探究在锁频技术中谐振和调制的运用.docx

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探究在锁频技术中谐振和调制的运用随着科学技术的发展，激光因其在方向性、单色性、相干性方面的优势逐渐在电子、检测、医疗等领域崭露头角。但是在高精度应用领域，自由激光束的振荡过大而不能达到需求[1]，因此，针对不同场合不同应用需求的专门性激光器锁频技术应运而生。温度、振动、磁场及实验器件精度均会对激光器频率的锁定效果产生影响，于是激光器锁频系统既要考虑外界环境的影响，也要不断优化实验器材的性能。为了得到窄线宽和高稳定度的激光束，各锁频方法从谐振腔、吸收光谱、调制技术、锁相环、PID控制器、温度等方面着手设计，并同时考虑锁频系统的实用性和经济性。本文从谐振技术及调制技术两方面的共选取6种典型的激光器锁频系统进行综合分析，为今后半导体激光器锁频技术的优化做参考。1、基于谐振的激光锁频技术在谐振式激光锁频系统中，谐振腔是核心的元件。如果谐振腔的自由谱线宽度大于激光器的调谐宽度，那么谐振频率很可能因温度影响而漂移到激光器的调谐范围外，激光器就会失锁。1.1谐振式光波导陀螺激光双重频率锁定该实验系统从外界温度变化对半导体激光器谐振腔的影响着手进行设计。对于光波导谐振腔而言，外界环境的温度变化0.01℃时，谐振腔的频率将会发生大约13.3MHz的漂移，对激光器输出频率的稳定性影响非常大。实验系统设置2个谐振腔，将激光器的调谐范围扩大到能覆盖2个谐振谱，这样即使谐振频率在外界环境温度的影响下发生漂移，激光器的输出频率必能锁定在其中一个谐振频率上。实验系统原理图如图1所示。图1谐振式光学陀螺激光双重锁频系统Y波导发出2路频率不同的正弦调制信号，经锁相器解调，第一路是误差信号，并同时设置温度伺服控制器跟踪谐振谱漂移，第二路信号与第一路信号闭环后输出。实验系统中的半导体激光器的线宽为1kHz，调谐系数为70MHz/V，光波导谐振腔的自由谱线宽度为1.09GHz。采用2个谐振腔进行双重锁定，谐振频率因温度变化发生漂移时，第一路的激光器反馈电压会达到设定的阈值，此时带动温度伺服控制器工作，于是电流调谐范围往漂移方向进行调整，从而使得激光器输出频率保持锁定。在室温环境下零偏稳定性达到26.6°/h[2]。1.2光纤环形谐振腔频率锁定光纤环形谐振腔由可调谐光纤分束器制作，其中谐振腔内的光纤长度被拉伸，用紫外胶固定，用玻璃罩隔离，增加了系统的鲁棒性、减小了光偏振的影响、实现了谐振腔长的线性变化。拉伸状态的光纤能够更好的控制光纤环形谐振腔的共振频率。图2基于光纤环形谐振腔的PDH锁定系统实验系统（见图2）中的光纤环形谐振腔频率是结合PDH(Pound-Drever-Hall，稳频）进行锁定的。光纤环形谐振腔的输出激光束经过光纤分束器得到2束，一束激光作为PDH的误差信号，一束激光去监测光纤环形谐振腔的反射谱。同时，经过EOM(Electro-OpticModulator，光电探测器）的信号被功分器分为2路，一路作为调制信号，一路通入混频器。经过滤波、伺服控制器后控制PZT，即控制光纤环形谐振腔的腔体长度，实现频率锁定。测得腔内衰减率为2π×(1.60±0.03)MHz，品质因子为（1.10±0.02）×108[3]。1.3硅微陀螺谐振频率锁定硅微陀螺是MEMS技术的典型应用[4],Q值（品质因数）是影响硅微陀螺性能的关键因素。而高Q值陀螺的谐振频率会受外界温度影响发生漂移。当高Q值陀螺与锁相环结合搭建锁频系统时，由于锁相环设定的频率为定值，系统初始频率受温度影响而偏离谐振频率，增加锁定频率的捕捉难度和捕捉时间。如图3所示，在开环状态下，驱动硅微陀螺，经过调制、解调、滤波得到初始频率与谐振频率的频率差值，VCO根据该频差信号调整驱动信号的频率，使得锁相环能快速地将谐振频率进行锁定。先通过公式运算化简得到振动的电压响应表达函数式，并从函数式中提取到一个衰减的正弦波分量，该分量对应的角频率就是初始驱动信号的频率与陀螺谐振频率之间的频率差值。由于该频差较小，无法直接驱动陀螺谐振频率，可按照VCO的频率增益系数将微小的频差转换成电压值，然后再累加到VCO的输入端口，如此就增强了驱动信号，陀螺谐振频率就能被顺利驱动，再利用锁相环进行调节，达到系统在驱动状态下的锁频的目的。系统硅微陀螺Q值为2×105，在2s内将电压频率从7990Hz调整到8000Hz（谐振频率）[5]。图3硅微陀螺谐振频率快速锁定系统2、基于调制的激光器锁频技术调制是激光器锁频控制系统中发展比较久的一种技术，它通过加载一个外接信号到激光信号上，再经过解调将误差信号提取出来，反馈到激光器，实现对激光器输出光频率的控制。调制位置不同或调制器件不同，得到的效果也会不同。2.1基于调制转移谱的频率锁定调制转移谱是在四波混频的基础上形成的现象，它是借鉴饱和吸收锁频方法中吸收谱线存在多普勒背景的缺点而设计的，所以它的最大特点就是没有多普勒背景，即“零多普勒背景”。该实验系统（见图4）中，调制信号不直接加载在激光器上，且调制信号的频率是经过仿真模拟计算得到的。通过模拟找到调制频率wm与自然线宽Γ的函数关系，在模拟曲线中找到峰峰值较大且斜率较大的位置，再仿真对比，得到wm=0.8Γ时幅值和斜率最理想。以调制转移谱的(173172)峰作为标准频率信号，并保证该信号峰始终处在扫描范围中心位置，经过调制、滤波、移频完成闭环，将399nm激光锁定在Yb原子1S0-1P1吸收峰对应的频率上。在闭环锁定后的250ms内，激光器频率漂移小于±1.3MHz[6]。图4基于399nm激光的调制转移谱频率锁定系统2.2基于电光调制器的频率锁定电光调制器通过调节激光信号的相位[7]来控制激光稳定性，当电光调制器的驱动电压被锁定后，边带信号到光纤光栅的慢轴透射峰即被锁定，从而实现了激光器输出光频率的锁定。图5基于电光调制器的频率锁定系统该实验系统（见图5）选用1550nm的单频线偏振激光，信号发生器提供三角波扫描信号，锁相器提供正弦波调制信号，调制信号的频率设置为9kHz，调制信号的幅值设置为110mV，高频的调制信号与扫描信号叠加后加载到VCO,VCO扫描右边带信号经过保偏光纤衰减器后光强被降为单光子量级，然后20GHz带宽的电光调制器EOM对该单光子信号进行周期性的深度较小的相位调制。实验系统闭环后得到100s内的激光器输出频率漂移为3.3MHz[8]。2.3基于波长调制的频率锁定波长调制的频率锁定方法即控制激光的波长，若同时结合一次或二次谐波吸收光谱，就能控制激光器输出光的稳定性[9]。图6波长调制的锁频实验系统该实验系统（见图6）选用波长为1.396μm的DFB(DistributedFeedback，分布式反馈）二极管激光器，PD接收激光器输出信号后传递到锁相器，经过调制解调后得到二次谐波信号，再由伺服控制将误差信号发送到激光器电流控制器，如此达到控制激光器输出光波长的目的。实验过程中利用最小分辨率为0.1pm的波长计对激光器输出光波长在不同温度下的变化进行监测，测得当室温在18～25℃时，激光器输出光的波长漂移最小。实验系统闭环后得到100h内波长漂移范围为±0.16pm[10]。3、结论基于谐振技术的3种锁频方法——谐振式光波导陀螺激光双重频率锁定、光纤环形谐振腔频率锁定、硅微陀螺谐振频率锁定和基于调制技术的三种激光器锁频方法——调制转移谱的频率锁定、电光调制器的频率锁定、波长调制的频率锁定，本文从实验系统搭建方案、实验系统特点、及实验效果等方面进行了综合分析，得出如下结论：1）通过控制谐振腔腔长的激光器锁频实验系统相对简单，选择好的腔体材料、设计好伺服控制电路就能实现快速锁定，其中双重锁定稳定度较高；2）通过加载调制的激光器锁频实验系统比较复杂，用到的实验仪器较多，内调制会对激光产生扰动，其中调制转移谱的锁频方法没有多普勒背景而稳定度较高。锁频实验方案各有利弊，可以继续优化，不断提高激光器锁频系统的综合性能。稳定度高、实验系统简单、可重复性强、应用范围广是未来激光器锁频技术的发展方向。参考文献：[1]贡昊,王宇,白金海,等.半导体激光器稳频综述[J].计测技术,2019(3):1-7.[2]梁燕华.谐振式光波导陀螺激光双重锁频技术[J].电子器件,2018(6):1464-1468.[3]宋丽军,张鹏飞,王鑫,等.光纤环形谐振腔的频率锁定及其特性[J].物理学报,2019(7):153-160.[4]张印强,王寿荣.硅微阵列陀螺仪闭环驱动控制技术研究[J].测控技术,2014,33(3):64-67.[5]吕正,丁徐开,李宏生.一种高Q值硅微陀螺谐振频率快速锁定方法[J].测控技术,2018(10):68-72.[6]张梦娇,李瑞歌,李辉,等.基于399nm激光调制转移谱的频率锁定及频移测量[J].河南农业大学学报,2018(4):587-592.[7]刘志强,王贝贝,唐玉春,等.一种宽温度范围电光调制器偏压控制装置的研究[J].光通讯技术,2019,43(7):42-44.[8]于波.基于电光调制器实现激光频率锁定[J].安庆师范大学学报(自然科学版),2019(3):41-44.[9]张步强,许振宇,刘建国,等.基于波长调制技术的激光器调制特性研究[J].光谱学与光谱分析,2019(9):2702-2707.[10]梅教旭,汪磊,谈图,等.基于二次谐波特性的DFB激光器稳频新方法研究[J].光谱学与光谱分析,2019(10):2989-2992.黄剑文.谐振和调制在锁频技术中的应用研究[J].机电技术,2020(03):47-49+55.基金:福建省中青年教师教育科研项目(JZ180471).