CN105891801B - 多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置。本发明通过相位调制的方式产生等频率间距的多谐波成分，这些谐波分量被FWMI透过率函数调制后发生外差过程，从而能生成反映FWMI谐振频率漂移大小和方向信息的反馈信号。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。本发明能自动补偿因为环境温度等原因带来的FWMI谐振频率漂移，且锁定精度高，锁定过程智能迅速，为FWMI光谱滤光器在HSRL中的高稳定运行创造了根本保障，对提高HSRL大气探测的精度具有极大的促进作用。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及一种多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置。
背景技术
高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术是目前对大气气溶胶光学参数遥感的有效手段。HSRL技术需要由具有高光谱分辨能力的滤光器分离大气回波信号中的米散射和瑞利散射成分来实现。最近，一种新型的光谱滤光器——视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)被发明并用于HSRL***中完成该光谱分离功能。FWMI实质上是一种改进的迈克尔逊干涉仪(MI)，它具有光谱分离功能的本质原因是因为光干涉的频率依赖性。为了更好地完成光谱分离功能，FWMI在HSRL中工作时其谐振频率必须准确保持在HSRL激光器的中心波长。尽管可以通过手动方式用压电陶瓷微位移器(PZT)将FWMI的谐振频率谐调到激光器频率，但是，由于实际操作时环境温度、空气压力等的变化，均会造成FWMI光程差的变化，最终其谐振频率也随之而漂移。容易想到的方法是，将FWMI放置在一个温度稳定度高的密闭箱中来保持其谐振频率不受环境变动的影响。但理论分析表明，该温控箱的温度稳定度应该在0.001摄氏度或更高才能满足要求。这对于国内目前的温控技术而言是一个巨大的挑战。因此，如何将FWMI谐振频率稳定地锁定在激光器中心频率是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是克服上述难点，提出了采用多谐波外差技术实时锁定FWMI光谱滤光器谐振频率至激光器中心频率的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子***模块b以及控制电脑；
电子***模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；
激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；
经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能。
第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号(与驱动电光相位调制器的信号相同)在电子***模块b中被处理：信号发生器信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成。乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成。乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量。正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑，控制电脑利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备(如压电陶瓷、气压控制器等，视FWMI结构不同而异)。反馈控制量的生成公式为
其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量。该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小正比于频率漂移量；反之，则该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。
在电光相位调制器工作时需要选定两个工作参数，即调制深度和调制频率。在本方案中，最优的调制深度为3rad，调制频率为0.1×FSR，其中FSR为待锁定FWMI的自由光谱范围。所述的第一光电探测器的带宽应大于等于2倍的调制频率；所述的第二光电探测器为普通的能量探测器，带宽一般为几百到几千Hz即可。所述的第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率一般小于5MHz。
本发明有益效果如下：
本发明采用多谐波外差有源反馈控制的方式将FWMI谐振频率稳定锁定到激光器中心波长，能自动补偿因为环境温度等原因带来的频率漂移，***锁定精度高，锁定过程智能迅速，为FWMI光谱滤光器在HSRL中的高稳定运行创造了根本保障，对提高HSRL大气探测的精度具有极大的促进作用。
附图说明
图1本发明装置示意图；
图2是激光被电光相位调制器调制后产生的多谐波成分；
图3是FWMI谐振频率从漂移状态到锁定状态时反馈控制信号的一个实例；
图4是FWMI处于锁定时第二光电探测器的输出信号。
图中，激光器1、电光相位调制器2、信号发生器3、激光扩束器4、分光棱镜5、第一透镜6、第一光电探测器7、第二透镜8、第二光电探测器9、FWMI主体a、电子***模块b以及控制电脑10；
电子***模块b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通滤波器14、第二低通滤波器15以及数据采集卡16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器1、电光相位调制器2、信号发生器3、激光扩束器4、分光棱镜5、第一透镜6、第一光电探测器7、第二透镜8、第二光电探测器9、FWMI主体a、电子***模块b以及控制电脑10；
电子***模块b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通滤波器14、第二低通滤波器15以及数据采集卡16；
激光器1发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器2的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器2的驱动信号由信号发生器3提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器4扩束后又通过分光棱镜5进入FWMI主体a；
经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜5再次反射后，被第一透镜6汇聚到第一光电探测器7上，并发生光外差过程从而生成相应频率的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜8汇聚到第二光电探测器9上，由于第二光电探测器9响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能。
第一光电探测器7的输出电信号以及信号发生器3的驱动信号(与驱动电光相位调制器2的信号相同)在电子***模块b中被处理：信号发生器3的驱动信号一部分被90度移相器13移相后和第一光电探测器7的输出电信号相乘，该相乘过程由乘法器11完成。乘积信号的结果被第一低通滤波器14滤波后由数据采集卡16记录下来，称为正交信号分量。信号发生器3的驱动信号另一部分直接和第一光电探测器7的输出电信号相乘，该相乘过程由乘法器12完成。乘积信号的结果被第二低通滤波器15滤波后由数据采集卡16记录下来，称为同相信号分量。正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑10，控制电脑10利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备(如压电陶瓷、气压控制器等，视FWMI结构不同而异)。反馈控制量的生成公式为
其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量。该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小正比于频率漂移量；反之，该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。
在电光相位调制器2工作时需要选定两个工作参数，即调制深度和调制频率。在本方案中，最优调制深度为3rad，调制频率为0.1×FSR，其中FSR为待锁定FWMI的自由光谱范围。所述的第一光电探测器的带宽应大于等于2倍的调制频率；所述的第二光电探测器9为普通的能量探测器，带宽一般为几百到几千Hz即可。所述的第一低通滤波器11和第二低通滤波器12的截止频率一般小于5MHz。
本发明采用多谐波外差方式生成控制FWMI的反馈信号，反馈信号能自动跟踪FWMI谐振频率漂移的方向和大小，从而自动将FWMI谐振频率锁定到激光器的中心频率。该锁定方案灵敏度高、锁定时间短、锁定精度极高，是长时间保证FWMI在HSRL***中稳定工作的最佳方式之一。
实施例
图1中，激光器1为与HSRL主激光器波长相同的连续激光；电光相位调制器2为铌酸锂高速电光相位调制器，如Newport公司的4003NF相位调制器模块；信号发生器3为普通多功能信号发生器，如安泰信GA1484A；激光扩束器4可以选择北京大恒GCO-140121；分光棱镜5为普通非偏振分光棱镜，如北京大恒GCC-401052；第一透镜6和第二透镜8为普通的汇聚透镜，焦距按照需要自由选择，如北京大恒GCL-010111B，焦距100mm；第一光电探测器7为高速光电探测器，如Newport公司818-BB-30，带宽2GHz；第二光电探测器9为普通的能量光电探测器，如thorlabs公司FDPS3X3。控制电脑10选用任意商用电脑即可。
待测的FMWI主体a为需要锁定的干涉仪，其FSR为2GHz，采用压电陶瓷作为频率谐调装置。
电子***模块b中，第一乘法器11和第二乘法器12及90度移相器13在LINEARTECHNOLOGY公司生产的芯片LTC5584中有集成；第一低通滤波器14、第二低通滤波器15采用LINEAR TECHNOLOGY公司的LT1568芯片完成；数据采集卡16为NI公司NI 9220数据采集模块。
下面结合具体的装置参数进一步说明该多谐波外差锁定FWMI装置的特点。
图2示出了在选定相位调制器参数的条件下，得到的相位调制后的光谱分布图，其中还一并给出了FWMI透过率函数。可以看到，被调制后的激光频谱出现了很多离散频率分量，它们具有不同的幅度，并等间距排列，这些频率成分即为多谐波分量。这些频率分量被FWMI透过率函数调制后发生外差过程，从而为反馈控制量的生成提供了基础。
图3是FWMI谐振频率从漂移状态到锁定状态时反馈控制信号的一个实例。在A点，锁定***开始运行，误差信号振荡并迅速衰减，在1s左右误差信号即开始回到0，如图中的B点所示。随后在反馈控制***的作用下，误差信号稳定在0。图3中，在点C处是为了测试锁定的稳定性而人为引入的干扰(通过敲打FWMI主体)，可以看到，即使在有干扰情况下，该***也能迅速恢复稳定。
图4是FWMI处于锁定时第二光电探测器的输出信号。不难发现在FWMI处于锁定状态后，第二光电探测器的输出信号也快速变化到0，这就说明了FWMI目前被锁定在相消谐振状态，正是HSRL所需要的工作情况。
图3和图4表明了该锁定装置对FWMI具有极好的锁定性能。
Claims (6)
1.多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子***模块b以及控制电脑；
电子***模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；
激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；
经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能；
第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号在电子***模块b中被处理：信号发生器的驱动信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成；乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器的驱动信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成；乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量；正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑，控制电脑利用正交信号分量和同相信号分量生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备；反馈控制量的生成公式为：
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其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量；该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小正比于频率漂移量；反之，则该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量；在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。
2.如权利要求1所述的多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，其特征在于采用电光相位调制器产生多谐波边带信号，并利用多边带信号的外差产生反馈控制量，从而实时稳定FWMI。
3.如权利要求1所述的多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，其特征在电光相位调制器工作时选定调制深度为3rad，调制频率为0.1×FSR，其中FSR为待锁定FWMI的自由光谱范围。
4.如权利要求3所述的多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，其特征在于第一光电探测器的带宽应大于等于2倍的调制频率；所述的第二光电探测器为普通的能量探测器，带宽为几百到几千Hz。
5.如权利要求1所述的多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，其特征在于第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率小于5MHz。
6.如权利要求1所述的多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，其特征在于该装置能够锁定任何种类的迈克尔逊干涉仪。
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