基于DDS的激光频率高精度控制系统及其应用

在诸如激光冷却原子、光频标和冷原子干涉等实验中,通常采用压控振荡器（VCO）技术对激光移频,但是移频精度和稳定性不能满足实验要求。本文提出并研制了一种直接数字频率合成器（DDS）及其专用高精度时序控制系统用于激光的移频。DDS基于AD9852芯片,配合微控制器（MCU）控制其参数,输出经功率放大后直接驱动声光调制器以调...     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

玻色-爱因斯坦凝聚实验中光学系统和控制系统的研究

设计了适用于玻色-爱因斯坦凝聚实验的光学系统和控制系统.在光学系统中,采用三次微分稳频的技术将半导体激光的频率锁定在87Rb原子的饱和吸收谱线上.冷却光频率和光强的控制通过声光调制器实现.讨论了激光频率的稳定性对于玻色-爱因斯坦凝聚实验中冷原子温度的影响;制作并改进了基于锁相环技术声光调制器的射频驱动源,使所有输入声光调制器射频场的相位来自同一个参考源,从而避免了经过移频后激光频率和相位的随机抖动对原子产生的加热.在控制系统中采用LabVIEW作为时序控制平台,综合了磁光阱和运动光学粘团中的冷却激光频率和光强的控制,上下两个磁光阱装载原子的过程,87Rb原子从磁光阱过渡到静磁阱的过程,静磁阱的电流快速开关控制,蒸发冷却过程中扫描射频场的频率和时间控制,以及CCD成像系统的控制.着重讨论在蒸发冷却过程中87Rb原子的统计状态随着扫描射频场的改变而发生的变化.(OA2)     

用于激光原子囚禁的二极管激光器的稳频和移频

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行了稳频,使得激光器的等效线宽小于1～MHz,并利用声光调制器使激光的频移量得到控制,能满足激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求,实现了Rb原子的激光囚禁。     

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.     

原子干涉仪中激光频率和光强控制系统的设计

为了对铯原子外态干涉仪的激光束精密控制,设计了一套适用于多种需求的激光频率和光强控制系统。该系统基于声光调制器,并集成了激光移频、光强稳定和光强调制等功能。首先,根据原子干涉仪的原理,提出对激光的要求和指标。接着,按照提出的要求设计了集成锁相频率合成器等硬件电路系统和LabVIEW软件控制系统。最后,对所开发的系统进行了实验测试。实验结果表明:系统的移频范围可控制在100~200MHz;光强稳定性好,采用稳光系统后输出光强的波动减小为2%。设计的这套系统功能齐全,可靠有效,实现预期目标,满足原子干涉仪对光学系统的要求。另外此系统还可以应用到其他需要系统中,比如原子钟、原子干涉重力梯度仪等。     

基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究

报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声光调制器移频光束路径对衍射角θ的依赖。自行研制了具有高灵敏度与捕获带宽的光学锁相环系统,利用声光调制器的高频率响应特性实现热稳频He-Ne激光高速、准确的锁定。成功实现了热稳频He-Ne激光器偏频锁定至碘稳频HeNe激光器。实验结果表明,环路锁定后拍频频率波动在±0.2 Hz范围内,频率抖动的标准差为0.04。偏置频率为30 MHz时,系统在1 s和1 000 s积分时间的相对阿伦方差分别为3.3×10^-9和1.4×10^-12。系统锁定后,压缩后的拍频线宽小于2 kHz。该研究表明,采用基于声光调制器与光学锁相环相结合的激光稳频方法可以实现亚赫兹级的激光频差控制,通过将热稳频He-Ne激光器偏频锁定至高稳定度的参考激光源可以显著提升其频率稳定度和准确度。     

正交解调Pound-Drever-Hall激光稳频系统设计

分析了传统Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频方法的工作原理,设计了一种基于正交解调原理的PDH激光稳频方案。该方案采用直接数字频率合成器同时产生两路频率均为10 MHz的正弦和余弦信号,其中正弦信号分为两路:一路用于驱动电光相位调制器以产生相位边带,另一路与余弦信号一起作为相位解调的参考信号。经相位调制后的激光束耦合进入F-P参考腔,所产生的光外差干涉信号由光电探测器进行探测,其输出信号分别与两路正交参考信号进行混频,经低通滤波后得到误差信号的两个正交分量,二者经A/D转换后进入微处理器进行正交相敏检波运算,即可得到PDH稳频系统的误差信号。建立了正交解调PDH激光鉴频实验系统,对F-P参考腔的腔长进行线性扫描,观察到了鉴频曲线,其鉴频灵敏度为1.82 V/MHz,最大频率变化量为5.48 MHz。实验结果表明,所设计的正交解调PDH稳频方案可行。     

利用外差法对激光相干合成技术中相位的研究与实现

系统采用并联主振荡-功率放大的相干合成方案,实现光纤激光器的相干合成.外差法是通过实时探测和校正光路中相位的变化,从而使整个系统达到锁相输出的目的.主振荡激光器的波长为1064 nm,输出功率0-100 mW连续可调,光纤相位调制器采用铌酸锂相位调制器.声光移频器的移频量为70 MHz,精度可优于/λ20,相干合成效率≥80%,整个光路为全保偏光路.相位调制器实时控制2路信号的相位差,从而实现整个实验系统的相干合成输出.系统实现闭环控制后,2路光纤放大器的相位差为2π的整数倍,输出光强始终保持最强.该相干合成方案简单易行,性能稳定.     

用于稳定激光功率的数字控制系统

在冷原子干涉仪的研究中,常采用三个拉曼光脉冲实现对原子束的相干操控(分束、反射和合束)。拉曼激光的功率抖动会引起Rabi频率的变化,从而带来严重的干涉相移噪声。这些噪声对用于高精度转动加速度测量的冷原子干涉仪来说是不可忽略的系统噪声,因此实现拉曼激光的功率稳定对于实现高精度原子干涉是至关重要的。采用声光调制器(AOM)作为执行器,设计了一套用于稳定激光功率的数字控制系统。在对AOM进行系统辨识和控制器仿真设计的基础上,利用Labview程序实现了激光功率稳定的PID控制。测试结果表明,在测量时间为1 h情况下,激光功率的不稳定度由系统闭环前的1.67%降低到了系统闭环后的0.19%,极大地提高了干涉信号的稳定性,同时也降低了系统噪声。     

Multifunctional radio-frequency generator for cold atom experiments

We present a low cost radio-frequency (RF) generator suitable for experiments with cold atoms. The RF source achieves a sub-hertz frequency with tunable resolution from 0 MHz to 400 MHz and a maximum output power of 33 dBm. Based on a direct digital synthesizer (DDS) chip, we implement a ramping capability for frequency, amplitude and phase. The system can also operate as an arbitrary waveform generator. By measuring the stability in a duration of 600 s, we find the presented device performs comparably as Agilent33522A in terms of short-term stability. Due to its excellent performance, the RF generator has been already applied to cold atom trapping experiments.     

采用ARM与DDS技术的水声信号发射机

介绍了采用ARM7芯片LPC2131为主控与DDS频率合成芯片AD9833组成的水声信号发射机,根据LPC2131和AD9833芯片的功能与特点,从硬件电路构成和软件设计探讨实现了各类水声调制信号的输出功能,结合ARM技术并通过SPI串行通信协议实现频率信号产生,完成水声通信系统中的编码信号与调制信号的合成,并可通过计算机串口实现编码变换。     

基于AD9959与STM32的DDS扫频信号源设计

设计并制作了一种DDS芯片AD9959配以STM32单片机控制的DDS扫频信号源,介绍了DDS基本原理,AD9959芯片主要功能以及系统软硬件实现。测试结果表明,扫频信号源可实现0.1M-68MHz范围正弦信号的点频输出与扫频输出,在频率范围内的各个频率点都能产生稳定、平滑的正弦波,输出电压峰峰值稳定在1Vpp左右,达到设计要求。     

声光调制系统驱动器的研制

超短脉冲激光调制系统包括腔倒空驱动器、匹配网络和声光换能器。研制的激光脉冲调制系统运用锁相技术,采用单片、集成锁相环代替分立元件,实现了片内鉴频和鉴相,解决了高频信号传输的难题。研制的腔倒空驱动器能输出4 MHz、800 kHz、400 kHz、80 kHz、40 kHz、800 Hz、400 Hz等不同重复频率的脉冲信号,输出功率达到瓦级,满足了声光布喇格池的要求。匹配网络的加入使声光换能器充分吸收腔倒空驱动器输出的功率,增加衍射效率。激光脉冲调制系统已应用在皮秒时间相关单光子计数光谱仪系统中,在实际应用中取得了理想的效果。     

石英晶体测试系统中DDS信号源设计

针对π网络石英晶体参数测试系统,采用以STM32F103ZET6型ARM为MCU控制DDS产生激励信号。该测试系统相对于传统的PC机测试系统具有设备简单、操作方便,较之普通单片机测试系统又具有资源丰富、运算速度更快等优点。AD9852型DDS在ARM控制下能产生0~100 MHz扫频信号,经试验数据分析得到信号精度达到0.5×10^-6,基本满足设计要求。该系统将以其小巧、快速、操作方便、等优点被广泛采用。     

声表面波射频识别系统的FMCW信号源设计

频率调制连续波(FMCW)的产生(即FMCW信号源)是声表面波射频识别系统频域采样阅读器的重要组成部分。为了满足扫频速度、带宽和线性度等要求,采用直接数字频率合成器(DDS)与锁相环(PLL)混频,并结合IQ调制的方式设计了超高频FMCW信号源。实际制作了信号源电路,DDS芯片输出I、Q两路正交信号,并分别以差分形式传输至IQ调制芯片进行上变频。测试了DDS输出信号的差分、正交特性,分别对信号源产生的单频信号和扫频信号进行了测试。最后搭建系统对声表面波标签进行测试。测试结果表明信号源设计的有效性。     

基于DSP的低频频率特性测试仪

传统的频率特性测试仪不仅价格昂贵,且得不到相频特性,更不能保存频率特性图和打印频率特性图,也不能与计算机接口,给使用者带来了诸多不便.而本文采用DDS技术作为扫频信号源;同时采用了集成模拟芯片AD8302对幅度和相位进行检测,用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128进行测量控制和数据处理,人机接...     

AD9858在捷变频频率合成器设计中的应用

系统地介绍了一种低杂散、低相位噪声、快速捷变频频率合成器的实现途径,用TMS320VC5409控制AD9858得到宽带、低相噪、高SFDR(无杂散动态范围)的输出信号.文中详细阐述了高性能DDS芯片AD9858的主要性能及其应用方法,着重说明了AD9858时钟电路的设计、调试方法,并给出了用PN9000相位噪声仪测试的结果.该数字频率合成器通过编程可方便地实现单点频、线性调频和调相功能, 经过实际应用达到了比较满意的效果.     

基于声光调制的中波红外激光功率稳定系统

针对中波红外激光器输出功率波动较大, 采用声光反馈调节的方法, 研发出一套声光反馈调节中波红外激光器腔体外功率的稳定控制系统, 系统主要由声光调制器、探测器、微电流放大器、反馈控制电路等组成。经实验验证, 该系统有效地抑制了激光器输出功率的波动, 波动可控制在0.08%范围之内, 达到了低温绝对辐射计对输入激光稳定性的要求。同时该系统具有软件调节输出功率的功能, 能够便捷、低成本地实现激光器多种不同功率的连续可调性输出, 通过增量式PID算法使得系统在2s内便可完成不同功率之间的调节, 亦解决了以往一台激光器只有唯一的输出功率的局限问题, 满足用户的多种使用需求, 具有实用性、创新性。     

一种基于DDS技术的新型宽带雷达信号源的设计

AD9858是Analog Devices公司的一款高性能DDS芯片,可产生多种形式的信号,在对DDS原理以及AD9858器件研究的基础上,介绍了一种基于AD9858的宽带雷达信号源的设计方案,可输出单点频正弦信号、基带CHIRP信号、基带BPSK信号、射频CHIRP信号、射频BPSK信号。射频CHIRP信号由基带CHIRP信号经过倍频链转换到相应频段,射频BPSK由基带BPSK经过混频转换到相应频段。输出信号形式可由上位机通过USB接口灵活控制。