多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置。本發(fā)明通過相位調(diào)制的方式產(chǎn)生等頻率間距的多諧波成分，這些諧波分量被FWMI透過率函數(shù)調(diào)制后發(fā)生外差過程，從而能生成反映FWMI諧振頻率漂移大小和方向信息的反饋信號。在反饋控制的不斷作用下，F(xiàn)WMI的諧振頻率會趨于激光器中心頻率并穩(wěn)定下來，這時反饋控制信號將回到0，從而完成頻率鎖定。本發(fā)明能自動補償因為環(huán)境溫度等原因帶來的FWMI諧振頻率漂移，且鎖定精度高，鎖定過程智能迅速，為FWMI光譜濾光器在HSRL中的高穩(wěn)定運行創(chuàng)造了根本保障，對提高HSRL大氣探測的精度具有極大的促進作用。
【專利說明】
多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾 遜干涉儀的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 高光譜分辨率激光雷達(HSRL)技術(shù)是目前對大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)遙感的有效手 段。HSRL技術(shù)需要由具有高光譜分辨能力的濾光器分離大氣回波信號中的米散射和瑞利散 射成分來實現(xiàn)。最近，一種新型的光譜濾光器一一視場展寬邁克爾遜干涉儀(FWMI)被發(fā)明 并用于HSRL系統(tǒng)中完成該光譜分離功能。FWMI實質(zhì)上是一種改進的邁克爾遜干涉儀(MI)， 它具有光譜分離功能的本質(zhì)原因是因為光干涉的頻率依賴性。為了更好地完成光譜分離功 能，F(xiàn)WMI在HSRL中工作時其諧振頻率必須準(zhǔn)確保持在HSRL激光器的中心波長。盡管可以通 過手動方式用壓電陶瓷微位移器(PZT)將FWMI的諧振頻率諧調(diào)到激光器頻率，但是，由于實 際操作時環(huán)境溫度、空氣壓力等的變化，均會造成FWMI光程差的變化，最終其諧振頻率也隨 之而漂移。容易想到的方法是，將FWMI放置在一個溫度穩(wěn)定度高的密閉箱中來保持其諧振 頻率不受環(huán)境變動的影響。但理論分析表明，該溫控箱的溫度穩(wěn)定度應(yīng)該在0.001攝氏度或 更高才能滿足要求。這對于國內(nèi)目前的溫控技術(shù)而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何將FWMI 諧振頻率穩(wěn)定地鎖定在激光器中心頻率是目前亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服上述難點，提出了采用多諧波外差技術(shù)實時鎖定FWMI光譜濾 光器諧振頻率至激光器中心頻率的裝置。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0005] 多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，包括激光器、電光相位調(diào)制器、 信號發(fā)生器、激光擴束器、分光棱鏡、第一透鏡、第一光電探測器、第二透鏡、第二光電探測 器、FWMI主體a、電子系統(tǒng)模塊b以及控制電腦；
[0006] 電子系統(tǒng)模塊b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通濾波器、第二 低通濾波器以及數(shù)據(jù)采集卡；
[0007] 激光器發(fā)射的連續(xù)激光作為頻率鎖定的參考，首先連續(xù)激光通過電光相位調(diào)制器 的調(diào)制后產(chǎn)生多諧波邊帶激光信號，其中，電光相位調(diào)制器的驅(qū)動信號由信號發(fā)生器提供； 被調(diào)制的多諧波邊帶激光信號經(jīng)過激光擴束器擴束后又通過分光棱鏡進入FWMI主體a;
[0008] 經(jīng)過FWMI主體a后的激光信號會產(chǎn)生兩路輸出，其中反射回來的信號經(jīng)過分光棱 鏡再次反射后，被第一透鏡匯聚到第一光電探測器上，并發(fā)生光外差過程從而生成許多頻 率混合的電壓信號;而透過FWMI主體a的信號則被第二透鏡匯聚到第二光電探測器上，由于 第二光電探測器響應(yīng)速率遠遠跟不上外差信號的變化，故只起到普通的直流能量探測功 能。
[0009] 第一光電探測器的輸出電信號以及信號發(fā)生器的驅(qū)動信號（與驅(qū)動電光相位調(diào)制 器的信號相同）在電子系統(tǒng)模塊b中被處理:信號發(fā)生器信號一部分被90度移相器移相后和 第一光電探測器的輸出電信號相乘，該相乘過程由第一乘法器完成。乘積信號的結(jié)果被第 一低通濾波器濾波后由數(shù)據(jù)采集卡記錄下來，稱為正交信號分量;信號發(fā)生器信號另一部 分直接和第一光電探測器的輸出電信號相乘，該相乘過程由第二乘法器完成。乘積信號的 結(jié)果被第二低通濾波器濾波后由數(shù)據(jù)采集卡記錄下來，稱為同相信號分量。正交信號分量 和同相信號分量被送入控制電腦，控制電腦利用這兩個信號生成一個反饋控制量輸送給 FWMI主體a的調(diào)頻設(shè)備(如壓電陶瓷、氣壓控制器等，視FWMI結(jié)構(gòu)不同而異）。反饋控制量的 生成公式為
(1)
[0011] 其中，F(xiàn)代表反饋控制量，P代表正交信號分量，I代表同相信號分量。該反饋控制量 與FWMI諧振頻率的漂移程度和方向均相關(guān)，當(dāng)FWMI諧振頻率相對于激光器頻率往正方向漂 移時，該反饋控制量為正值，且大小正比于頻率漂移量;反之，則該反饋控制量為負(fù)值，大小 也正比于頻率漂移量。在反饋控制的不斷作用下，F(xiàn)WMI的諧振頻率會趨于激光器中心頻率 并穩(wěn)定下來，這時反饋控制信號將回到〇,從而完成頻率鎖定。
[0012] 在電光相位調(diào)制器工作時需要選定兩個工作參數(shù)，即調(diào)制深度和調(diào)制頻率。在本 方案中，最優(yōu)的調(diào)制深度為3rad，調(diào)制頻率為0.1 X FSR，其中FSR為待鎖定FWMI的自由光譜 范圍。所述的第一光電探測器的帶寬應(yīng)大于等于2倍的調(diào)制頻率;所述的第二光電探測器為 普通的能量探測器，帶寬一般為幾百到幾千Hz即可。所述的第一低通濾波器和第二低通濾 波器的截止頻率一般小于5MHz。
[0013]本發(fā)明有益效果如下：
[0014]本發(fā)明采用多諧波外差有源反饋控制的方式將FWMI諧振頻率穩(wěn)定鎖定到激光器 中心波長，能自動補償因為環(huán)境溫度等原因帶來的頻率漂移，系統(tǒng)鎖定精度高，鎖定過程智 能迅速，為FWMI光譜濾光器在HSRL中的高穩(wěn)定運行創(chuàng)造了根本保障，對提高HSRL大氣探測 的精度具有極大的促進作用。
【附圖說明】
[0015]圖1本發(fā)明裝置示意圖；
[0016] 圖2是激光被電光相位調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生的多諧波成分；
[0017] 圖3是FWMI諧振頻率從漂移狀態(tài)到鎖定狀態(tài)時反饋控制信號的一個實例；
[0018] 圖4是FWMI處于鎖定時第二光電探測器的輸出信號。
[0019] 圖中，激光器1、電光相位調(diào)制器2、信號發(fā)生器3、激光擴束器4、分光棱鏡5、第一透 鏡6、第一光電探測器7、第二透鏡8、第二光電探測器9、FWMI主體a、電子系統(tǒng)模塊b以及控制 電腦10;
[0020]電子系統(tǒng)模塊b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通濾波 器14、第二低通濾波器15以及數(shù)據(jù)采集卡16。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0022] 如圖1所示，多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，包括激光器1、電光 相位調(diào)制器2、信號發(fā)生器3、激光擴束器4、分光棱鏡5、第一透鏡6、第一光電探測器7、第二 透鏡8、第二光電探測器9、FWMI主體a、電子系統(tǒng)模塊b以及控制電腦10;
[0023]電子系統(tǒng)模塊b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通濾波 器14、第二低通濾波器15以及數(shù)據(jù)采集卡16;
[0024]激光器1發(fā)射的連續(xù)激光作為頻率鎖定的參考，首先連續(xù)激光通過電光相位調(diào)制 器2的調(diào)制后產(chǎn)生多諧波邊帶激光信號，其中，電光相位調(diào)制器2的驅(qū)動信號由信號發(fā)生器3 提供;被調(diào)制的多諧波邊帶激光信號經(jīng)過激光擴束器4擴束后又通過分光棱鏡5進入FWMI主 體a;
[0025] 經(jīng)過FWMI主體a后的激光信號會產(chǎn)生兩路輸出，其中反射回來的信號經(jīng)過分光棱 鏡5再次反射后，被第一透鏡6匯聚到第一光電探測器7上，并發(fā)生光外差過程從而生成相應(yīng) 頻率的電壓信號;而透過FWMI主體a的信號則被第二透鏡8匯聚到第二光電探測器9上，由于 第二光電探測器9響應(yīng)速率遠遠跟不上外差信號的變化，故只起到普通的直流能量探測功 能。
[0026] 第一光電探測器7的輸出電信號以及信號發(fā)生器3的驅(qū)動信號(與驅(qū)動電光相位調(diào) 制器2的信號相同）在電子系統(tǒng)模塊b中被處理:信號發(fā)生器3的驅(qū)動信號一部分被90度移相 器13移相后和第一光電探測器7的輸出電信號相乘，該相乘過程由乘法器11完成。乘積信號 的結(jié)果被第一低通濾波器14濾波后由數(shù)據(jù)采集卡16記錄下來，稱為正交信號分量。信號發(fā) 生器3的驅(qū)動信號另一部分直接和第一光電探測器7的輸出電信號相乘，該相乘過程由乘法 器12完成。乘積信號的結(jié)果被第二低通濾波器15濾波后由數(shù)據(jù)采集卡16記錄下來，稱為同 相信號分量。正交信號分量和同相信號分量被送入控制電腦1 〇，控制電腦1 〇利用這兩個信 號生成一個反饋控制量輸送給FWMI主體a的調(diào)頻設(shè)備（如壓電陶瓷、氣壓控制器等，視FWMI 結(jié)構(gòu)不同而異）。反饋控制量的生成公式為
⑵：
[0028]其中，F(xiàn)代表反饋控制量，P代表正交信號分量，I代表同相信號分量。該反饋控制量 與FWMI諧振頻率的漂移程度和方向均相關(guān)，當(dāng)FWMI諧振頻率相對于激光器頻率往正方向漂 移時，該反饋控制量為正值，且大小正比于頻率漂移量;反之，該反饋控制量為負(fù)值，大小也 正比于頻率漂移量。在反饋控制的不斷作用下，F(xiàn)WMI的諧振頻率會趨于激光器中心頻率并 穩(wěn)定下來，這時反饋控制信號將回到0,從而完成頻率鎖定。
[0029] 在電光相位調(diào)制器2工作時需要選定兩個工作參數(shù)，即調(diào)制深度和調(diào)制頻率。在本 方案中，最優(yōu)調(diào)制深度為3rad，調(diào)制頻率為0.1 XFSR，其中FSR為待鎖定FWMI的自由光譜范 圍。所述的第一光電探測器的帶寬應(yīng)大于等于2倍的調(diào)制頻率;所述的第二光電探測器9為 普通的能量探測器，帶寬一般為幾百到幾千Hz即可。所述的第一低通濾波器11和第二低通 濾波器12的截止頻率一般小于5MHz。
[0030] 本發(fā)明采用多諧波外差方式生成控制FWMI的反饋信號，反饋信號能自動跟蹤FWMI 諧振頻率漂移的方向和大小，從而自動將FWMI諧振頻率鎖定到激光器的中心頻率。該鎖定 方案靈敏度高、鎖定時間短、鎖定精度極高，是長時間保證FWMI在HSRL系統(tǒng)中穩(wěn)定工作的最 佳方式之一。
[0031] 實施例
[0032] 圖1中，激光器1為與HSRL主激光器波長相同的連續(xù)激光；電光相位調(diào)制器2為鈮酸 鋰高速電光相位調(diào)制器，如Newport公司的4003NF相位調(diào)制器模塊;信號發(fā)生器3為普通多 功能信號發(fā)生器，如安泰信GA1484A;激光擴束器4可以選擇北京大恒GC0-140121;分光棱鏡 5為普通非偏振分光棱鏡，如北京大恒GCC-401052;第一透鏡6和第二透鏡8為普通的匯聚透 鏡，焦距按照需要自由選擇，如北京大恒GCL-010111B，焦距100mm;第一光電探測器7為高速 光電探測器，如Newport公司818-BB-30,帶寬2GHz;第二光電探測器9為普通的能量光電探 測器，如thorlabs公司FDPS3X3。控制電腦10選用任意商用電腦即可。
[0033]待測的FMWI主體a為需要鎖定的干涉儀，其FSR為2GHz，采用壓電陶瓷作為頻率諧 調(diào)裝置。
[0034]電子系統(tǒng)模塊b中，第一乘法器11和第二乘法器12及90度移相器13在LINEAR TECHNOLOGY公司生產(chǎn)的芯片LTC5584中有集成;第一低通濾波器14、第二低通濾波器15采用 LINEAR TECHNOLOGY公司的LT1568芯片完成；數(shù)據(jù)采集卡16為NI公司NI 9220數(shù)據(jù)采集模 塊。
[0035] 下面結(jié)合具體的裝置參數(shù)進一步說明該多諧波外差鎖定FWMI裝置的特點。
[0036] 圖2示出了在選定相位調(diào)制器參數(shù)的條件下，得到的相位調(diào)制后的光譜分布圖，其 中還一并給出了FWMI透過率函數(shù)。可以看到，被調(diào)制后的激光頻譜出現(xiàn)了很多離散頻率分 量，它們具有不同的幅度，并等間距排列，這些頻率成分即為多諧波分量。這些頻率分量被 FWMI透過率函數(shù)調(diào)制后發(fā)生外差過程，從而為反饋控制量的生成提供了基礎(chǔ)。
[0037] 圖3是FWMI諧振頻率從漂移狀態(tài)到鎖定狀態(tài)時反饋控制信號的一個實例。在A點， 鎖定系統(tǒng)開始運行，誤差信號振蕩并迅速衰減，在Is左右誤差信號即開始回到0,如圖中的B 點所示。隨后在反饋控制系統(tǒng)的作用下，誤差信號穩(wěn)定在0。圖3中，在點C處是為了測試鎖定 的穩(wěn)定性而人為引入的干擾(通過敲打FWMI主體），可以看到，即使在有干擾情況下，該系統(tǒng) 也能迅速恢復(fù)穩(wěn)定。
[0038] 圖4是FWMI處于鎖定時第二光電探測器的輸出信號。不難發(fā)現(xiàn)在FWMI處于鎖定狀 態(tài)后，第二光電探測器的輸出信號也快速變化到〇,這就說明了FWMI目前被鎖定在相消諧振 狀態(tài)，正是HSRL所需要的工作情況。
[0039] 圖3和圖4表明了該鎖定裝置對FWMI具有極好的鎖定性能。
【主權(quán)項】
1. 多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，包括激光器、電光相位調(diào)制器、信 號發(fā)生器、激光擴束器、分光棱鏡、第一透鏡、第一光電探測器、第二透鏡、第二光電探測器、 FffMI主體a、電子系統(tǒng)模塊b以及控制電腦； 電子系統(tǒng)模塊b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通濾波器、第二低通 濾波器以及數(shù)據(jù)采集卡； 激光器發(fā)射的連續(xù)激光作為頻率鎖定的參考，首先連續(xù)激光通過電光相位調(diào)制器的調(diào) 制后產(chǎn)生多諧波邊帶激光信號，其中，電光相位調(diào)制器的驅(qū)動信號由信號發(fā)生器提供;被調(diào) 制的多諧波邊帶激光信號經(jīng)過激光擴束器擴束后又通過分光棱鏡進入FffMI主體a; 經(jīng)過FWMI主體a后的激光信號會產(chǎn)生兩路輸出，其中反射回來的信號經(jīng)過分光棱鏡再 次反射后，被第一透鏡匯聚到第一光電探測器上，并發(fā)生光外差過程從而生成許多頻率混 合的電壓信號；而透過FffMI主體a的信號則被第二透鏡匯聚到第二光電探測器上，由于第二 光電探測器響應(yīng)速率遠遠跟不上外差信號的變化，故只起到普通的直流能量探測功能；第一光電探測器的輸出電信號以及信號發(fā)生器的驅(qū)動信號在電子系統(tǒng)模塊b中被處 理:信號發(fā)生器信號一部分被90度移相器移相后和第一光電探測器的輸出電信號相乘，該 相乘過程由第一乘法器完成;乘積信號的結(jié)果被第一低通濾波器濾波后由數(shù)據(jù)采集卡記錄 下來，稱為正交信號分量;信號發(fā)生器信號另一部分直接和第一光電探測器的輸出電信號 相乘，該相乘過程由第二乘法器完成;乘積信號的結(jié)果被第二低通濾波器濾波后由數(shù)據(jù)采 集卡記錄下來，稱為同相信號分量;正交信號分量和同相信號分量被送入控制電腦，控制電 腦利用這兩個信號-量輸送給FWMI主體a的調(diào)頻設(shè)備;反饋控制量的生成 公式為： (1) 其中，F(xiàn)代表反饋控制量，P代表正交信號分量，I代表同相信號分量；該反饋控制量與 FffMI諧振頻率的漂移程度和方向均相關(guān)，當(dāng)FffMI諧振頻率相對于激光器頻率往正方向漂移 時，該反饋控制量為正值，且大小正比于頻率漂移量;反之，則該反饋控制量為負(fù)值，大小也 正比于頻率漂移量;在反饋控制的不斷作用下，F(xiàn)WMI的諧振頻率會趨于激光器中心頻率并 穩(wěn)定下來，這時反饋控制信號將回到0,從而完成頻率鎖定。2. 如權(quán)利要求1所述的多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，其特征在于 采用電光相位調(diào)制器產(chǎn)生多諧波邊帶信號，并利用多邊帶信號的外差產(chǎn)生反饋控制量，從 而實時穩(wěn)定FffMI。3. 如權(quán)利要求1所述的多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，其特征在電 光相位調(diào)制器工作時選定調(diào)制深度為3rad，調(diào)制頻率為0.1 X FSR，其中FSR為待鎖定FffMI的 自由光譜范圍。4. 如權(quán)利要求3所述的多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，其特征在于 第一光電探測器的帶寬應(yīng)大于等于2倍的調(diào)制頻率;所述的第二光電探測器為普通的能量 探測器，帶寬為幾百到幾千Hz。5. 如權(quán)利要求1所述的多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，其特征在于 第一低通濾波器和第二低通濾波器的截止頻率小于5MHz。6. 如權(quán)利要求1所述的多諧波外差鎖定視場展寬邁克爾遜干涉儀的裝置，其特征在于 該裝置能夠鎖定任何種類的邁克爾遜干涉儀。
【文檔編號】G01S7/48GK105891801SQ201610216993
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】劉 東, 楊甬英, 成中濤
【申請人】浙江大學(xué)