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专利号: 2017105506865
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电气元件
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法,其特征在于:

1)将待稳频激光和光频梳的激光合光后处理得到探测信号,拍频信号包括光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号以及待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的拍频信号;

2)通过滤波器去除光频梳的梳齿之间的模间自拍频信号,然后对保留的拍频信号进行欠采样采集为数字信号,其中欠采样的采样频率与光频梳的重复频率相同且溯源至同一原子时钟;

3)根据信号频谱对待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号按照待稳频激光和梳齿之间的相邻程度进行排序编号,从最相邻的梳齿开始从数字0开始用阿拉伯数字编号,并按梳齿在待稳频激光的左右侧位置将编号分为正负号,在待稳频激光左侧的梳齿对应的拍频信号编为正号,在待稳频激光右侧的梳齿对应的拍频信号编为负号,与待稳频激光频率左侧最接近的梳齿对应的拍频信号编为零;

4)由欠采样获得的数字信号进行求解获得待稳频激光与光频梳的相邻梳齿之间的各个拍频信号;

5)将各个拍频信号叠加获得总拍频信号,公式如下:

其中,j表示拍频信号的编号,-4~4表示拍频信号的编号的范围,A[j]表示编号j的拍频信号的幅值,Ts表示欠采样的采样周期,k表示离散的时间序号,Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数,fb表示偏差频率;

6)通过锁相放大器获得总拍频信号和参考正弦信号之间的相位误差信号,参考正弦信号是由直接数字频率合成器产生的正弦信号,通过数字PID运算后获得激光频率反馈控制信号,用激光频率反馈控制信号对待稳频激光器的输出频率进行调整实现偏频锁定。

2.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法,其特征在于:

所述步骤3)获得的各个拍频信号均可表示为xb[j](t)=A[j]sin(2πfb[j]t),各个拍频信号的拍频频率均可表示为fb[j]=|j|·fr+s(j)·fb,其中,A[j]表示编号j的拍频信号的幅值,t表示时间,j表示拍频信号的编号,具体实施中取9个相邻梳齿,j=-4,-3,-2,-1,0,1,

2,3,4,s(j)为符号函数,当j≥0时s(j)=1,当j<0时s(j)=-1,fr表示光频梳的重复频率,fb表示偏差频率,偏差频率是指待稳频激光与待锁定的梳齿之间的频率差。

3.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法,其特征在于:

所述步骤4)具体为:

欠采样后,将各个拍频信号的频谱转换到第一奈奎斯特区,并使得转换后各拍频信号的频率均等于fb,求解获得各个拍频信号:

Fsample(fb[j])=fb

其中,Fsample(fb[j])表示欠采样的频谱转换函数,fb表示偏差频率,fb[j]表示编号为j的拍频信号的频率;

欠采样的频谱转换函数Fsample(fb[j])表示为以下公式:

其中,fb[j]表示编号为j的拍频信号的频率,fs表示欠采样的采样频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法,其特征在于:

所述的相邻梳齿是指梳齿频率和待稳频激光频率之间的频差在1.2Ghz以内的梳齿。

5.用于实施权利要求1-4任一所述方法的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置,其特征在于:包括飞秒光频梳(1)、可调谐激光器(2)、光纤分配器(3)、偏振控制器(4)、波长计(5)、光纤耦合器(6)、光电探测器(7)、射频放大器(16)和陷波滤波器(17);可调谐激光器(2)发出的激光经光纤分配器(3)后分为两路,光纤分配器(3)的一部分激光传输到波长计(5)进行波长监测,波长计(5)将波长值输入到现场可编程门阵列信号处理器(10),光纤分配器(3)的另一部分经过偏振控制器(4)后与飞秒光频梳(1)发出的激光在光纤耦合器(6)中进行合光,光纤耦合器(6)输出的合光被光电探测器(7)探测;光电探测器(7)探测信号含有拍频信号,探测信号输入到陷波滤波器(17)滤除谐波成分,陷波滤波器(17)输出端再经射频放大器(16)放大后输入到欠采样处理模块处理获得总拍频信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置,其特征在于:所述的欠采样处理模块包括第一低通滤波器(8)、第一数模转换器(9)、现场可编程门阵列信号处理器(10)、第二低通滤波器(11)、铷原子钟(12)、第二数模转换器(13)、时钟信号生成器(14)和模数转换器(15),铷原子钟(12)输出两路参考时钟信号,一路参考时钟信号传输到飞秒光频梳(1),另一路参考时钟信号经过时钟信号生成器(14)产生两路频率不同的时钟信号分别输入到现场可编程门阵列信号处理器(10)和模数转换器(15),射频放大器(16)的输出信号传输到模数转换器(15)进行欠采样处理,模数转换器(15)采集到的欠采样后的数字总拍频信号传输到现场可编程门阵列信号处理器(10);

现场可编程门阵列信号处理器(10)中,将根据波长计(5)发送过来的波长值和模数转换器(15)发送过来的数字总拍频信号进行误差计算,计算结果输入到比例积分微分控制器产生两路激光频率反馈控制信号,一路激光频率反馈控制信号经由第一数模转换器(9)、第一低通滤波器(8)后传输到可调谐激光器(2)的PZT调制端,另一路激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器(13)、第二低通滤波器(11)后传输到可调谐激光器(2)的电流调制端,从而实现对可调谐激光器(2)进行激光波长的闭环控制。

7.根据权利要求5所述的一种基于欠采样的激光频率锁定至光频梳的装置,其特征在于:所述的现场可编程门阵列信号处理器(10)包括波长信号处理模块(18)、第一比例积分微分控制器(19)、频率计(20)、第二比例积分微分控制器(21)、第三比例积分微分控制器(22)、锁相放大器(23)和加法器;波长计(5)测得的激光频率经第一比例积分微分控制器(19)处理后输入到波长信号处理模块(18)中,波长信号处理模块(18)根据波长计(5)测得的激光频率计算激光频率与光频梳中频率最接近的梳齿的序号以及激光频率与该梳齿之间的频差,并发送控制信号传输到可调谐激光器(2)的PZT调制端;数字总拍频信号一方面输入到频率计(20)中获得拍频信号频率,拍频信号频率输入到第二比例积分微分控制器(21)处理并输出到加法器;拍频数字信号另一方面输入到锁相放大器(23)中,锁相放大器(23)对总拍频信号进行正交下混频以及四象限反正切运算测得拍频信号与参考正弦信号之间的相位误差信号,参考正弦信号是由现场可编程门阵列信号处理器(10)内的直接数字频率合成器(DDS)产生的正弦信号,其中直接数字频率合成器的时钟信号溯源至铷原子钟,然后通过第三比例积分微分控制器(22)处理并输出到加法器,加法器输出的激光频率反馈控制信号经由第二数模转换器(13)、第二低通滤波器(11)后传输到可调谐激光器(2)的电流调制端精密地闭环修正激光频率,将拍频信号与参考正弦信号之间的相位差控制为零。