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LD相对于铯原子超精细跃迁线的偏频锁定

中国激光 1999年第3期26卷 248-252页

作者：王军民张天才谢常德山西大学光电研究所

对于单纵模半导体激光器（ＬＤ），应用往返两次通过一个声光频移系统的方法，结合铯原子饱和吸收稳频技术，实现了激光频率相对于铯原子Ｄ２线６２Ｓ１／２（Ｆ＝４）→６２Ｐ３／２（Ｆ′＝５）超精细跃迁的偏频锁定。其特点是可通过... 详细信息

对于单纵模半导体激光器（ＬＤ），应用往返两次通过一个声光频移系统的方法，结合铯原子饱和吸收稳频技术，实现了激光频率相对于铯原子Ｄ２线６２Ｓ１／２（Ｆ＝４）→６２Ｐ３／２（Ｆ′＝５）超精细跃迁的偏频锁定。其特点是可通过调谐声光频移系统的工作频率方便地改变偏频量。

关键词：偏频锁定半导体激光器铯原子超精细跃迁

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可调谐激光器激光波长宽范围自动偏频锁定

光学精密工程 2021年第2期29卷 211-219页

作者：谢建东严利平陈本永杨伟雷浙江理工大学机械与自动控制学院浙江杭州310018

针对激光多波长干涉绝对测距中构建多级合成波长的需求,提出了一种锁至飞秒光频梳的可调谐激光器(External CavityDiode Laser,ECDL)输出激光波长的宽范围自动偏频锁定方法。首先,设计了光栅+双凸透镜梳齿滤波的拍频信号探测单元,实现... 详细信息

针对激光多波长干涉绝对测距中构建多级合成波长的需求,提出了一种锁至飞秒光频梳的可调谐激光器(External CavityDiode Laser,ECDL)输出激光波长的宽范围自动偏频锁定方法。首先,设计了光栅+双凸透镜梳齿滤波的拍频信号探测单元,实现了宽范围ECDL激光波长与目标梳齿的拍频探测。接着,采用锁相放大原理对拍频信号进行鉴频鉴相,具备捕获带宽大、鉴相范围宽和鉴相精度高的优点。然后,利用多重闭环控制实现了ECDL输出激光波长宽范围的自动调节及偏频锁定。实验结果表明,本方法实现了10 nm波长范围内ECDL至光频梳的自动锁定,拍频信号信噪比的平均值约为35.9 dB;在4h内,ECDL激光频率的标准差为1.49 kHz,1s平均时间的相对阿伦方差为4.76×10^(-12),满足精密干涉测量中宽范围波长调节和高精度稳频的要求。

关键词：可调谐激光器激光稳频偏频锁定拍频探测飞秒光频梳鉴频鉴相器

偏频锁定式热稳频激光器偏频信号检测及数字控制器研究

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偏频锁定式热稳频激光器偏频信号检测及数字控制器研究

作者：杨睿韬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为激光干涉测量的长度标尺和溯源基准,激光波长(频率)的准确度决定了干涉测量系统所能达到的最高相对测量准确度,因此激光稳频技术研究一直是精密和超精密激光干涉测量领域关注的热点问题之一。特别是近年来,在微机电系统制造、微电... 详细信息

作为激光干涉测量的长度标尺和溯源基准,激光波长(频率)的准确度决定了干涉测量系统所能达到的最高相对测量准确度,因此激光稳频技术研究一直是精密和超精密激光干涉测量领域关注的热点问题之一。特别是近年来,在微机电系统制造、微电子装备等超精密加工业迅猛发展的推动作用下,下一代激光干涉测量技术研究与系统集成将不断地向大量程、超精密方向迈进,其相对测量准确度将高达100,对光源的频率准确度需求相应地提高到100,使激光稳频技术研究进入一个新的发展阶段。偏频锁定式激光热稳频方法是近年来提出的一种激光热稳频新概念,它有机融合了碘分子吸收谱的超高光频精度优势,是有可能为下一代超精密激光干涉测量系统提供超高精度的激光热稳频技术。本文在深入分析偏频锁定式激光热稳频原理的基础上,针对其稳频系统中偏频信号存在较大频率调制、被控对象热惯性大难以控制、控制算法调试工作繁琐等影响激光频率稳定度的问题,设计并实现了偏频锁定式激光热稳频系统的偏频信号检测单元、数字热稳频控制器及相应的稳频控制算法。本文主要研究内容如下:1.分析偏频锁定式激光热稳频系统的工作原理并建立了初步的稳频误差模型,指出尽管理论上偏频锁定式热稳频激光器的频率稳定性有可能得到极大的改善,但实际系统中偏频值检测误差、偏频值锁定控制误差等因素制约了激光频率稳定度的进一步提高;2.针对碘稳频激光与待稳频激光之间的拍频信号幅值小、频率范围大、高频噪声大等问题,设计并实现了拍频信号高增益、大带宽检测与调理电路,实现了对拍频信号的高精度提取与有效放大,并采用分频器降频法将其转变为易处理的中低频信号;3.针对碘稳频激光器输出光的频率调制带来的两激光器拍频信号中存在多种边带干扰频率成分、偏频值检测误差较大等问题,提出基于多调制周期同步数字测频技术的边带频率抑制和偏频值检测方法,设计并实现了相应的高精度数字测频模块,在有效抑制调制信号边带频率的基础上完成了对偏频值的精确采集;4.设计了高精度数字稳频控制器,并在其中移植了μC/OS实时操作系统,集成适合于稳频系统调试的多任务实时控制器,该控制器可实现高精度采集激光管温度、有效识别激光器工作状态、输出高精度控制量并实现控制量的功率放大、为算法调试提供人机接口等;5.分析偏频锁定式热稳频激光器的各单元特性并建立热稳频控制系统模型,并针对稳频控制对象的大热惯性、纯滞后特点,利用阶跃辨识法获取稳频控制模型的比例增益、热惯性、时间延迟等相关参数,设计并实现了基于Smith-PI的热稳频控制算法。整合上述偏频信号检测单元、数字稳频控制单元和稳频控制算法,搭建了偏频锁定式激光热稳频系统并进行了初步的热稳频实验。实验结果表明,在经过30min的预热时间后偏频值可以被有效锁定,偏频锁定误差小于±500k Hz,热稳频激光器的相对频率准确度优于1×10。

关键词：偏频锁定激光热稳频频率稳定度偏频检测数字控制器

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偏频锁定式热稳频激光器水冷散热技术研究

偏频锁定式热稳频激光器水冷散热技术研究

作者：冯杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,超精密加工技术的也在快速发展,并且促进了超精密测量技术向更高要求的方向延伸。在实现超精密测量技术的多种方法中,激光干涉测量技术是目前超精密位移测量与精确定位的重要技术手段。作为双频激光干涉仪的核心部件... 详细信息

随着科学技术的发展,超精密加工技术的也在快速发展,并且促进了超精密测量技术向更高要求的方向延伸。在实现超精密测量技术的多种方法中,激光干涉测量技术是目前超精密位移测量与精确定位的重要技术手段。作为双频激光干涉仪的核心部件,稳频激光器为整个激光干涉测量系统提供了波长基准,其波长稳定度将直接影响激光干涉测量系统的精度。传统的自发散热型热稳频激光器在影响激光器稳频精度的同时还会形成对测量环境的热污染,进而严重影响激光干涉仪系统的测量和定位精度,目前已成为下一代激光管干涉仪中亟待解决的问题。本文分析了传统自发散热型偏频锁定稳频激光器的散热特性及其对整体干涉测量系统测量精度的影响,并采用基于水冷散热主动散热稳频技术,设计了几种水冷散热结构并通过仿真来比较分析其水冷散热特性,进而优化水冷散热结构并对其应用在偏频锁定热稳频激光器中的效果进行实验验证。本文主要研究内容如下:在比较传统自发散热型偏频锁定激光器散热情况的基础上,结合水冷散热技术,对基于水冷技术的偏频锁定式热稳频激光器进行了可行性研究,并提出水冷散热系统总体技术方案。水冷散热系统主要包括恒温水槽,流量控制电路,水泵,温度传感器和水冷散热结构。恒温水槽有独立的温度控制系统,提供恒定水温的冷却水。水泵和流量控制电路配合,可以调节和精确保持冷却水的流量。温度传感器则准确测量进出水冷散热结构的水温,用于监控散热系统。最终确保水冷散热系统可以给激光管提供一个稳定的热环境。水冷散热结构是水冷散热系统中的核心部件,该结构的散热性能和温度场均匀性将直接决定激光管周围热环境的稳定性,进而直接影响激光管输出光频率稳定度。为此本文设计了多种水冷结构的模型,通过仿真分析,选择散热效果和温度场均匀性最好的结构用来进行实验。进一步分析不同流速对散热效果和温度场均匀性的影响,并选择最优流速。研究了基于水冷散热的偏频锁定热稳频控制系统。在分析原有传统偏频锁定热稳频激光器控制方法基础上,综合考虑水冷散热系统引入的影响,将在水冷环境下工作的激光管作为被控对象,缠绕在激光管表面的加热膜作为执行器,针对以上系统提出新的稳频控制方案,以提高水冷偏频锁定激光器输出光频率稳定度。设计了水冷偏频锁定热稳频激光器光机电一体化结构。通过对水冷偏频锁定激光器各组成部分合理布局,设计了相对应的机械结构。实现了He-Ne激光管,水冷散热结构,拍频信号检测电路,偏频锁定控制电路的高度集成。使整体激光器结构紧凑,便于调整,进而确保水冷偏频锁定稳频激光器输出光频率稳定度。最终本课题设计的基于水冷散热的偏频锁定热稳频激光器输出光的频率稳定度优于104.2 10???/12h

关键词：激光稳频水冷散热偏频锁定频率稳定度

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激光脉冲偏频锁定技术的发展

激光技术 2002年第4期26卷 255-257,261页

作者：王骐陆威高明尚铁梁哈尔滨工业大学光电子技术研究所哈尔滨150001

综述了偏频锁定技术的意义、应用及其在国内外的发展状况。

关键词：脉冲激光外差频率控制偏频锁定发展现状

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CO_2脉冲激光偏频锁定系统

中国激光 2001年第9期28卷 772-774页

作者：陆威高明王春晖尚铁粱王骐哈尔滨工业大学光电子技术实验室哈尔滨150001

综述了目前脉冲激光偏频锁定的发展状况 ,总结了各种脉冲激光偏频锁定的方法 ,并提出了宽带全数字鉴频方法 ,带宽达到 2～ 10 0MHz,以及以鉴频器为基础的简单偏频锁定系统设计。介绍了电光外调制CO2 脉冲激光与连续CO2 激光之间的偏频... 详细信息

综述了目前脉冲激光偏频锁定的发展状况 ,总结了各种脉冲激光偏频锁定的方法 ,并提出了宽带全数字鉴频方法 ,带宽达到 2～ 10 0MHz,以及以鉴频器为基础的简单偏频锁定系统设计。介绍了电光外调制CO2 脉冲激光与连续CO2 激光之间的偏频锁定实验 ,光脉冲重复频率为 10kHz ,脉宽为 5 μs。实验频率锁定结果良好 ,频率稳定度为 1 2 7× 10 -7(阿仑方差 )。

关键词：脉冲激光偏频锁定二氧化碳

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窄脉冲相干激光雷达偏频锁定系统仿真研究

应用光学 2009年第3期30卷 527-530页

作者：姚睿薛凯李琦王骐哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150001

鉴于偏频锁定技术在激光外差探测和激光雷达等方面的广泛作用,基于可编程逻辑器件,设计了适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统。在设计中,使用超高速电压比较器进行波形变换、多脉冲鉴频和大概率均值滤波进行数字鉴频,采用小步... 详细信息

鉴于偏频锁定技术在激光外差探测和激光雷达等方面的广泛作用,基于可编程逻辑器件,设计了适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统。在设计中,使用超高速电压比较器进行波形变换、多脉冲鉴频和大概率均值滤波进行数字鉴频,采用小步长快速控制方法进行调频,利用数模转换器和线性放大电路输出调频信号。借助信号发生器产生40 ns脉宽的模拟外差信号对系统进行了仿真,实现了设计功能。对系统进行鉴频和调频测试,在40 ns脉宽时鉴频误差范围为-7.5 MH z^+7.7 MH z。

关键词：激光雷达偏频锁定数字鉴频外差探测

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窄脉冲相干激光雷达偏频锁定系统实验研究

红外与激光工程 2008年第S3期37卷 133-136页

作者：姚睿李琦王骐哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150001

偏频锁定技术广泛应用于激光的外差探测、激光雷达等方面,具有重要应用价值。介绍了自行设计的适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统的工作原理,并进行了偏频锁定实验研究,分析了影响本系统鉴频正确性的因素。结果表明对中心频率... 详细信息

偏频锁定技术广泛应用于激光的外差探测、激光雷达等方面,具有重要应用价值。介绍了自行设计的适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统的工作原理,并进行了偏频锁定实验研究,分析了影响本系统鉴频正确性的因素。结果表明对中心频率为80MHz、脉冲宽度约为40ns的外差信号进行的偏频锁定实验,系统很少失锁,锁定精度为±5MHz。

关键词：激光雷达偏频锁定鉴频窄脉冲相干探测

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基于光学锁相环的激光偏频锁定技术研究

基于光学锁相环的激光偏频锁定技术研究

作者：张超超中国计量大学

学位级别：硕士

激光偏频锁定技术由于具有结构简单、锁定精度高、抗干扰能力强等显著特点,在激光稳频、激光通信、冷原子系统等领域的运用非常普遍。光学锁相环（OPLL）是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的激光偏频锁定方法,利用OPL... 详细信息

激光偏频锁定技术由于具有结构简单、锁定精度高、抗干扰能力强等显著特点,在激光稳频、激光通信、冷原子系统等领域的运用非常普遍。光学锁相环（OPLL）是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的激光偏频锁定方法,利用OPLL技术可以实现超高准确度和超高稳定度的激光频率锁定控制。OPLL具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽和锁定准确度高等优势,在原子相干、冷原子系统、相干功率合成以及外差干涉测量等领域都得到了越来越广泛的应用。本文对基于OPLL的激光偏频锁定技术以及有关OPLL的关键技术开展了研究工作,主要包括如下几个方面:（1）理论分析了OPLL的基本结构和工作原理,建立了OPLL系统的小信号模型,以此分析了OPLL的环路带宽、残余相位误差和频率稳定度等关键参数,研究了影响OPLL频率和相位锁定的关键要素。（2）设计了一种结构简单和锁定精度高的OPLL系统,用于将激光器锁定至参考激光器,使其频率稳定度和准确度得到进一步提高。采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,通过高速模拟PID控制器对激光器的电流调制端口进行控制,从而实现快速的环路锁定,减小环路传播延迟。（3）搭建了基于OPLL将激光器偏频锁定至光学频率梳的实验装置,并对ECDL的偏频锁定进行了实验。结果表明,采用频率稳定度为10的外部频率参考时,系统锁定后拍频频率波动在±0.3Hz以内;偏置频率为50MHz时,1s和1000s积分时间的阿伦方差分别为1.5×10和8.5×10,标准差为0.05Hz;系统锁定前拍频线宽约为500k Hz,锁定后被压缩为2k Hz。该研究表明论文所涉偏频锁定系统可以实现亚Hz量级的激光频率控制,从而使ECDL的频率稳定度得到显著提升。

关键词：光学锁相环偏频锁定频率稳定度激光稳频外腔半导体激光器