一种双调制深度的大动态范围、高灵敏度PDH稳频方法

技术领域

本发明属于激光器稳频、光学谐振腔腔长锁定技术领域，具体涉及一种双调制深度的大动态范围、高灵敏度PDH稳频方法。

背景技术

PDH(Pound-Drever-Hall)技术是目前最常用的激光器主动稳频或光学谐振腔腔长锁定方法之一。通过采用射频电光相位调制技术和光学谐振腔光外差光谱技术，获得一个激光器频率偏离光学谐振腔共振频率的鉴频误差信号。当以光学谐振腔为参考时，利用误差信号反馈控制调节激光器的腔长/电流，可使激光器频率稳定在光学谐振腔的共振频率上；反之，以激光器频率为参考时，该误差信号用于反馈控制锁定光学谐振腔的腔长。误差信号的线性动态范围和灵敏度是影响激光稳频/腔长锁定的稳定度和精度的主要指标。误差信号通常是在调制深度约1.08rad时，利用激光经电光相位调制生成的0阶和±1阶边带拍频获得，其线性动态范围较小，难以实现激光频率/腔长的大范围快速锁定，即使在锁定情况下，当环境温度波动较大或者环境振动时，容易导致激光频率/腔长失锁。针对上述问题，目前大多从通过非线性控制方法或者获取具有更宽线性区间的信号来扩大系统的控制范围，其中，非线性控制方法包括线性二次高斯控制(LQG)法、时变卡尔曼滤波等方法，以此实现PDH技术动态范围的扩展，但是算法较为繁琐；此外，可以通过近Q相位解调、多个奇次频率调制的同相解调信号的组合、利用透射功率信号归一化等方法来获得具有更大线性动态范围的信号，但降低了PDH技术的灵敏度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种双调制深度的大动态范围、高灵敏度PDH稳频方法。本发明不仅扩大PDH稳频线性动态范围，减少激光频率/谐振腔腔长的扫描和捕获时间，而且提高激光频率稳定/光学谐振腔腔长锁定后的系统抗干扰能力，可广泛应用于激光器稳频和谐振腔腔长锁定等领域。

本发明实现上述目的所采用的技术方案包括以下步骤：

一、一种双调制深度的大动态范围、高灵敏度PDH稳频装置：

包括激光器、光隔离器、电光相位调制器、第一光电探测器、偏振分光镜、四分之一波片、光学谐振腔、第二光电探测器；

激光器发出的激光进入光隔离器，从光隔离器出来的激光进入电光相位调制器经调制后入射到偏振分光镜发生透射，从偏振分光镜透射出的激光为p偏振态的光并经过四分之一波片入射到光学谐振腔发生反射和透射，从光学谐振腔反射的激光原路返回经四分之一波片使得从p偏振态转换为s偏振态，且返回到偏振分光镜处发生反射，从偏振分光镜处反射的激光入射到第一光电探测器被接收，从光学谐振腔透射的激光入射到第二光电探测器被接收。

还包括信号采集与处理模块，第一光电探测器和第二光电探测器输出端连接到信号采集与处理模块的输入端，信号采集与处理模块输出端连接到电光相位调制器，同时信号采集与处理模块输出端连接到激光器或者光学谐振腔。

所述的信号采集与处理模块具体包括数字频率合成器、移相器、第一乘法器、第一低通滤波器、反正切运算模块、增益模块、三角波扫描模块、第二乘法器、平方运算模块、第二低通滤波器、第一阈值判断模块、除法运算模块、第一数据选择器、PID控制模块、第二阈值判断模块、第二数据选择器；

数字频率合成器的其中一个输出端连接到增益模块的输入端，增益模块的输出端连接到电光相位调制器的驱动输入端，数字频率合成器的另外两个正交输出端连接到移相器的两个输入端，移相器的两个输出端分别连接至第一乘法器和第二乘法器的输入端，第一光电探测器连接至第一乘法器和第二乘法器的输入端，第一乘法器和第二乘法器的输出端分别连接至第一低通滤波器和第二低通滤波器的输入端，第一低通滤波器的输出端连接至反正切运算模块的一个输入端，第二低通滤波器的输出端分成三路并分别连接至反正切运算模块、除法运算模块和第一数据选择器的输入端；

第二光电探测器输出端分成三路并分别连接至平方运算模块、第一阈值判断模块和第二阈值判断模块的输入端，平方运算模块的输出端连接至除法运算模块的另一个输入端，除法运算模块的输出端分别连接至第一数据选择器和第二阈值判断模块的另一个输入端，第一阈值判断模块的输出端连接至第一数据选择器的选择控制端，第一数据选择器的输出端连接至PID控制模块的输入端，PID控制模块和三角波扫描模块的输出端分别连接至第二数据选择器的两个数据输入端，第二阈值判断模块的输出端连接到第二数据选择器的选择控制端，第二数据选择器的输出端通过数模转换后连接到光学谐振腔。

当装置用于激光器发出激光频率的稳定时，所述的激光器采用激光频率可调的激光器，所述的光学谐振腔采用腔长固定的光学谐振腔；

当装置用于光学谐振腔腔长的锁定时，所述的激光器采用激光频率的激光器，所述的光学谐振腔采用腔长可调节的光学谐振腔。

二、一种双调制深度的大动态范围、高灵敏度PDH稳频方法，方法包括以下步骤：

步骤1)激光器发出的激光经过光隔离器后进入电光相位调制器，电光相位调制器产生相位调制信号对激光进行相位调制，相位调制后的激光依次经过偏振分光镜、四分之一波片后入射到光学谐振腔并在腔内来回多次反射和透射，从光学谐振腔反射出的激光逆反经过四分之一波片后偏振态由p态变为s态，而后经偏振分光镜反射到第一光电探测器处发生多光束干涉，探测获得干涉信号，对干涉信号进行采样、模数转换获得反射多光束干涉信号I

所述的反射多光束干涉信号I

其中，I

步骤2)由数字频率合成器产生两路与相位调制信号相同频率的正交参考信号，包括余弦参考信号

正交谐波幅值信号化简为单三角函数形式后分别表示为：

R(k)＝F[ω

其中，S

步骤3)在反正切运算模块中对一对正交谐波幅值信号进行反正切运算求得相位

调节激光器的激光频率或光学谐振腔的腔长使得激光基频频率及其边频频率与光学谐振腔谐振频率之间的频率间隔都大于光学谐振腔半峰全宽的两倍，将此时求得的相位

具体是当激光基频频率及其边频频率与光学谐振腔谐振频率之间的频率间隔都大于腔半峰全宽的两倍时，基频激光及其调制边带激光均被全反射，即对应频率的反射系数均为纯实数，则第任意阶的幅度系数的相位

再利用求得的初始相位差

步骤4)将正交谐波幅值信号中的正弦分量S

其中，k表示调制边带的阶数，k＝0～j-1，j表示激光相位调制后产生的激光频率边带的最高阶的阶数，即由电光相位调制器的激光相位调制产生的激光频率边带(简称边频)的最高阶的阶数为j阶；E

步骤5)从光学谐振腔透射出的光被第二光电探测器接收探测获得直流功率信号，对直流功率信号进行采样、模数转换获得透射功率信号P

其中，P

然后对相位匹配后的误差信号S

步骤6)至此，实时获得了相位匹配后的误差信号S

所述步骤6)具体为：

步骤6.1)扫描、捕获和初步锁定：

首先由信号采集与处理模块控制调节电光相位调制器的驱动信号的幅值实现对激光的大调制深度的激光相位调制；

然后通过第二数据选择器的控制使得三角波扫描模块的输出端连接于激光器或者光学谐振腔，利用三角波扫描模块发出三角波扫描信号对激光器发出激光的激光频率/光学谐振腔的腔长进行三角波预扫描，获得新误差信号S

接着对激光器发出激光的激光频率/光学谐振腔的腔长进行锁定区间的捕获，在三角波扫描信号控制下，通过第一数据选择器的控制使得除法运算模块的输出端连接于PID控制模块，PID控制模块输入新误差信号S

当新误差信号S

当新误差信号S

步骤6.2)精确锁定：

通过第一数据选择器的控制使得第二低通滤波器的输出端连接于PID控制模块，PID控制模块输入相位匹配后的误差信号S

所述步骤6.1)中，在利用PID控制模块进行反馈控制时，最终透射功率信号P

当透射功率信号P

当透射功率信号P

所述步骤6.1)在调节电光相位调制器的驱动信号的幅值进行大调制深度的激光相位调制的过程中，根据第k(k为正整数)阶的第一类贝塞尔函数J

对于某一固定的调制深度β，当k>β+1时，则J

在进行步骤6.1)～6.2)的过程中，实时进行以下判断进行判断和处理：

当透射功率信号P

当透射功率信号P

若当外界干扰非常大从而导致透射功率信号P

本发明中，误差信号S

本发明中所述的反射多光束干涉信号来源于PDH技术中光学谐振腔反射端的光电探测器探测到的干涉信号，透射功率信号为光学谐振腔透射端的光电探测器探测的直流功率信号。

具体实施中，以锁定光学谐振腔的腔长即其谐振频率为例。

所述电光相位调制器的激光相位调制的调制频率小于光学谐振腔的半峰全宽，大于等于1.2rad的调制深度β为大调制深度，小于1.2rad的调制深度β为小调制深度。具体实施中，设置大调制深度为β

本发明是首先对获得的干涉信号与一对正交参考信号进行正交下混频和反正切运算，获得初始相位差，并以此使用移相器进行移相，实现相位的自动匹配，避免了人工手动调节移相器；然后利用相位匹配后的误差信号和平方后的谐振腔透射功率信号来生成一个新误差信号，扩大了线性动态范围，减少了激光频率/谐振腔腔长的扫描和捕获时间；最后通过大调制深度下具有大动态范围的新误差信号和小调制深度下具有高灵敏度的误差信号切换作为PID反馈控制模块的输入，在保证了锁定精度的同时，提高了激光频率稳定/光学谐振腔腔长锁定后系统的抗干扰能力，使激光频率/腔长更不易失锁。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明通过对不同调制深度下获得的反射多光束干涉信号与同频本振信号进行正交下混频与反正切运算求出初始相位差，并以此使用移相器来实现两信号的自动相位匹配，保证了误差信号的在鉴频区间内的线性与高斜率，避免了人工手动调节移相器的过程。

(2)本发明通过同时利用反射误差信号和透射功率信号获得了一个具有更大线性动态范围的新误差信号，同时通过增大相位调制深度，扩大了线性动态范围，减少了自动锁定过程中激光器激光频率/光学谐振腔腔长的扫描和捕获时间。

(3)本发明通过切换大调制调制深度下的新误差信号和小调制深度下的误差信号作为PID控制模块的输入，实现激光频率/腔长的大动态范围和高灵敏度的锁定，在保证锁定精度的同时，提高了激光频率稳定/光学谐振腔腔长锁定后系统的抗干扰能力，使得激光频率/腔长更不易失锁。

附图说明

图1是本发明方法的装置原理框图。

图2是本发明方法的信号采集与处理模块的原理框图。

图3是本发明方法中的误差信号以及新误差信号示意图。

图4是本发明方法中误差信号以及新误差信号的线性动态范围与调制深度的关系仿真图。

图中：1、激光器，2、光隔离器，3、电光相位调制器，4、第一光电探测器，5、偏振分光镜，6、四分之一波片，7、光学谐振腔，8、第二光电探测器，9、信号采集与处理模块，901、数字频率合成器，902、移相器，903、第一乘法器，904、第一低通滤波器，905、反正切运算模块，906、增益模块，907、三角波扫描模块，908、第二乘法器，909、平方运算模块，910、第二低通滤波器，911、第一阈值判断模块，912、除法运算模块，913、第一数据选择器，914、PID控制模块，915、第二阈值判断模块，916、第二数据选择器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细说明。

如图1所示，具体实施方法采用以下光路：包括激光器1、光隔离器2、电光相位调制器3、第一光电探测器4、偏振分光镜5、四分之一波片6、光学谐振腔7、第二光电探测器8以及信号采集与处理模块9；激光器1、光隔离器2、电光相位调制器3、偏振分光镜5、四分之一波片6、光学谐振腔7、第二光电探测器8可通光轴布置。

激光器1发出的激光进入光隔离器2，从光隔离器2出来的激光进入电光相位调制器3经调制后入射到偏振分光镜5发生透射，从偏振分光镜5透射出的激光为p偏振态的光并经过四分之一波片6入射到光学谐振腔7发生反射和透射，从光学谐振腔7反射的激光原路返回经四分之一波片6使得从p偏振态转换为s偏振态，且返回到偏振分光镜5处发生反射，从偏振分光镜5处反射的激光入射到第一光电探测器4被接收获得反射多光束干涉信号I

信号采集与处理模块9接收来自第一光电探测器4和第二光电探测器8输出的探测信号，输出正弦驱动信号到电光相位调制器3，输出PID控制信号U

如图2所示，信号采集与处理模块9具体包括数字频率合成器901、移相器902、第一乘法器903、第一低通滤波器904、反正切运算模块905、增益模块906、三角波扫描模块907、第二乘法器908、平方运算模块909、第二低通滤波器910、第一阈值判断模块911、除法运算模块912、第一数据选择器913、PID控制模块914、第二阈值判断模块915、第二数据选择器916；

数字频率合成器901的其中一个输出端连接到增益模块906的输入端，增益模块906的输出端连接到图1光路中的电光相位调制器3的驱动输入端，数字频率合成器901的另外两个正交输出端连接到移相器902的两个输入端，移相器902的两个输出端分别连接至第一乘法器903和第二乘法器908的输入端，第一光电探测器4的反射多光束干涉信号I

第二光电探测器8输出端的透射功率信号P

本发明的具体实施过程为：

如图1所示，激光器1发射的激光经过隔离器2进入电光相位调制器3进行相位调制后，在偏振分光镜5处透射和四分之一波片6入射到光学谐振腔7中。光学谐振腔7的腔长可以通过安装在一面腔镜上的压电陶瓷PZT控制。经光学谐振腔7反射的光再次经过四分之一波片6后偏振态由p态变为s态，并被偏振分光镜5反射后在第一光电探测器4处发生多光束干涉并被探测、转化，并将干涉信号称为反射多光束干涉信号I

反射多光束干涉信号I

其中，I

透射功率信号P

其中，P

如图2所示，在获得反射多光束干涉信号I

R(k)＝F[ω

其中，S

然后，对正交谐波幅值信号进行反正切运算，得到干涉信号I

调节激光器1的激光频率或光学谐振腔7的腔长使得激光基频频率及其边频频率与光学谐振腔7谐振频率之间的频率间隔都大于光学谐振腔7半峰全宽的两倍，将此时求得的相位

再利用求得的初始相位差

其中，

然后运用相位匹配后的误差信号S

然后通过除法运算模块912对相位匹配后的误差信号S

至此，获得了误差信号S

之后将利用这三个信号实现光学谐振腔7的腔长的自动锁定，实现过程主要包括扫描、捕获和初步锁定阶段以及精确锁定阶段。

首先，通过调节增益模块906的增益使得相位调制深度β为1.80rad，实现对激光的大调制深度的激光相位调制。

然后，通过第二数据选择器916的控制使得三角波扫描模块907的输出端连接于激光器1或者光学谐振腔7，利用三角波扫描模块907发出三角波扫描信号对光学谐振腔7的腔长进行三角波预扫描，获得新误差信号S

在该阶段中，第一数据选择器913的输出选择为新误差信号S

接着对激光器1发出激光的激光频率/光学谐振腔7的腔长进行锁定区间的捕获，在三角波扫描信号控制下，通过第一数据选择器913的控制使得除法运算模块912的输出端连接于PID控制模块914，PID控制模块914输入新误差信号S

当新误差信号S

当新误差信号S

在利用PID控制模块914进行反馈控制时，透射功率信号P

当透射功率信号P

至此，利用大调制深度下具有大线性动态范围的新误差信号S

当透射功率信号P

在调节电光相位调制器3的驱动信号的幅值进行大调制深度的激光相位调制的过程中，根据第k阶的第一类贝塞尔函数J

对于某一固定的调制深度β，当k>β+1时，则J

通过第一数据选择器913的控制使得第二低通滤波器910的输出端连接于PID控制模块914，PID控制模块914输入相位匹配后的误差信号S

且通过第二数据选择器916的控制，使得PID控制模块914的输出端保持连接于激光器1或者光学谐振腔7，利用PID控制模块914对激光器1发出激光的激光频率/光学谐振腔7的腔长进行反馈控制，使得相位匹配后的误差信号S

至此，利用小调制深度下具有高灵敏度的误差信号S

外界环境振动等干扰会对锁定产生影响，导致激光器激光频率/光学谐振腔腔长的锁定在瞬间偏离谐振中心，甚至导致失锁。

在进行步骤6.1)～6.2)的过程中，实时进行以下判断进行判断和处理：

当透射功率信号P

当透射功率信号P

若当外界干扰非常大从而导致透射功率信号P

综上，本发明方法首先对获得的干涉信号与一对正交参考信号进行正交下混频和反正切运算，获得初始相位差，并以此使用移相器进行移相，实现了相位的自动匹配，保证了误差信号的在鉴频区间内的线性和高灵敏度，避免了人工手动调节移相器的过程；然后，通过相位匹配后的误差信号和谐振腔透射功率信号的平方来生成一个新误差信号，扩大了线性动态范围，减少了激光频率/谐振腔腔长的扫描和捕获的时间；最后，通过切换大调制深度下具有大动态范围的新误差信号和小调制深度下具有高灵敏度的误差信号来作为PID反馈控制模块的输入，在保证了激光频率稳定/光学谐振腔腔长锁定精度的同时，提高了锁定后系统的抗干扰能力，使得激光频率/腔长更不易失锁。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。