本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種重復(fù)頻率鎖定裝置及方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)頻率梳是一種超短脈沖激光，包含了一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成的光譜。光學(xué)頻率梳能夠?qū)⒐忸l測量轉(zhuǎn)換成一系列的射頻測量，因此在高精度時間測量、精密物理測量上有著重要的應(yīng)用價值。

光學(xué)頻率梳由鎖模激光器產(chǎn)生，將鎖模激光器的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相位鎖定后即可產(chǎn)生光學(xué)頻率梳。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)中的一種鎖模激光器30包括泵源302、第一復(fù)合器件301、摻Y(jié)b光纖303、第二復(fù)合器件304、第一1/4波片305-1、1/2玻片306、偏振分束鏡308、第二1/4波片305-2、光柵對309、高反鏡片310以及第三1/4波片305-3。其中，第一復(fù)合器件301為波分復(fù)用器與準(zhǔn)直器耦合而成，第二復(fù)合器件304為隔離器與準(zhǔn)直器耦合而成。

泵源302為980nm光源，輸出的光經(jīng)第一復(fù)合器件301中的波分復(fù)用器端面反射進入摻Y(jié)b光纖303，泵浦產(chǎn)生了1030nm的光，該1030nm光為光纖光，經(jīng)第二復(fù)合器件304變?yōu)榭臻g光。該空間光為線偏振光，經(jīng)第一1/4波片305-1轉(zhuǎn)變后得到橢圓偏振光。通過1/2玻片306調(diào)整該橢圓偏振光中水平和垂直偏振態(tài)的光的比例后，再用偏振分束鏡308進行分束，其中的垂直偏振光被偏振分束鏡308折射出去成為輸出光(即圖中的output)；水平偏振光通過偏振分束鏡308、第二1/4波片305-2后進入光柵309進行脈寬的壓縮，并經(jīng)高反鏡片310反射后返回，再次通過光柵309和第二1/4波片305-2回到偏振分束鏡308。由于兩次通過第二1/4波片305-2，該束光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，成為另一束垂直偏振光，在偏振分束鏡308中被折射，在通過第三1/4波片305-3后進入第一復(fù)合器件301，由空間光轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光，由此，輸出光中就具有了一定的重復(fù)頻率。

在上述的鎖模激光器中，激光器輸出的重復(fù)頻率與其中激光腔的長度直接對應(yīng)，即f＝c/nL，其中f為重復(fù)頻率，c為光速，n為介質(zhì)折射率(上述鎖模激光器中，該介質(zhì)為空氣)，L為激光腔的長度。由此可知，激光腔長度的微小變化即可引起激光器輸出的重復(fù)頻率發(fā)生變化。在實際應(yīng)用過程中，由于外界環(huán)境中存在干擾，激光腔的長度難以穩(wěn)定不變，因而使得激光器輸出的重復(fù)頻率發(fā)生漂移，難以穩(wěn)定在預(yù)定重復(fù)頻率。

目前常用的重復(fù)頻鎖定率方式是利用壓電陶瓷進行反饋調(diào)節(jié)：將激光腔端部的光學(xué)鏡片(即高反鏡片310)固定在壓電陶瓷上，檢測激光器實際輸出頻率與預(yù)定的重復(fù)頻率之間的差別，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸硎境鲈摬顒e的電信號加載在壓電陶瓷的兩端，使得激光器輸出的重復(fù)頻率變化時，壓電陶瓷反饋性地伸長或縮短，帶動光學(xué)鏡片發(fā)生位置變化，從而改變激光腔的長度，達到控制激光器的重復(fù)頻率的目的。

但是，由于壓電陶瓷的伸縮能力有限，在環(huán)境復(fù)雜、干擾較多的情況下，重復(fù)頻率所發(fā)生的漂移較為嚴(yán)重，上述反饋調(diào)節(jié)難以實現(xiàn)重復(fù)頻率的穩(wěn)定，導(dǎo)致重復(fù)頻率容易失鎖。這種缺陷使鎖模激光器對環(huán)境要求較高，限制了其應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種重復(fù)頻率鎖定裝置，用于將激光器的重復(fù)頻率鎖定至預(yù)定重復(fù)頻率，該激光器具有激光腔以及設(shè)置在該激光腔端部的光學(xué)鏡片，其特征在于，具有：第一分束器，設(shè)置在激光器的輸出光路上，將激光器輸出的激光分成輸出束以及信號束；細(xì)調(diào)節(jié)部，用于對激光器的重復(fù)頻率進行細(xì)調(diào)節(jié)，包括設(shè)置在信號束光路上并將信號束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牡谝还怆姸O管、接收電信號并獲得高壓差頻信號的高壓差頻信號發(fā)生電路以及承載有光學(xué)鏡片的壓電陶瓷，該壓電陶瓷在高壓差頻信號的驅(qū)動下伸長或縮短，改變光學(xué)鏡片的位置從而實現(xiàn)細(xì)調(diào)節(jié)；粗跟蹤部，用于對激光器的重復(fù)頻率進行粗跟蹤，包括步進電機以及步進電機驅(qū)動器，步進電機承載有壓電陶瓷，在步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動下改變壓電陶瓷的位置，從而實現(xiàn)粗跟蹤；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，與高壓差頻信號發(fā)生電路連接，用于將高壓差頻信號分壓后轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字信號；控制部，接收數(shù)字信號，并根據(jù)數(shù)字信號及預(yù)設(shè)程序?qū)Σ竭M電機驅(qū)動器進行控制，從而實現(xiàn)對粗跟蹤的控制。

本發(fā)明提供的重復(fù)頻率鎖定裝置，還可以包括：重復(fù)頻率監(jiān)測部，具有第二分束器、第二光電轉(zhuǎn)換器以及頻率計，第二分束器設(shè)置在信號束的光路上，從信號束中分出一部分作為監(jiān)測信號束，第二光電轉(zhuǎn)換器與頻率計配合，用于檢測得到監(jiān)測信號束的重復(fù)頻率并對該重復(fù)頻率進行顯示輸出。

本發(fā)明提供的重復(fù)頻率鎖定裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，高壓差頻信號發(fā)生電路包括信號發(fā)生器以及依次連接的帶通濾波器、混頻器、低通濾波器、二級高壓功率運算放大器，信號發(fā)生器與混頻器連接，用于輸出與預(yù)定重復(fù)頻率相同的定頻正弦信號，混頻器接收第一光電二極管產(chǎn)生的電信號，將電信號與定頻正弦信號進行混合并輸出給低通濾波器，得到差頻信號，該差頻信號經(jīng)二級高壓功率運算放大器放大得到高壓差頻信號。

本發(fā)明還提供了一種重復(fù)頻率鎖定方法，用于將激光器的重復(fù)頻率鎖定至預(yù)定重復(fù)頻率，該激光器具有激光腔以及設(shè)置在該激光腔端部的光學(xué)鏡片，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，打開激光器，采用第一分束器將激光器輸出的激光分為輸出束和信號束；

步驟2，采用第一光電二極管接收信號束并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榕c激光器當(dāng)前的重復(fù)頻率相對應(yīng)的電信號，將該電信號與具有一定頻率的定頻正弦信號混合后提取差頻信號并放大輸出，得到高壓差頻信號；

步驟3，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將高壓差頻信號進行分壓，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c高壓差頻信號相對應(yīng)的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號傳輸給控制部；

步驟4，將高壓差頻信號直接輸出到壓電陶瓷上，壓電陶瓷被高壓差頻信號驅(qū)動而伸長或縮短，帶動光學(xué)鏡片的位置發(fā)生變化，改變激光腔的長度，從而改變激光器輸出的重復(fù)頻率，使激光器的重復(fù)頻率與定頻正弦信號的頻率一致；

步驟5，調(diào)節(jié)定頻正弦信號的頻率，進行細(xì)調(diào)節(jié)范圍測試，得到細(xì)調(diào)節(jié)范圍，控制部對該細(xì)調(diào)節(jié)范圍進行存儲；

步驟6，將定頻正弦信號調(diào)節(jié)至與預(yù)定重復(fù)頻率一致，重復(fù)步驟2至步驟3，得到此時的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號，控制部判斷該數(shù)字信號是否在細(xì)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，

若該數(shù)字信號在細(xì)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，則進入步驟7，

若該數(shù)字信號超過細(xì)調(diào)節(jié)范圍則由控制部發(fā)送信號給步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動步進電機對壓電陶瓷的位置進行調(diào)節(jié)，帶動光學(xué)鏡片的位置發(fā)生變化，改變激光腔的長度，從而調(diào)節(jié)激光器的輸出頻率，直到高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號落入細(xì)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，重復(fù)步驟2至步驟3，然后進入步驟7；

步驟7，重復(fù)步驟4，使激光器的重復(fù)頻率與定頻正弦信號一致，即、與預(yù)定重復(fù)頻率一致。

本發(fā)明提供的重復(fù)頻率鎖定方法，還可以具有如下技術(shù)特征：

在步驟5中，細(xì)調(diào)節(jié)范圍測試包括如下子步驟：

步驟5.1，增大定頻正弦信號的頻率，重復(fù)步驟2至步驟4，直到步驟4結(jié)束后激光器輸出的重復(fù)頻率不能與定頻正弦信號的頻率一致，此時得到的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號為細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限；

步驟5.2，減小定頻正弦信號的頻率，重復(fù)步驟2至步驟4，直到步驟4結(jié)束后激光器輸出的重復(fù)頻率不能與定頻正弦信號的頻率一致，此時得到的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號為細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限；

步驟5.3，將細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限輸入控制部并進行存儲，細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限之間的范圍為細(xì)調(diào)節(jié)范圍。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明提供的重復(fù)頻率鎖定裝置及方法，由于細(xì)調(diào)節(jié)部能夠?qū)す馄鬏敵龅闹貜?fù)頻率進行精確的反饋調(diào)節(jié)，并且控制部及粗跟蹤部互相配合還能夠?qū)す馄鬏敵龅闹貜?fù)頻率進行更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，因此利用本發(fā)明提供的裝置及方法能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍內(nèi)的精確調(diào)節(jié)，即使是在環(huán)境干擾較大的情況下，也能夠?qū)⒓す馄鞯闹貜?fù)頻率鎖定在預(yù)定的重復(fù)頻率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的重復(fù)頻率鎖定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例來說明本發(fā)明的具體實施方式。

<實施例>

一、重復(fù)頻率鎖定裝置

圖1為本發(fā)明的重復(fù)頻率鎖定裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明提供的重復(fù)頻率鎖定裝置(以下簡稱鎖定裝置)10包括第一分束器11、細(xì)調(diào)節(jié)部13、粗跟蹤部15、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路16以及控制部17。

鎖定裝置10用于將激光器的重復(fù)頻率鎖定至預(yù)定重復(fù)頻率，該激光器具有激光腔202以及設(shè)置在該激光腔202端部的光學(xué)鏡片201。本實施例中，該激光器為鎖模激光器，光學(xué)鏡片201為高反鏡片。

第一分束器11安裝在激光器的輸出光路上，將激光器的輸出光output分為輸出束output’以及信號束S。在本實施例中，第一分束器11的分束比為9:1，使得輸出束output’的能量大于信號束S。

本實施例的鎖定裝置10還具有重復(fù)頻率監(jiān)測部14，包括第二分束器141、第二光電二極管142以及頻率計143。第二分束器141設(shè)置在信號束S的光路上，將信號束分為第一信號束S1和第二信號束S2，并將該第二信號束S2作為監(jiān)測信號束。第二光電二極管142設(shè)置在第二信號束S2的光路上，與頻率計143配合，檢測得到該第二信號束S2的重復(fù)頻率并對該重復(fù)頻率進行顯示輸出。由于第二信號束S2為信號束S的一部分，即、激光器輸出的激光的一部分，因此重復(fù)頻率檢測部14所顯示輸出的頻率即為當(dāng)前激光器的重復(fù)頻率。

細(xì)調(diào)節(jié)部13包括第一光電二極管131、高壓差頻信號發(fā)生電路以及壓電陶瓷137。第一光電二極管131設(shè)置在第一信號束S1的光路上，將第一信號束S1轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魅敫邏翰铑l信號發(fā)生電路。高壓差頻信號發(fā)生電路包括信號發(fā)生器136以及依次連接的帶通濾波器132、混頻器133、低通濾波器134、二級高壓功率運算放大器135。帶通濾波器132接收第一光電二極管131傳來的電信號，濾出代表激光器輸出光重復(fù)頻率的正弦信號并傳給混頻器133；混頻器133接收該正弦信號以及信號發(fā)生器136傳來的代表預(yù)定重復(fù)頻率的定頻正弦信號，將兩個信號混合后傳給低通濾波器134，低通濾波器對傳來的混合信號進行提取得到兩個正弦信號的差頻信號。該差頻信號較為微弱，在經(jīng)二級高壓功率運算放大器135增強后即得到高壓差頻信號。

壓電陶瓷137與高壓差頻信號發(fā)生電路中的二級高壓功率運算放大器135連接，使得上述得到的高壓差頻信號被直接加載到壓電陶瓷137的兩端。壓電陶瓷137上安裝有激光器的光學(xué)鏡片201，當(dāng)壓電陶瓷137被加載在兩端的電壓驅(qū)動時發(fā)生長度變化(電壓增大時沿軸向伸長，電壓減小時沿軸向縮短)，使得該光學(xué)鏡片201的位置發(fā)生變化，從而改變激光腔202的長度L。

此外，二級高壓功率運算放大器135還與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路16連接，該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路16能夠?qū)⒏邏翰铑l信號進行分壓，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸給控制部17。

粗跟蹤部15包括步進電機151和步進電機驅(qū)動器152，步進電機151上承載有壓電陶瓷137，能夠在步進電機驅(qū)動器152的驅(qū)動下調(diào)節(jié)壓電陶瓷137的位置，從而改變光學(xué)鏡片201的位置，使得激光腔202的長度改變，最終達到調(diào)節(jié)激光器輸出的重復(fù)頻率的目的。步進電機驅(qū)動器152接收控制部17的指令，并根據(jù)該指令對步進電機151進行驅(qū)動。

本實施例中，控制部17為計算機，具有預(yù)設(shè)的控制程序，接收數(shù)模轉(zhuǎn)換電路16傳來的數(shù)字信息，根據(jù)該數(shù)字信息、預(yù)設(shè)的控制程序以及使用者輸入的信息對步進電機驅(qū)動器152發(fā)出相應(yīng)的指令。

二、重復(fù)頻率鎖定方法

下面以預(yù)定重復(fù)頻率已經(jīng)確定為前提，對本實施例提供的重復(fù)頻率鎖定方法進行說明。本實施例提供的方法用于將激光器的重復(fù)頻率鎖定至預(yù)定重復(fù)頻率，該激光器具有激光腔以及設(shè)置在該激光腔端部的光學(xué)鏡片。

步驟1，打開激光器，采用第一分束器將激光器輸出的激光分為輸出束和信號束；

步驟2，采用第一光電二極管接收信號束并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榕c激光器當(dāng)前的重復(fù)頻率相對應(yīng)的電信號，將該電信號與具有一定頻率的定頻正弦信號混合后放大輸出，得到高壓差頻信號；

步驟3，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將高壓差頻信號進行分壓，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c高壓差頻信號相對應(yīng)的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號傳輸給控制部；

步驟4，將高壓差頻信號直接輸出到壓電陶瓷上，壓電陶瓷被高壓差頻信號驅(qū)動而伸長或縮短，帶動光學(xué)鏡片的位置發(fā)生變化，改變激光腔的長度，從而改變激光器輸出的重復(fù)頻率，使激光器的重復(fù)頻率與定頻正弦信號的頻率一致；

步驟5，調(diào)節(jié)定頻正弦信號的頻率，進行細(xì)調(diào)節(jié)范圍測試，得到細(xì)調(diào)節(jié)范圍，控制部對該細(xì)調(diào)節(jié)范圍進行存儲，包括如下子步驟：

步驟5.1，增大定頻正弦信號的頻率，重復(fù)步驟2至步驟4，直到步驟4結(jié)束后激光器輸出的重復(fù)頻率不能與定頻正弦信號的頻率一致，此時得到的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號為細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限；

步驟5.2，減小定頻正弦信號的頻率，重復(fù)步驟2至步驟4，直到步驟4結(jié)束后激光器輸出的重復(fù)頻率不能與定頻正弦信號的頻率一致，此時得到的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號為細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限；

步驟5.3，將細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限輸入控制部并進行存儲，細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限之間的范圍為細(xì)調(diào)節(jié)范圍；

步驟6，將定頻正弦信號調(diào)節(jié)至與預(yù)定重復(fù)頻率一致，重復(fù)步驟2至步驟3，得到此時的高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號，控制部判斷該數(shù)字信號是否在細(xì)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，若超過細(xì)調(diào)節(jié)范圍則發(fā)送信號給步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動步進電機對壓電陶瓷的位置進行調(diào)節(jié)，帶動光學(xué)鏡片的位置發(fā)生變化，改變激光腔的長度，從而調(diào)節(jié)激光器的輸出頻率，直到高壓差頻信號所對應(yīng)的數(shù)字信號落入細(xì)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，然后再重復(fù)步驟2至步驟3；

步驟7，重復(fù)步驟4，使激光器的重復(fù)頻率與定頻正弦信號一致，即、與預(yù)定重復(fù)頻率一致。

實施例作用與效果

根據(jù)本實施例提供的重復(fù)頻率鎖定裝置及方法，由于細(xì)調(diào)節(jié)部能夠?qū)す馄鬏敵龅闹貜?fù)頻率進行精確的反饋調(diào)節(jié)，并且控制部及粗跟蹤部互相配合還能夠?qū)す馄鬏敵龅闹貜?fù)頻率進行更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，因此利用本實施例提供的裝置能夠達到較大范圍內(nèi)的精確調(diào)節(jié)，即使是在環(huán)境干擾較大的情況下，也能夠?qū)⒓す馄鞯闹貜?fù)頻率鎖定在預(yù)定的重復(fù)頻率。其中，壓電陶瓷的伸縮精度可達um量級，因此激光器重復(fù)頻率的鎖定精度可達mHz量級。

此外，本實施例提供的方法中，細(xì)調(diào)節(jié)范圍是通過細(xì)調(diào)節(jié)上限及細(xì)調(diào)節(jié)下限測試得到的，在使用同樣的裝置或設(shè)備的情況下，該測試可以只進行一次，將得到的細(xì)調(diào)節(jié)范圍進行存儲，即可在此后的激光器重復(fù)頻率鎖定過程中一直使用。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的具體實施方式，而本發(fā)明的范圍不僅限于上述實施例所描述的范圍。

例如，在實施例的鎖定裝置中，信號發(fā)生器是獨立的，其輸出的定頻正弦信號需要單獨設(shè)定，但在本發(fā)明中，該信號發(fā)生器也可以與控制部連接，通過控制部對輸出的定頻正弦信號進行控制。

在實施例的鎖定裝置中，控制部為計算機，但在本發(fā)明中，該控制部也可以是具有輸入、輸出、計算及存儲功能的控制盒。

在實施例中，鎖定裝置具有重復(fù)頻率監(jiān)測部以便對激光器輸出的實時重復(fù)頻率進行顯示輸出，但在本發(fā)明中，當(dāng)不需要進行重復(fù)頻率監(jiān)控時，該重復(fù)頻率監(jiān)測部也可以去掉，信號束不分為第一信號束和第二信號束，而是全部被第一光電二極管接收，此時信號束的作用與實施例中的第一信號束相同。

在實施例提供的方法中，細(xì)調(diào)節(jié)范圍是細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限之間的范圍，但在本發(fā)明中，為了提高粗跟蹤的反應(yīng)靈敏度，細(xì)調(diào)節(jié)范圍可以小于細(xì)調(diào)節(jié)范圍上限和細(xì)調(diào)節(jié)范圍下限之間的范圍。