[發(fā)明專利]基于欠采樣的激光頻率鎖定至光頻梳方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710550686.5
• 申請(qǐng)日: 2017-07-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107240854B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝建東;嚴(yán)利平;陳本永
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/13
• 分類號(hào): H01S3/13;H01S5/068
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于欠采樣的激光頻率鎖定至光頻梳方法及裝置。將待穩(wěn)頻激光和光頻梳的激光合光后處理得到探測(cè)信號(hào)，通過(guò)濾波器去除光頻梳的梳齒之間的模間自拍頻信號(hào)，然后對(duì)保留的拍頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣采集為數(shù)字信號(hào)，欠采樣過(guò)程中各個(gè)拍頻信號(hào)頻譜將反折或折疊到第一奈奎斯特區(qū)，將各個(gè)拍頻信號(hào)疊加獲得總拍頻信號(hào)，通過(guò)鎖相放大器獲得總拍頻信號(hào)和參考正弦信號(hào)之間的相位誤差信號(hào)，通過(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后獲得頻率反饋控制信號(hào)，用頻率反饋控制信號(hào)對(duì)待穩(wěn)頻激光器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)偏頻鎖定。本發(fā)明解決了激光器鎖定至光頻梳技術(shù)中拍頻信號(hào)信噪比難以提高的問(wèn)題，提高了激光頻率穩(wěn)定度，可以廣泛適用于激光精密計(jì)量領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光穩(wěn)頻技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于欠采樣的激光頻率鎖定至光頻梳方法及裝置。

背景技術(shù)

激光干涉測(cè)量技術(shù)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可直接溯源到米定義等優(yōu)越性能，因此被廣泛用于高精度位移測(cè)量、超精密加工制造及儀器檢測(cè)校準(zhǔn)中。激光穩(wěn)頻技術(shù)的關(guān)鍵在于選取穩(wěn)定的參考頻率標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)激光穩(wěn)頻技術(shù)主要可以分為四類：第一類為以增益曲線中心頻率為標(biāo)準(zhǔn)和以Lamb凹陷中心頻率為標(biāo)準(zhǔn)，但其中心頻率容易受到溫度、氣壓等條件的影響，頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10^-9；第二類采用穩(wěn)定度高且線寬窄的原子或分子譜線作參考進(jìn)行穩(wěn)頻，通過(guò)伺服系統(tǒng)將激光頻率鎖定吸收線中心頻率處，具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定度可達(dá)10^-13，但通常激光頻率和強(qiáng)度都存在附加調(diào)制，并且輸出功率低；第三類采用光學(xué)元件作為參考頻率基準(zhǔn)，多數(shù)采用法珀標(biāo)準(zhǔn)具，優(yōu)點(diǎn)是適用于多種波段，精細(xì)度高，但法珀標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)光學(xué)器件、環(huán)境要求較高，容易受到聲音、震動(dòng)的影響；第四類是采用高穩(wěn)定性的激光作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)偏頻鎖定的方法將待穩(wěn)頻激光頻率鎖定至該頻率標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)的有將可調(diào)諧激光器鎖定至碘穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)定后的激光與碘穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定度處于同一量級(jí)，但和上述方法一樣，受光電探測(cè)器的響應(yīng)帶寬限制，只能將待穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定在特定值或特定的一個(gè)小范圍內(nèi)，不能實(shí)現(xiàn)大范圍的頻率鎖定。

飛秒光頻梳是一種在頻率域上由許多個(gè)等間距的頻率成分(梳齒)組合而成的寬光譜光源，波長(zhǎng)范圍覆蓋可見(jiàn)光與近紅外區(qū)域，其各個(gè)梳齒均可溯源至頻率基準(zhǔn)。將激光頻率鎖定至光頻梳解決了上述頻率鎖定范圍小等問(wèn)題，但是飛秒光頻梳單個(gè)梳齒的功率極低，導(dǎo)致了待穩(wěn)頻激光與光頻梳的拍頻信號(hào)的信噪比難以提高。所以，提高待穩(wěn)頻激光與光頻梳的拍頻信號(hào)信噪比成為提高激光頻率穩(wěn)定性需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于欠采樣的激光頻率鎖定至光頻梳方法及裝置，解決了激光頻率鎖定至光頻梳技術(shù)中拍頻信號(hào)信噪比難以提高的問(wèn)題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

二、一種基于欠采樣的激光頻率鎖定至光頻梳方法：

1)將待穩(wěn)頻激光和光頻梳的激光合光后依次經(jīng)高速光電探測(cè)器、濾波器、射頻放大器處理得到探測(cè)信號(hào)，拍頻信號(hào)包括光頻梳的梳齒之間的模間自拍頻信號(hào)以及待穩(wěn)頻激光與光頻梳的相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)；

2)通過(guò)濾波器去除光頻梳的梳齒之間的模間自拍頻信號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)保留的拍頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣并將模擬信號(hào)采集為數(shù)字信號(hào)，其中欠采樣的采樣頻率與光頻梳的重復(fù)頻率相同且溯源至同一原子時(shí)鐘，具體實(shí)施中模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬帶寬達(dá)到1GHz；

3)根據(jù)信號(hào)頻譜對(duì)待穩(wěn)頻激光與光頻梳的相鄰梳齒之間的各個(gè)拍頻信號(hào)按照待穩(wěn)頻激光和梳齒之間的相鄰程度進(jìn)行排序編號(hào)，從最相鄰的梳齒開(kāi)始從數(shù)字0開(kāi)始用阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)，并按梳齒在待穩(wěn)頻激光的左右側(cè)位置將編號(hào)分為正負(fù)號(hào)，在待穩(wěn)頻激光左側(cè)的梳齒對(duì)應(yīng)的拍頻信號(hào)編為正號(hào)，在待穩(wěn)頻激光右側(cè)的梳齒對(duì)應(yīng)的拍頻信號(hào)編為負(fù)號(hào)，與待穩(wěn)頻激光頻率左側(cè)最接近的梳齒對(duì)應(yīng)的拍頻信號(hào)編為零；