[发明专利]一种基于锁相原理的光学频率梳

说明书

本发明涉及一种基于锁相原理的光学频率梳，包括参考源模块、波形整形模块、光电转换模块、主控制器模块、驱动模块以及可调谐光源。参考源模块用于产生高稳定度的参考时钟信号；波形整形模块完成反馈信号的波形整形；光电转换模块用于将激光器的输出信号转换为电信号；主控制器模块用于实现锁相的相关功能；驱动模块用于驱动与激光器相关的运动器件；可调谐光源用于产生最终的重频信号。本发明采用高稳定的Rb钟作为参考源，该Rb钟经过了空间飞行验证，性能可靠，相对于传统的光学超稳激光器环境适应性强而且对工艺要求相对光学超稳激光器较低，易于空间的大范围应用。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，涉及一种基于FPGA实现的基于锁相原理的光学频率梳。

背景技术

光学频率梳主要应用于光学频率测量、绝对距离测量、以及天文光谱的波长校准等领域。传统的光频梳其结构复杂、体积庞大、成本昂贵、难以维护以及对工作环境要求苛刻，难以适应测量领域对简便运行及长期连续测量的诉求。

目前在激光稳频领域常用的稳频率方法有饱和吸收稳频、双色稳频、调制转移稳频及无源腔稳频等方法。目前常见的稳频方法是PDH稳频方法，利用光学系统实现光学鉴相等操作。上述稳频方法都有一个确定的频率值，即最后稳定的激光频率都是在原子谱线的某共振峰上，或是无源腔的某一纵膜上，频率比较固定死板。而且光学稳频所用的高稳定度的超稳腔系统结构复杂，在面临空间应用时光学系统要满足稳定性、抗冲击性和轻便的要求，导致设计难度和成本增加。本专利所述的光频梳中激光器拥有可调节的步进电机以及PZT，只需对控制器中的FPGA逻辑进行修改即可实现不同频率的稳频，因此灵活性更高，可稳定的频率范围大。同时本设计的参考源为Rb钟，空间应用相对成熟，相对超稳腔系统更能适应空间环境的应用要求。传统的光学系统激光锁相大部分都是采用光学系统进行鉴相，而本专利是将光信号进行光电转换，对转换后的信号进行数字鉴相，提高了在空间应用时的适应性。

发明内容

本发明为解决现有激光稳频系统对环境要求高，光学系统安装复杂，频率固定等问题，利用Rb钟作为参考源对激光器的输出重频进行锁定，并通过可重配置的FPGA实现PID和数字鉴相等功能。可通过对FPGA的更改实现对系统整体性能和参数的更改。降低了对环境的敏感性，能够适应目前空间环境应用需求。

本发明的基于锁相原理的光学频率梳，包括参考源模块、波形整形模块、光电转换模块、主控制器模块、驱动模块以及可调谐光源。所述参考源模块用于产生高稳定度的参考时钟信号；所述波形整形模块完成反馈信号的波形整形；所述光电转换模块用于将激光器的输出信号转换为电信号；主控制器模块用于实现锁相的相关功能；驱动模块用于驱动与激光器相关的运动器件；可调谐光源用于产生最终的重频信号。

其中参考源模块输出及激光器输出信号经光电转换模块后的电信号与波形整形模块相连，波形整形模块的输出与主控制器模块相连，主控制器与驱动模块相连，驱动模块控制激光器的部件影响激光器的输出频率。

作为进一步限定，所述参考源模块包括一个固定频率的Rb钟以及相关配套电路，Rb钟输出频率为50M，频率准确率真空环境下优于±5×10^-10，漂移率≤1×10^-12/day，单边带相位噪声最大≤-100dBc/Hz@10Hz最小为≤-160dBc/Hz@10kHz。

作为进一步限定，所述波形整形模块包括电压比较器，将Rb钟及激光器经过光电转换后的波形整形为等占空比的方波。

作为进一步限定，所述光电转换模块包括光电转换器件及相关电路，负责将激光器输出的信号转换为电信号送波形整形电路。

作为进一步限定，主控制器模块由FPGA及其外围外设构成，负责完成与锁相功能相关的分频、数字鉴相、k值滤波以及PI计算等功能。