[實用新型]鎖相放大器

無效

• 申請號: 201020254314.1
• 申請日: 2010-07-02
• 公開（公告）號: CN201699659U
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發明（設計）人: 許祥益;史保森;許景江;劉承玉;吳徑輝
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H03F7/00
• 分類號: H03F7/00;H03L7/00
• 代理公司: 北京市立方律師事務所 11330
• 代理人: 馬佑平

技術領域

本實用新型涉及模擬電路及儀器設計領域，尤其涉及一種檢測微弱信號并用于穩定外腔半導體激光器頻率的鎖相放大器。

背景技術

近年來，在可飽和吸收光譜的研究中往往需要把激光頻率鎖定在某些精細結構的峰值或谷底位置，因此需要對非常微弱的光電信號進行檢測及鎖定。然而無用的噪聲及干擾總是伴隨著出現，特別是噪聲功率超過待測信號功率時，需要用微弱信號檢測儀器來檢測原始信號并對原始信號進行相應的鎖定。

現有的鎖相放大器(Lock-in?Amplifier)實際上是一個模擬相關器，其是利用信號與噪聲的互不相關性來抑制噪聲的設備，由信號通道、參考通道和相關器等部件組成。

然而，現有的鎖相放大器僅適用于微弱信號的檢測，如何實現對激光光譜領域深埋在噪聲中的微弱信號進行檢測以及鎖定，即得到一種穩定外腔半導體激光器頻率的鎖相放大器是目前亟待解決的問題。

實用新型內容

本實用新型的目的旨在至少解決現有技術中的上述問題之一。

為此，本實用新型的實施例提出一種能夠將半導體激光器波長鎖定在特定頻率的鎖相放大器。

根據本實用新型的一個方面，本實用新型實施例提出了一種鎖相放大器，所述鎖相放大器包括串聯連接的相位檢波電路和比例、積分、微分PID控制電路，所述相位檢波電路利用TTL方波參考信號檢測調制有同頻率sin信號的飽和吸收光譜信號，得到直流信號并輸入到所述PID控制電路；所述PID控制電路對所述直流信號分別進行比例P、積分I、微分D運算得到PID控制信號，并結合所述PID控制信號以及與所述參考信號同頻率的預定sin調制信號，輸出控制信號到外腔半導體激光器上進行頻率鎖定。

根據本實用新型進一步的實施例，所述相位檢波電路包括：同相放大器，所述同相放大器對所述飽和吸收光譜信號進行增益放大；差分輸入放大器，所述差分輸入放大器將經過所述同相放大器放大的信號進行差分放大；帶通濾波器，所述帶通濾波器將所述差分輸入放大器輸出的差分放大信號進行濾波，以消除其中的諧波信號；移相器，所述移相器將所述帶通濾波器輸出的信號進行相應地相移；相敏檢測器，所述相敏檢測器將所述移相器輸出的信號與所述參考信號相乘，并輸出對應所述sin信號的相敏檢測信號；低通濾波器，所述低通濾波器將所述相敏檢測信號進行低通濾波，除去其中與所述參考信號頻率不同的成分以得到所述直流信號。

根據本實用新型進一步的實施例，所述PID控制電路包括：前置放大器，所述前置放大器對所述直流信號進行增益；PID運算電路，所述PID運算電路對增益后的信號分別進行比例P、積分I、微分D運算并反相相加以得到PID控制信號；第一電位器，所述第一電位器對PID控制信號的輸出范圍進行調節；加法器，所述加法器將輸出的PID控制信號以及所述預定sin調制信號進行相加得到所述控制信號。

根據本實用新型再一步的實施例，所述PID控制電路還包括I積分復位電路，在所述PID運算電路的積分I運算輸出飽和時，所述I積分復位電路將積分I運算輸出復位到0。所述I積分復位電路包括串列的窗口比較器和模擬電子開關，所述窗口比較器的同相輸入端設定比較上限電壓，反相輸入端設定比較下限電壓，并將所述比較上限電壓和所述下限電壓與積分I運算對應輸出進行比較；所述模擬電子開關根據所述窗口比較器的比較結果控制斷開或閉合。

本實用新型的鎖相放大器通過飽和吸收光譜信號將外腔半導體激光器波長鎖定在特定頻率，本實用新型主要適用于半導體激光頻率的鎖定。該鎖相放大器是由相位檢波電路及帶自動復位功能的PID控制電路組成。在環境溫度漲落小于2攝氏度、周圍無強振動條件下，該鎖相放大器對半導體激光器頻率的連續鎖定時間在100小時以上。

該鎖相放大器還可廣泛利用于冷原子物理、激光光譜、量子信息等領域測量深埋在噪聲中的微弱信號。

本實用新型附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本實用新型實施例的鎖相放大器的電路結構示意圖；

圖2(a)為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號在上升沿時相位檢波電路檢測的輸出信號；

圖2(b)為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號在下降沿時相位檢波電路檢測的輸出信號；

圖3為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號與參考信號在不同相位差下的輸入/輸出波形圖；