激光频率锁定系统及激光频率锁定方法。


背景技术：

2.激光器在自由运转过程中，其输出激光的频率漂移较大。在温度、湿度稳定性较好的实验室条件下，激光器在几小时内的频率漂移通常能够达到几百兆赫兹。在原子物理、量子精密测量等相关领域中，为避免激光器频率漂移对实验和测量产生影响，经常需要对激光器进行激光频率锁定。激光频率稳定通常以某种具有低漂移特性的体系为参考，比如原子分子的发射或吸收谱线、超稳光学腔的共振频率，光学频率梳等，而激光的大范围移动则通常依靠频率控制器件，比如声光调制器、电光调制器等。
3.中国专利cn102610991公开了一种激光频率锁定技术，利用pdh频率锁定方法，包括如下步骤：（a）将包含残余幅度调制的激光光束分解成两束相互垂直的线偏振光；（b）、分别将两束线偏振光的光信号转化为电信号；（c）将两束线偏振光的电信号的强度相减，获得一个代表两束线偏振光相位差的电信号；（d）将代表该相位差的电信号作为误差信号反馈至对激光进行调制的电光调制器，消除残余幅度调制。
4.但是电光调制器由于具有多个频谱边带，因此得不到单一频率的激光，而声光调制器频移范围一般不超过2ghz。此外，如果想对激光频率进行进一步的动态范围扩展，则需要改变锁定共振频率点。与之类似的，以光学频率梳为参考的方法，用光学频率梳的重复频率替换了光学腔的共振频率作为锁定点。
5.此外为了实现大动态频率移动，通常需要多个不同频率的参考信号，而原子分子参考并不保证在任何频谱范围都有合适的参考谱线，且稳光学腔和光频梳成本高昂，上述种种因素都给实际应用带来较多不便。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中的技术问题，本技术提供了一种激光频率锁定系统及方法，采用成熟电子器件，可有效解决系统结构复杂、调试锁定难度大、系统鲁棒性较差且造价昂贵、维护成本高的等问题，通过引入混频模块和参比模块以及逐级的频率降低，可实现激光频率大范围连续可调，能够满足原子物理、量子精密测量等领域中的激光频率锁定需求。
7.为实现上述技术效果，本技术采用的技术方案是：一种激光频率锁定系统，包括参考信号发生及混频模块、参比模块、信号处理模块，所述参考信号发生及混频模块包括第一激光发生模块、第二激光发生模块及高速光电探测器，所述第一激光发生模块用于出射频率稳定的第一激光，所述第二激光发生模块用于出射频率待锁定的第二激光；所述高速光电探测器用于探测并出射第一激光和第二激光的拍频信号；所述参比模块可用于接受拍频信号，同时稳定出射频率可调的参考射频信号，并
可将拍频信号与参考射频信号进行混频后出射低频信号；所述信号处理模块用于接受低频信号，根据所述低频信号与预设信号频率值，计算得到频率差值，再利用反馈回路将频率差值反馈至所述第二激光发生模块中，实现第二激光的频率锁定。
8.作为一种优选方案，所述信号处理模块可实现多次计算-反馈过程，当频率差值为零时，激光频率锁定系统达到动态稳定。
9.作为一种优选方案，所述参考信号发生及混频模块还包括沿着拍频信号出射方向设置的直流偏置器、微波放大器、微波分频器，所述拍频信号经过直流偏置器、微波放大器、微波分频器后入射参比模块。
10.作为一种优选方案，所述参比模块包括锁相环压控振荡器、微波混频器、低通滤波器，所述锁相环压控振荡器可稳定出射频率可调的参考射频信号，微波混频器用于将拍频信号及参考射频信号混合后出射混频信号，低通滤波器可将混频信号中的高频信号过滤后出射低频信号。
11.优选的，所述锁相环压控振荡器为电压控制的锁相环压控振荡器。
12.作为一种优选方案，所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围为 hz，其中为参考信号发生及混频模块中微波分频器的分频比，f为锁相环压控振荡器的出射频率范围。
13.优选的，所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围，即r
×
f，为1mhz~40ghz。
14.作为一种优选方案，所述信号处理模块包括比较器、计数器、d/a转换器、时序控制模块、模拟pid模块，所述低频信号输入至比较器中，进行波形转化后输入计数器，计数器将低频信号与时序控制系统产生的预设信号进行频率比较，产生频率差值信号，d/a转化器将频率差值信号再次转换为模拟控制量后输入模拟pid模块，模拟pid模块将模拟控制量反馈至第二激光发生模块后，对第二激光的频率进行锁定，完成整个激光频率锁定环路的闭环。
15.优选的，模拟pid反馈环可将频率控制量反馈至第二激光发生模块的频率控制端口。
16.作为一种优选方案，本技术中提供的激光频率锁定系统精度为激光线宽，压控振荡器精度 和模拟锁相环的频率控制精度三者中的最大值。
17.本技术还提供一种激光频率锁定方法，应用于上述激光频率锁定系统中的任意一种，包括步骤：步骤s1：参数初始化，设置稳定激光的出射频率，设置待锁定激光的目标频率，设置参考射频信号的频率，设置预设信号的频率；步骤s2：信号混频，微波混频器得到参考激光与待锁定激光进行混频并输出拍频信号；步骤s3：数据处理，将拍频信号和参考射频信号进行混频，得到混频后的低频信号，根据所述低频信号与预设信号频率值，计算得到频率差值；步骤s4：反馈控制，将频率差值反馈至待稳定激光器的输入端以实现待稳定激光频率锁定。
18.作为一种优选方案，步骤s2和步骤s3可反复迭代，直至步骤s3中的频率差值为零，
整体激光频率锁定系统保持动态平衡。
19.本技术方案的优点：1、本方案主要采用常规电子器件在常规工作条件下工作，结构简单，易于实现，并且具有模块化、适用范围广、可替换性强的优势，能够有效降低使用成本和设备体积；2、本方案通过外加参比模块，通过调整参比模块的参考射频信号的输出频率以及逐级降频的设计，即可实现待锁定激光频率在大范围内的连续可调，调节灵活，锁定后的激光频率稳定性较高，鲁棒性较强；3、本激光频率锁定系统应用面广，可广泛应用于原子物理、光谱测量分析、量子精密测量以及激光系统等各领域中。
附图说明
20.图1为本技术的一个实施例中提供的激光频率锁定系统结构框图；图2为本技术的一个实施例中提供的激光频率锁定系统结构框图。
实施方式
21.下面将详细描述本技术的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本技术进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本技术，而不是限定本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本技术的示例来提供对本技术更好的理解。
22.在本技术的一个实施例中，如图1所示，提供了一种激光频率锁定系统，一种激光频率锁定系统，包括参考信号发生及混频模块、参比模块、信号处理模块，所述参考信号发生及混频模块包括第一激光发生模块、第二激光发生模块及高速光电探测器，所述第一激光发生模块用于出射频率稳定的第一激光，所述第二激光发生模块用于出射频率待锁定的第二激光；所述高速光电探测器用于探测并出射第一激光和第二激光的拍频信号；所述参比模块可用于接受拍频信号，同时稳定出射频率可调的参考射频信号，并可将拍频信号与参考射频信号进行混频后出射低频信号；所述信号处理模块用于接受低频信号，根据所述低频信号与预设信号频率值，计算得到频率差值，再利用反馈回路将频率差值反馈至所述第二激光发生模块中，实现第二激光的频率锁定。
23.在本实施例中，激光发生模块有两路，一路为稳定激光，用于与待稳定激光进行混频；另一路激光为待稳定激光。激光器可选用调制激光器，也可选用半导体激光器，选用范围较为灵活，稳定激光与待稳定激光同时输入高速光电探测器，高速光电探测器采集两路信号以后，可输出两路激光的拍频信号。
24.参比模块用于接收拍频信号，同时参比模块自身可出射稳定发射频率范围可调的参考射频信号，出射参考射频信号的频率根据拍频信号的频率及实际工况需求而选择，具有大范围可调的优点，并可将拍频信号与参考射频信号进行混频后，再次出射低频信号。
25.信号处理模块可以接受低频信号，同时模块本身会产生一个预设信号，具有稳定的频率，经过计算，可得到低频信号和预设信号的频率差值，进可转化为电压控制量或者电流控制量的控制信号，将该控制信号反馈至所述第二激光发生模块中，从而实现第二激光的频率锁定。
26.在本技术中，引入了参比模块，可发射频率范围可调的参考射频信号，同时，还可以对预设信号的频率进行设定，并在整体系统运行过程中，通过拍频、混频、过滤后可将原有的高频激光信号进行降频后处理，通过降频过程，可稳定原有无法处理的高频激光信号，通过调整参考射频信号以及预设信号的频率，可根据信源情况，有效实现激光信号的大范围连续可调。
27.在本技术的一个实施例中，所述信号处理模块可实现多次计算-反馈过程，当频率差值为零时，激光频率锁定系统达到动态稳定。在整个激光频率锁定的过程为一个动态平衡的过程，当频率差值为零时，第二激光的频率锁定，整体系统达到动态平衡，在系统运行过程中，第二激光的频率会发生细微波动，此时，信号处理模块再次进行计算反馈，再次调整锁定第二激光的频率，使得整体系统达到动态平衡，整体系统运行为一个动态调节的过程。
28.在本技术的一个实施例中，所述参考信号发生及混频模块还包括沿着拍频信号出射方向设置的直流偏置器、微波放大器、微波分频器，所述拍频信号经过直流偏置器、微波放大器、微波分频器后入射参比模块。
29.直流偏置器用于过滤直流信号、保留交流信号，微波放大器用于交流信号的再次放大，微波分频器用于降低信号频率，经光电探测器处理后的拍频信号依次经过上述部件处理后入射参比模块。
30.在本技术的一个实施例中，所述参比模块包括锁相环压控振荡器、微波混频器、低通滤波器，所述锁相环压控振荡器可稳定出射频率可调的参考射频信号，微波混频器用于将拍频信号及参考射频信号混合后出射混频信号，低通滤波器可将混频信号中的高频信号过滤后出射低频信号。信号经过该模块的处理后，频率进一步降低。
31.在本技术的一个实施例中，所述锁相环压控振荡器为电压控制的锁相环压控振荡器，可通过微控制单元mcu进行控制，通过控制输入电压，即可灵活输出所需频率的参考射频信号。
32.在本技术的一个实施例中，所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围为 hz，其中为参考信号发生及混频模块中微波分频器的分频比，f为锁相环压控振荡器的出射频率范围。
33.在本技术的一个实施例中，所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围，即r
×
f，为1mhz~40ghz，可根据实际工况需求选择合适的锁相环压控振荡器。
34.在本技术的一个实施例中，所述信号处理模块包括比较器、计数器、d/a转换器、时序控制模块、模拟pid模块，所述低频信号输入至比较器中，进行波形转化后输入计数器，计数器将低频信号与时序控制系统产生的预设信号进行频率比较，产生频率差值信号，d/a转化器将频率差值信号再次转换为模拟控制量后输入模拟pid模块，模拟pid模块将模拟控制量反馈至第二激光发生模块后，对第二激光的频率进行锁定，完成整个激光频率锁定环路的闭环。
35.在本技术的一个实施例中，模拟pid反馈环可将频率控制量反馈至第二激光发生模块的频率控制端口。
36.如图2所示，提供了一个实施例中提供的激光频率锁定系统的结构框图。
37.在本技术的一个实施例中，本技术中提供的激光频率锁定系统精度为激光线宽，压控振荡器精度 和模拟锁相环的频率控制精度三者中的最大值。
38.本技术还提供一种激光频率锁定方法，应用于上述激光频率锁定系统中的任意一种，包括步骤：步骤s1：参数初始化，设置稳定激光的出射频率，设置待锁定激光的目标频率，设置参考射频信号的频率，设置预设信号的频率；步骤s2：信号混频，微波混频器得到参考激光与待锁定激光进行混频并输出拍频信号；步骤s3：数据处理，将拍频信号和参考射频信号进行混频，得到混频后的低频信号，根据所述低频信号与预设信号频率值，计算得到频率差值；步骤s4：反馈控制，将频率差值反馈至待稳定激光器的输入端以实现待稳定激光频率锁定。
39.作为一种优选方案，步骤s2和步骤s3可反复迭代，直至步骤s3中的频率差值为零，整体激光频率锁定系统保持动态平衡。
40.在一个实际工况中，具有两路激光信号，一路为频率稳定的激光信号，另一路待锁定的激光信号，高速光电探测器探测采集到两个激光器发射出的激光信号后，进行处理，并输出拍频信号，拍频信号经过过滤直流、放大器放大、微波分频器的降频后与经过由微控制单元(mcu)控制锁相环压控振荡器产生的参考频率信号混频，可产生混频信号；该混频信号通过低通滤波后出射低频信号，该低频信号输入比较器，进行波形转换，转换后的低频信号与信号处理模块产生的预设信号进行计算分析后，可得到低频信号和预设信号的频率差值，进可转化为电压控制量或者电流控制量的控制信号，通过pid电路将该控制信号反馈到待锁定激光器中即可待锁定激光的频率，这就实现了对激光器输出频率的锁定。

技术特征：
1.一种激光频率锁定系统，其特征在于：包括参考信号发生及混频模块、参比模块、信号处理模块，所述参考信号发生及混频模块包括第一激光发生模块、第二激光发生模块及高速光电探测器，所述第一激光发生模块用于出射频率稳定的第一激光，所述第二激光发生模块用于出射频率待锁定的第二激光；所述高速光电探测器用于接收并出射第一激光和第二激光的拍频信号；所述参比模块可用于接受拍频信号，并出射频率可调的参考射频信号，同时可将拍频信号与参考射频信号进行混频后出射低频信号；所述信号处理模块用于接受低频信号，根据低频信号的频率与预设信号的频率值，计算得到频率差值，反馈回路将频率差值反馈至所述第二激光发生模块中，实现第二激光的频率锁定。2.根据权利要求1所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述信号处理模块可实现多次计算-反馈过程，当频率差值为零时，激光频率锁定系统达到动态稳定。3.根据权利要求1所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述参考信号发生及混频模块还包括沿着拍频信号出射方向设置的直流偏置器、微波放大器、微波分频器。4.根据权利要求3所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述参比模块包括锁相环压控振荡器、微波混频器、低通滤波器，所述锁相环压控振荡器可稳定出射频率可调的参考射频信号，微波混频器用于将拍频信号及参考射频信号混合后出射混频信号，低通滤波器可将混频信号中的高频信号过滤后出射低频信号。5.根据权利要求4所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围为 hz，其中为微波分频器的分频比，f为锁相环压控振荡器的信号出射频率范围。6.根据权利要求5所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述激光频率锁定系统中第二激光的频率调整范围为1mhz~40ghz。7.根据权利要求1所述的激光频率锁定系统，其特征在于：所述信号处理模块包括比较器、计数器、d/a转换器、时序控制模块、模拟pid模块，所述低频信号输入比较器中，进行波形转化后输入计数器，计数器将低频信号与时序控制模块产生的预设信号进行频率比较，产生频率差值信号，d/a转化器将频率差值信号转换为模拟控制量后输入模拟pid模块，模拟pid模块将模拟控制量反馈至第二激光发生模块后，对第二激光的频率进行锁定，完成整个激光频率锁定环路的闭环。8.根据权利要求7所述的激光频率锁定系统，其特征在于：模拟pid模块可将频率控制量反馈至第二激光发生模块的频率控制端口。9.一种激光频率锁定方法，可应用于权利要求1~8任意一项所述的激光频率锁定系统，包括如下步骤：步骤s1：参数初始化，设置稳定激光的出射频率、待锁定激光的目标频率、参考射频信号的频率、预设信号的频率；步骤s2：信号混频，将参考激光与待锁定激光进行混频并输出拍频信号；步骤s3：数据处理，将拍频信号和参考射频信号进行混频，得到混频后的低频信号，根据所述低频信号与预设信号频率值，计算得到频率差值；
步骤s4：反馈控制，将频率差值反馈至待稳定激光器以实现待稳定激光频率锁定。10.根据权利要求9所述的激光频率锁定方法，其特征在于：所述步骤s2~s4可反复迭代，直至步骤s3中的频率差值为零，整体激光频率锁定系统保持动态平衡。

技术总结
本申请提供了一种激光锁定系统及方法，激光锁定系统包括参考信号发生及混频模块、参比模块、信号处理模块，激光锁定方法包括参数初始化、信号混频、数据处理、反馈控制，稳定激光与待稳定激光进行混频，可产生拍频信号，锁相环压控振荡器可产生参考射频信号，两者混频后可产生低频信号，计算得到低频信号和预设信号的差值之后，可反馈控制激光器调整输出激光的频率，这就实现了对激光器输出频率的锁定，本申请主要采用常规电子器件在常规工作条件下工作，能够有效降低使用成本和设备体积，通过引入参比模块和多次降频，通过简单参数调整，即可实现待稳定激光频率在较大的动态控制范围内连续可调。围内连续可调。


技术研发人员：罗先刚 贺江 龙云
受保护的技术使用者：天府兴隆湖实验室
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/13