[发明专利]一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统

说明书

本发明提供一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，包含有超窄线宽光纤激光器、声光调制器、相位调制器、正交解调装置以及反馈控制装置。其特征是：由超窄线宽光纤激光器输出的激光依次经过声光调制器、相位调制器调制。经环形器输入进光纤光栅法布里‑泊罗干涉腔后，经正交解调回路解调。慢速PID控制器用以调节光源波长，补偿低频信号；快速PID控制器用以调节声光调制器，补偿高频信号。该方案能够克服光纤激光器调频响应以及调频带宽的限制，实现光纤激光器输出波长与参考谐振腔之间的稳定跟踪。

技术领域

本发明涉及一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，属于激光稳频技术领域。

背景技术

激光器在干涉测量、激光雷达、引力波探测等领域有着重要的应用。相比与空间激光器，光纤激光器具有体积小、易集成、调谐范围宽等特性，在光纤传感与测量领域中得到广泛应用。为了满足光纤传感领域的极限测量，对光纤激光器的频率稳定度提出了挑战。因此，人们类比稳频技术发展较为成熟的空间激光器，提出了许多光纤激光器稳频方案，例如偏振光谱法、Sagnac干涉法、PDH稳频技术等在参考标准频率处获取误差信号，对光纤激光器进行反馈稳频控制。其中，PDH稳频技术的系统鲁棒性高、稳定性强、响应速度快等优点，成为目前应用普遍的激光稳频方法。

PDH稳频技术属于主动稳频技术，利用其对光纤激光器进行频率稳定时，多采用单反馈回路，以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率，根据获取的误差信号反馈至激光器进行频率锁定。激光器的调谐响应往往较慢，限制着频率稳定的效果。在专利CN106159667B中，提出一种双干涉仪的激光稳频系统，利用两台不同时延光纤干涉仪作为激光频率的参考，以及单反馈回路完成光纤激光器的稳频，此方案光纤光路结构复杂，单反馈回路受光源调谐响应的限制。

本发明提供了一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案。其设计思想是：基于正交解调技术及PDH技术，以两个反馈控制回路，分别对参考腔的低频变化和高频变化做出响应，通过慢速PID控制光纤激光器，快速PID控制声光调制器，实现更高稳定性的光纤激光输出。装置的特征包含快慢速PID反馈控制模块以及误差信号的正交解调模块，克服光纤激光器调频响应以及调频带宽的限制。此方案实现的成本较低，集成度较高，可实现光纤激光器输出波长与参考谐振腔之间的稳定跟踪。

发明内容

本发明的目的是为了实现高稳定性的光纤激光输出提供一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统。

本发明的目的是这样实现的：包括超窄线宽光源与调制模块1、基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2、正交解调模块3、反馈控制模块4，超窄线宽光源与调制模块1的调制光输出与后端的保偏光纤环形器001直接连接；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2通过保偏光纤201与保偏光纤环形器001连接；光电探测器003通过保偏光纤002与保偏光纤环形器001连接；正交解调模块3直接接收来自信号发生器004的正弦信号以及通过相位延时器005的-90°相移之后的余弦信号，与此同时，接收来自光电探测器003的信号进行解调，解调后信号送入反馈控制模块4；压控振荡器006接受来自反馈控制模块4中高频反馈电压信号，对超窄线宽光源与调制模块1提供高频振荡信号。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.超窄线宽光源与调制模块1包括依次通过保偏光纤连接的超窄线宽光纤激光器101、保偏光纤隔离器103、声光调制器105、相位调制器107，声光调制器105对入射激光进行强度调制；相位调制器107对入射激光进行相位调制。

2.基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2包括保偏光纤201与基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202是由保偏光纤刻写，其对外界环境有相应的响应，产生红移或者蓝移。

3.所述正交解调模块3包括两个乘法器301、302、两个低通滤波器303、304、A/D305；由平衡光电探测器003转换后，光信号转换为电信号，信号P_in满足下式：