相位调制光外差稳频信号检测技术

在高功率条件下,由于受到多种因素的影响,单频光纤激光器输出激光的谱线宽度大幅展宽,输出激光的稳定性也不高。相位调制光外差稳频（PDH）技术在高功率条件下可以实现高频率稳定性。为实现对中心波长为1 064 nm的单频光纤激光器的稳频,理论分析了PDH稳频系统的原理并搭建PDH稳频系统。实验发现100 MHz相位调制光外差信号的检测是稳频系统的关键。实验中首先利用自行设计的探测器前置放大电路,基于Si探测器,实现了信号的探测和放大;其次,设计解调电路,通过将光电转换后的信号与参考信号进行混频实现解调,得到鉴频曲线,实现对光外差信号的检测。     

基于FPGA数字相位调制光外差激光稳频系统设计

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频,采用相位调制光外差（PDH）激光稳频技术,搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字式解调和反馈控制电路,在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调,再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明,在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调,经Allan方差计算,频率漂移的方差值可达10-11,即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。     

一种频率特性测试仪的实现

文章介绍了一种运用正交解调原理,实现频率特性测试仪的方法。以51单片机来控制AD9854,产生两路频率范围为1MHz~40MHz且频率可设置的信号,两路信号正交（相角差90度）。其中一路信号通过待测网络,分别与原来的正交信号相混频。经过低通滤波器,产生两路I和Q信号,经过AD采样,单片机设计算法进行计算,得到待测网络的幅度和相位相应的特性。并通过显示系统进行显示。     

基于PDH技术的光学传递腔的锁定

要实现分子激光冷却,一般需要多束频率稳定的窄线宽激光。提出采用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将冷却激光通过光学传递腔的方法锁定到铷原子饱和吸收稳频的半导体激光上,从而实现冷却激光线宽压窄和频率长时稳定的实验方案。设计并制作了法布里-珀罗(F-P)光学腔,建立了光学稳频系统,实现了光学腔到参考光源的锁定。     

PDH技术中F-P腔特性对鉴频曲线的影响

详细介绍和分析了基于Pound-Drever-Hall(PDH)方法的激光器稳频技术.仿真分析了法布里-珀罗(F-P)腔镜面反射率及腔内损耗对鉴频曲线的影响,当反射率为0.2、不考虑腔内损耗时,鉴频曲线线性动态范围和灵敏度分别为9.6 MHz和0.2 MHz-1.与此同时,当腔内损耗为1%时,线性动态范围和灵敏度变化为14.5 MHz和0.05 MHz-1.结果证明了镜面反射率及腔内损耗都会对鉴频曲线产生显著影响.     

窄线宽激光器稳频控制技术的研究

频率稳定度是表征频率稳定程度的一个极其重要的指标参数。为了满足激光雷达系统的应用需求,本课题研制了一套基于PDH技术的激光稳频系统。直接数字频率合成器产生激光器高频相位调制信号,模拟混频器解调激光器的频率漂移信息,作为稳频控制系统的核心控制部分的高集成度数字信号处理器,负责整个系统的信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。     

亚稳态氪原子饱和吸收光谱无调制激光稳频

利用亚稳态氪原子2P3/25p[5/2]3-2P3/15s[3/2]2饱和吸收光谱,分别使用电光调制器相位调制和声光调制器移频调制的方法,结合相敏检测,实现了钛宝石激光器相对于亚稳态氪原子的811.5 nm饱和吸收线的频率锁定.由获得的鉴频曲线以及误差信号估算,激光频率漂移从稳频回路开路时的超过8 MHz;减小到回路闭合时的约1 MHz,并可实现对激光频率数小时的稳定.该稳频后的激光光源被成功地用于激光冷却亚稳态氪原子各个稳定同位素.     

基于PDH(Pound-Drever-Hall)技术谐振腔腔长反馈锁定研究

设计并搭建了一套基于PDH技术谐振腔腔长反馈锁定实验系统,利用高频率稳定度的激光中心频率作为参考标准实现对外部谐振腔腔长的精确控制.当入射光为1W,波长1064 nm,相位调制信号频率12.5 MHz,幅值2V,谐振腔输入耦合镜反射系数为0.95时,获得PDH误差信号随谐振腔腔长变化曲线与理论计算结果基本吻合.利用该误差信号实现了对外部谐振腔腔长大于30分钟,且稳定度为5.13×10-8的锁定.     

新型声光通信激光多普勒信号的鉴频电路

根据激光多普勒测振技术进行声光通信的工作原理,设计一种新型、小型激光多普勒测振信号鉴频电路。该电路根据外差探测原理,本地振荡器输出信号与探测信号混频得到一路信号,经90°移相后的本地振荡器输出信号再与探测信号混频得到另一路信号,利用这两路信号得到了多普勒频移量和声源振动的频率。利用扬声器激发的水面模拟振源进行实验,表明该电路可有效测量的振动频率范围为300 Hz~10 kHz,证明可用于水下光声通信。     

基于注入锁定和时域综合的倍频三角波产生技术

提出并验证了一种利用载波抑制调制和半导体激光器注入锁定相结合的倍频三角波产生方案。方案中激光器发出的连续光经正弦信号驱动的马赫-曾德尔调制器进行抑制载波调制后分为两路,一路保持不变,另一路注入分布反馈激光器锁定放大调制光的高阶谐波分量,获得六倍频信号。两路信号经相位和功率比控制,合路后在光电探测器中叠加产生二倍频的三角波信号。实验利用频率为3GHz和4GHz的正弦调制信号产生了6GHz和8GHz的二倍频全占空三角波信号。理论分析和实验结果均证明了此方案的可行性,避免了复杂的谱线操作,所提方案更加简单高效,在高重复频率三角波产生方面有显著优势。     

激光传感通信技术的智慧医疗监测系统

将激光传感通信技术应用在智慧医疗监测领域,设计高监测精度、高传输速率的智慧医疗监测系统。利用激光传感技术设计体温测量模块,模块采用F-P腔匹配滤波解调方法,泵浦源发射光产生宽带光在谐振腔生成激光,抵达光栅后原路反射到达F-P腔中心波长解调,光电探测器接收光栅反射光与F-P腔透射光的卷积,获取体温监测信号;激光跳频通信模块FPGA以串口为中介发送、接收医疗数据,模块的ASK基带编码激光调制依据调制激光循环频率随调制信号基带频率的变换的原理,计算可变基频调制信号,实现医疗数据通信传输。得到以下实验结论:体温测量模块能够提升中心波长,节约模块测量人体体温用时;激光通信模块可连续传输医疗数据,运行稳定。     

基于动态法布里-珀罗腔的光纤光栅温度传感

提出一种动态非本征法布里-珀罗(F-P)腔对波长的解调方法。利用压电陶瓷(PZT)构建的动态非本征F-P腔调制光纤布拉格光栅(FBG)反射光,理论分析得到调制光强随F-P腔的腔长改变呈类余弦变化。经数值模拟,当PZT在正弦电压驱动下,F-P腔调制输出的类余弦信号因FBG波长的变化产生了信号曲线的位移,且位移量与FBG波长的变化量呈线性关系,此关系可用于FBG波长的解调。通过动态F-P腔与光纤光栅构建的温度测量实验系统,对不同温度下的液体进行实验测试,在35℃～80℃温度变化范围内验证了液体温度变化量与类余弦信号的位移量呈线性关系,其线性拟合度达99.5%。     

2μm波段DBR光纤激光器的超稳腔PDH稳频技术

报道一种可用于超稳腔Pound-Drever-Hall(PDH)稳频的2μm波段分布Bragg反射（DBR）光纤激光器及其频率锁定结果。该绝热封装的光纤激光器配备主动温度控制和压电陶瓷（PZT）频率调谐装置,可满足超稳腔PDH稳频应用。通过周期极化铌酸锂（PPLN）晶体倍频,采用PDH稳频技术将研制的1950 nm光纤激光器频率稳定到了1μm波段超稳腔频率参考上。针对DBR光纤激光器中PZT频率调谐机制只反馈调节腔长,容易在稳频过程中产生激光器跳模进而导致频率失锁的问题,笔者提出并演示了一种对DBR光纤谐振腔实施基于超稳腔频率参考的实时温度控制方案,并采用该方案实现了对DBR光纤激光器超过4周的长期频率锁定。该方案对于实现DBR光纤激光器的长期频率锁定具有较高的参考价值。     

基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10~(-16)和8×10~(-15),频率噪声降低至8×10~(-3) Hz~2/Hz@1～10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

PDH激光稳频控制技术研究

针对多普勒测风激光雷达系统的应用需求,研制了一套结构紧凑、操作灵活的Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频系统。直接数字频率合成器(DDS)产生激光器高频相位调制信号,模拟混频器解调激光器的频率漂移信息,高集成度的数字信号处理器(DSP)作为稳频控制系统的心脏,负责整个稳频系统的总线控制、信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。实验表明,在2.5h内激光器的相对频率漂移不超过±17kHz,其均方根(RMS)误差为5kHz,绝对频率稳定度优于200kHz。在主动对法布里-珀罗干涉仪(FPI)施加6 Hz固定扰动时,系统能够在30ms内迅速恢复稳定。满足直接探测多普勒测风雷达系统中0.1m/s测风精度的应用需求。     

基于AD9850和AD9854的涡流检测系统信号源设计

在涡流检测系统设计中,利用正交锁定放大器可以实现微弱信号的检测.DDS芯片AD9850和AD9854分别可以输出一路正弦信号和两路正交正弦信号.基于AD9850和AD9854设计的信号源.为涡流检测系统提供激励源,同时为正交锁定放大器提供正交参考信号.激励信号具有频率连续可调、频带范围宽和稳定性高等优点,参考信号具有正交性好和相位旋转灵活等优点.实验证明,该信号源可以在便携式智能涡流无损检测系统中方便应用.     

正弦型相柑位调制对闲频光展宽抑制的研究

理论分析了双抽运光纤光参量放大POPA系统中抽运光相位调制对闲频光光谱展宽的影响,提出可以采用多个耦合的低频正弦信号对两路抽运光进行反相相位调制,在提高受激布里渊散射(SBS)阈值的同时抑制闲频光光谱的展宽。通过采用300MHz与900MHz的耦合信号作为调制信号,实验演示了该方案的可行性,得到无展宽的闲频光。比较了传统PRBS信号作为调制信号的方案,发现采用正弦调制信号对系统器件的性能有更好的容忍度。     

传输腔稳频的397nm半导体激光器

商用的半导体激光器由于其长期漂移大,不能满足单离子光频标中离子的激光冷却和长时间探测的目的。因此,采用了传输腔稳频技术减小商用397nm半导体激光器的长期漂移。利用经过Pound-Drever-Hall(PDH)技术锁定的729nm超稳激光器作参考激光,采用扫描的法布里-珀罗(F-P)干涉仪作传输介质,实现了397nm半导体激光器的长稳锁定。稳频后397nm激光器在1h内的漂移小于1MHz,100s的Allan方差小于1×10-10。这些指标为下一步利用传输腔技术实现866nm激光的长稳锁定打下了基础,同时为优化单个钙离子的激光冷却和长时间精密测量提供了条件。     

消除机械抖动激光陀螺闭锁误差的方法

理论分析了机械抖动激光陀螺(MDRLG)闭锁误差产生的原因,给出了闭锁误差与输入角速率、机械抖动频率和机械抖动幅度的关系。针对激光陀螺读出电路整脉冲计数解调的缺陷,提出了用抛物线方程描述激光陀螺输出信号零速率点的相位特征来补偿丢失的小角速率信息,并且利用激光陀螺零速率点相位的正弦值和余弦值以及零速率点相位的二阶导数进行闭锁误差补偿的新方法。仿真实验结果表明,在整周期采样过程中,激光陀螺最大输出误差由原来的6．25％减小到0．622％,有效地减小了闭锁误差,提高了激光陀螺的检测精度。同时该方法也使激光陀螺输出信号具有良好的稳定性和重复性。