一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法，其特点在于该装置包括光学系统和电子学控制系统，所述的光学系统，包括半导体激光器、光纤激光放大器、环形倍频腔和HC鉴频光路，所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置、光电探测器、压电陶瓷、高压放大器和示波器。本发明专利技术根据光学腔信号在锁定前后的特点，利用简单的模拟电子元件实现了环形倍频腔的快速自动锁定，无需数字自动锁腔装置所需的软件编程和模数转换过程，具有锁定时间短、结构简单、成本低廉和快速自动锁腔优点，提高了连续窄线宽激光器的长期稳定运行能力。
【技术实现步骤摘要】
基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法
本专利技术属于光学腔自动锁定装置，具体是一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法。
技术介绍
目前，连续可调谐窄线宽激光已经广泛用在高分辨激光光谱和光晶格原子钟等精密测量物理实验中，其中，某些特殊波长的激光需要通过连续激光器进行倍频获得。通过外腔增益倍频是提高倍频效率的有效途径，其基本原理是把环形腔锁定到基频光频率，使环形腔和基频光达到共振以提高腔内基频光功率，从而提高倍频效率。然而，环形腔在实验过程中非常容易受到外界环境中声音、振动的干扰导致失锁，失锁后往往需要科研人员重新手动锁定，这对于像光晶格原子钟这样需要连续运行的物理系统是不利的，所以我们在实现环形腔锁定的同时，还需要使环形腔失锁后可以快速自动锁定。光学腔自动锁定装置除了可以应用于环形倍频腔，还适用于其他的激光稳频实验，比如激光频率锁定到相应参考标准(如FP腔)的稳频实验。实验室中通常采用PDH方法、HC方法等手段来产生光学腔的鉴频光谱，再通过伺服反馈给腔镜上的压电陶瓷(PZT)实现光学腔的锁定。目前常见的数字自动锁定装置和方法[CN103513490B]往往通过数据采集板卡进行高速采样，再通过电脑软件编程对数字信号进行所需的PID运算并编写锁腔所需的逻辑功能来实现激光的自动稳频。这类自动锁定装置可以应用到激光光谱、非经典光学态的制备等实验中，具有适用范围广，易于逻辑编程等优点，但它的缺点在于所需的数据采集卡价格昂贵，对于一些仅需要光学腔锁定的实验造成了资源的浪费。此外，还有基于惯性同步电路(flywheelcircuit)和自动增益控制电路(automaticgaincontrolcircuit)来实现FP腔自动锁定的装置[ReviewofScientificInstruments,76,026101(2005)]，其问题在于当FP腔远离共振点时需要较长时间自动锁定，较长的锁定时间对长期连续运行的实验显然是不利的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其频腔方法，根据光学腔信号在锁定前后的特点，利用简单的模拟电子元件实现了环形倍频腔的快速自动锁定，无需数字自动锁腔装置所需的软件编程和模数转换过程，具有锁定时间短、结构简单、成本低廉和快速自动锁腔优点，提高了连续窄线宽激光器的长期稳定运行能力。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，其特点在于该装置包括光学系统和电子学控制系统：所述的光学系统，包括半导体激光器、光纤激光放大器、环形倍频腔和HC鉴频光路，所述的环形倍频腔的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜、第二腔镜、第三腔镜、非线性晶体、耦合腔镜和输入耦合镜构成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器输出的基频光经所述的光纤激光放大器、输入耦合镜输入所述的环形倍频腔，在腔内共振增强，由非线性晶体倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜输出，所述的HC鉴频光路的输入端口位于所述的输入耦合镜的基频光的反射方向；所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置、光电探测器、压电陶瓷、高压放大器和示波器，所述的自动锁腔装置设有误差信号端口、锁腔信号输出端口、参考电压端口、环形腔透射信号输入端口和信号监测端口，所述的光电探测器位于所述的第三腔镜的基频光的透射信号方向，该光电探测器的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口相连，所述的压电陶瓷贴在所述的第二腔镜的背面；所述的HC鉴频光路的输出端与所述的误差信号端口相连，所述的光电探测器的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口相连，所述的参考电压端口供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口经所述的高压放大器与所述的压电陶瓷的控制端相连，所述的信号监测端口与所述的示波器的输入端相连；所述的自动锁腔装置包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的一个输入端；所述的PID伺服控制部分包括积分器、比例器、微分器、加法器和积分电容，由所述的HC鉴频光路的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口分别经过积分器、比例器和微分器输入加法器产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的另一输入端；所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器、第一模拟开关、限流电阻、第二模拟开关、采样保持电阻、采样保持电容、第一电压跟随器和第二电压跟随器,所述的限流电阻和所述的第一模拟开关串联后与所述的积分器的积分电容并联，所述的电压比较器的负端接所述的参考电压端口，正端接所述的环形腔透射信号输入端口，电压比较器的输出端分别与所述的第一模拟开关的控制端和第二模拟开关的控制端相连，所述的第二模拟开关的输出端依次经第一电压跟随器、第二电压跟随器与所述的锁腔信号输出端口相连，在所述的第一电压跟随器和第二电压跟随器之间经所述的采样保持电阻、采样保持电容接地。利用上述基于模拟电路的光学腔锁定装置的自动锁腔方法，该方法包括如下步骤：1)自动锁腔装置设置参数：设置三角波的扫描信号周期T>>采样保持电容的充放电时间τ>>第二模拟开关的切换时间t，设置锁腔PID参数：包括比例、积分、微分参数，所述的电压比较器负端的参考电压设置为环形腔透射信号最大电压值的50％到60％；第一模拟开关的控制端和第二模拟开关的切换时间t为10ns左右，第一模拟开关串联的限流电阻的阻值为1K欧姆；2)所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关的一个输入端；启动所述的半导体激光器，所述的光电探测器探测所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口输入所述的自动锁腔装置；所述的HC鉴频光路在接收所述的输入耦合镜反射的基频光后产生误差信号，经所述的误差信号端口输入所述的自动锁腔装置，该误差信号经所述的积分器、比例器和微分器由加法器产生锁腔伺服控制信号输入第二模拟开关的另一输入端；当所述的第二模拟开关关闭时，输入的信号依次经所述的第一电压跟随器、第二电压跟随器、锁锁腔信号输出端口、高压放大器后施加在所述的压电陶瓷的控制端，实现锁腔；3)所述的光电探测器将所述的环形腔的透射信号经所述的环形腔透射信号输入端口输入所述的自动锁腔装置：当所述的环形腔失锁时，所述的电压比较器输出低电位，第二模模拟开关自动断开锁腔伺服控制信号而连接所述的扫腔信号，同时第一模拟开关闭合，积分电容放电，关闭所述的积分器，所述的限流电阻起保护第一模拟开关的作用；当所述的光电探测器探测到所述的环形腔的共振峰时，所述的电压比较器输出高电位，第二模拟开关断开扫腔信号重新切换到锁腔伺服控制信号，同时第一模拟开关自动断开，使积分器重新起作用，在开关切换时间内所述的采样保持电容使压电陶瓷上的电位维持在共振峰电位，实现自动锁定功能。本专利技术的技术效果：在光学腔受到环境干扰导致失锁后，本专利技术可以实现环形腔的快速自动锁定，从而提高连续窄线宽激光器长期稳定运行能力，有利于光晶格钟和冷原子物理实验的长期连续测量。本专利技术与常见的激光自动稳频装置相比无需采购昂贵的数据采集板卡，也无需利用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，其特征在于该装置包括光学系统和电子学控制系统：所述的光学系统，包括半导体激光器(1)、光纤激光放大器(2)、环形倍频腔(4)和HC鉴频光路(5)，所述的环形倍频腔(4)的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜(401)、第二腔镜(402)、第三腔镜(403)、非线性晶体(405)、耦合腔镜(404)和输入耦合镜(401)成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器(1)输出的基频光经所述的光纤激光放大器(2)、经所述的输入耦合镜(401)输入所述的环形倍频腔(4)，在腔内共振增强，由非线性晶体(405)倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜(404)输出，所述的HC鉴频光路(5)的输入端口位于所述的输入耦合镜(401)的基频光的反射方向；所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置(3)、光电探测器(6)、压电陶瓷(7)、高压放大器(8)和示波器(9)，所述的自动锁腔装置(3)设有误差信号端口(301)、锁腔信号输出端口(302)、参考电压端口(303)、环形腔透射信号输入端口(304)和信号监测端口(305)，所述的光电探测器(6)位于所述的第三腔镜(43)的基频光的透射信号方向，该光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的压电陶瓷(7)贴在所述的第二腔镜(42)的背面；所述的HC鉴频光路(5)的输出端与所述的误差信号端口(301)相连，所述的光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的参考电压端口(303)供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口(302)经所述的高压放大器(8)与所述的压电陶瓷(7)的控制端相连，所述的信号监测端口(305)与所述的示波器(9)的输入端相连；所述的自动锁腔装置(3)包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的一个输入端；所述的PID伺服控制部分包括积分器(307)、比例器(308)、微分器(309)、加法器(310)和积分电容(313)，由所述的HC鉴频光路(5)的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口(301)分别经过积分器(307)、比例器(308)和微分器(309)输入加法器(310)产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的另一输入端；所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器(306)、第一模拟开关(311)、限流电阻(312)、第二模拟开关(314)、采样保持电阻(315)、采样保持电容(316)、第一电压跟随器(317)和第二电压跟随器(318),所述的限流电阻(312)和所述的第一模拟开关(311)串联后与所述的积分器(307)的积分电容(313)并联，所述的电压比较器(306)的负端接所述的参考电压端口(303)，正端接所述的环形腔透射信号输入端口(304)，电压比较器(306)的输出端分别与所述的第一模拟开关(311)的控制端和第二模拟开关(314)的控制端相连，所述的第二模拟开关(314)的输出端依次经第一电压跟随器(317)、第二电压跟随器(318)与所述的锁腔信号输出端口(302)相连，在所述的第一电压跟随器(317)和第二电压跟随器(318)之间接所述的采样保持电阻(315)、采样保持电容(316)接地。...
【技术特征摘要】
1.一种基于模拟电路的光学腔自动锁定装置，其特征在于该装置包括光学系统和电子学控制系统：所述的光学系统，包括半导体激光器(1)、光纤激光放大器(2)、环形倍频腔(4)和HC鉴频光路(5)，所述的环形倍频腔(4)的构成是：沿光路方向依次是输入耦合镜(401)、第二腔镜(402)、第三腔镜(403)、非线性晶体(405)、耦合腔镜(404)和输入耦合镜(401)成交叉准“8”字形环形腔，所述的半导体激光器(1)输出的基频光经所述的光纤激光放大器(2)、经所述的输入耦合镜(401)输入所述的环形倍频腔(4)，在腔内共振增强，由非线性晶体(405)倍频产生的倍频光经所述的耦合腔镜(404)输出，所述的HC鉴频光路(5)的输入端口位于所述的输入耦合镜(401)的基频光的反射方向；所述的电子学控制系统，包括自动锁腔装置(3)、光电探测器(6)、压电陶瓷(7)、高压放大器(8)和示波器(9)，所述的自动锁腔装置(3)设有误差信号端口(301)、锁腔信号输出端口(302)、参考电压端口(303)、环形腔透射信号输入端口(304)和信号监测端口(305)，所述的光电探测器(6)位于所述的第三腔镜(43)的基频光的透射信号方向，该光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的压电陶瓷(7)贴在所述的第二腔镜(42)的背面；所述的HC鉴频光路(5)的输出端与所述的误差信号端口(301)相连，所述的光电探测器(6)的输出端与所述的环形腔透射信号输入端口(304)相连，所述的参考电压端口(303)供设置的参考电压，所述的锁锁腔信号输出端口(302)经所述的高压放大器(8)与所述的压电陶瓷(7)的控制端相连，所述的信号监测端口(305)与所述的示波器(9)的输入端相连；所述的自动锁腔装置(3)包括扫腔信号发生部分、PID伺服控制部分和自动锁腔逻辑功能部分：所述的扫腔信号发生部分包括ICL8038芯片，产生扫腔三角波信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的一个输入端；所述的PID伺服控制部分包括积分器(307)、比例器(308)、微分器(309)、加法器(310)和积分电容(313)，由所述的HC鉴频光路(5)的输出的锁腔误差信号经所述的误差信号端口(301)分别经过积分器(307)、比例器(308)和微分器(309)输入加法器(310)产生锁腔伺服控制信号，该锁腔伺服控制信号输入所述的自动锁腔逻辑功能部分的第二模拟开关(314)的另一输入端；所述的自动锁腔逻辑功能部分包括电压比较器(306)、第一模拟开关(311)、限流电阻(312)、第二模拟开关(314)、采样保持电阻(315)、采样保持电容(316)、第一电压跟随器(317)和第二电压跟随器(318),所述的限流电阻(312)和所述的第一模拟开关(311)串联后与所述的积分器(307)的积分电容(313)并联，所述的电压比较器(306)的负端接所述的参...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵儒臣，徐震，孙剑芳，付小虎，方苏，王育竹，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31
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