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1000 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。

基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路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,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3 Hz范围内,偏置频率为50 MHz时,光学锁相环系统在1 s和1000 s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^(-9)和8.5×10^(-13)。系统锁定后,拍频线宽由500 kHz压缩至2 kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。

拉曼激光光学锁相环参数设计及仿真

光学锁相环(Optical Phase-locked Loop,OPLL)技术是实现激光相位相干的有效方法。鉴于环路滤波器参数直接影响光学锁相环系统的整体性能,提出了一种二阶无源环路滤波器参数的优化方法。首先,根据相角裕度定义及系统开环传递函数的数学模型,推导出环路滤波器参数设计的公式,并设计了一种基于MATLAB的参数优化算法。然后,为精确地设计拉曼激光光学锁相环参数,设计了消多普勒饱和吸收谱实验,并对激光器的压电陶瓷端口反馈增益参数进行测量。在锁相环闭环控制系统性能仿真中,得到了单位阶跃响应的超调量为6.53%,调节时间为0.584μs。最后,对拉曼激光光学锁相环各个模块进行Simulink建模并仿真,仿真结果表明锁相环能够实现对拉曼光相位锁定且锁定时间为2μs,因此,验证了锁相环参数设计方法的正确性。在工程应用中,为光学锁相环的参数设计提供了重要参考价值。

用于原子干涉仪的光学锁相环系统

相干激光的性能对原子干涉仪的测量精度有着重要影响。本文介绍了一种制备相干激光的外差式光学锁相环系统,实现了两台外腔半导体激光器频率和相位的同步,锁相后的激光拍频线宽低于1 Hz,10 MHz积分带宽内的残余相位噪音为0.002 rad2,频偏1~100 kHz范围内的相位噪音达到-100 dBc/Hz。并研究了闭环相位噪音对原子干涉仪的影响,在自由演化时间为200 ms、拉曼π脉冲时间为30μs、单次循环时间为1 s条件下,锁相后相位噪音对重力测量灵敏度的贡献为10μGal/(Hz)^(1/2),完全满足高精度原子干涉仪的使用需求。

基于costas光学锁相环的性能分析

光学锁相环是相干光通信系统的核心组成部分,可以有效地实现本振对信号光的相位跟踪和锁定,从而大大提高系统的接收灵敏度。本文基于二进制相移键控(BPSK)调制的科斯塔斯(costas)光学锁相环原理,通过软件仿真和计算得到了二阶环路下,带宽与自然频率的最佳关系以及维持系统稳定性的最优环路带宽,并在此基础上得到了相干系统各种参数的关系。

光学锁相环的研究进展

光学锁相环(OPLL)根据其锁定的两束激光间是否存在频差可分为零差光学锁相环和外差光学锁相环。主要介绍了外差光学锁相环的研究进展,它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偏频锁定方法。相较于其他激光偏频锁定方法,光学锁相环具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽、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。首先介绍了激光偏频锁定的主要方法及光学锁相环的特点;其次介绍了光学锁相环的基本模型,分析了光学锁相环的误差反馈过程,并按照光学锁相环实现方法的不同详细介绍了其采用的关键技术和研究进展,对近年来光学锁相环在不同领域的应用进展做了简要介绍;最后对该方法的发展路线进行了总结和展望。

基于实时数据采集和识别的平衡光学锁相环研究

文章设计一种基于实时数据采集和识别的光学平衡锁相环,该锁相环使用高速数据采集卡,配合高速数字频率解调处理单元,代替传统锁相环中的滤波器,对相位和频率误差信号进行采集和识别,数据采集卡采集相位和频率误差电压信号,高速数字频率解调处理单元通过控制软件从采集的数据中解调频率,并利用数字PID反馈控制本振激光器。此种信号解调方式降低了系统时域噪声和各次谐波对误差信号的影响。对两个窄线宽光纤激光器的锁定实验表明,环路维持锁定状态超过2 h,激光器频率稳定度达到10^(-11),相比自由运行激光器提高了3个量级,在环路处于稳定锁定状态的396 s内,两激光器拍频频率平均波动小于20 kHz。

基于光学锁相环的三波长大范围快速移频研究

三频比率技术是钠多普勒激光雷达探测大气中层顶区温度和风场的重要技术,实现三频比率技术要求发射的三束589 nm波长激光(f_(+),f_(0),f_(-))频率稳定、频率切换速度快以及两个频率(f_(+),f_(-))相对中心频率(f_(0))偏频锁定630 MHz。为满足上述技术需求,提出一种基于光学锁相环(OPLL)实现三频比率技术的方案。利用OPLL实现偏频锁定,偏频锁定范围为±(200~2500) MHz,最小步进为200 kHz,拍频信号抖动在±50 Hz以内。通过设置移频值和改变误差信号的极性,使从激光器波长不断变化,实现三波长输出。优化PID(proportional,integral,derivative)电路,提高了拍频信号的稳定性,减小了频率切换时间,切频时间小于10 ms。实验结果表明,该OPLL系统可以实现三个频率快速切换锁定,满足三频比率技术需求。

星间相干光通信中的光学锁相环

在相干体制下,二进制相移键控(BPSK)信号调制的零差接收机可实现理论上的最高灵敏度,是星间相干光通信的研究和应用重点。零差接收机要求本振波和信号波严格相位同步,常用的相位同步技术是光学锁相环(OPLL)。阐述了光学锁相环的基本原理,介绍了近20年来光学锁相环的发展,在此基础上总结了各种类型锁相环的性能和适用范围。回顾了欧洲国家在星间相干光通信计划中通信终端使用光学锁相环的情况。最后对光学锁相环技术进行了总结,对该技术的前景进行了展望。

基于科斯塔斯锁相环的光学零差相干接收技术

零差相干光通信能够实现极高的通信速率和接近量子极限的灵敏度,是新一代空间通信领域极具潜力的通信体制。以窄线宽激光器作为本振源,结合90°光学混频技术和科斯塔斯光学锁相环技术,实现了信号光的零差相干接收。试验结果表明,信号光和本振光经过90°光学混频后I、Q两路信号相位差保持90°,科斯塔斯光学锁相环可以长时间实现信号光和本振光之间的相位锁定,接收速率为2Gbps的二进制相移键控(BPSK)信号,试验结果表明,该接收机能够很好地实现基带信号解调。

多级复合环路光学锁相环技术研究

星间相干通信系统其多普勒频移达到了吉赫兹量级,同时受到调谐激光器线宽、相位噪声的影响,对光学锁相环路系统提出了高要求。依据科斯塔斯锁相环技术原理,将温度调谐、压电陶瓷(PZT)调谐、声光移频器(AOFS)调谐复合到一起,通过内环与外环方式对本振激光器进行调控,实现光学锁相功能。搭建实验测试系统对环路性能进行测试,结果表明:此系统可达到锁相范围为4GHz,锁相带宽为1.7 MHz,实现了信号光与本振光之间的多普勒频移跟踪、激光器线宽补偿及相位快速锁定,最终相位残余误差5.1°。

光学锁相环的实现及其在铯原子四波混频过程中的应用

我们利用自制的光学锁相环实现了一台外腔半导体激光器和一台钛宝石激光器的相对频率和相对相位锁定,锁定后两束光的拍频线宽约为1 Hz。同时,该光学锁相环能实现两台激光器从10 MHz至10GHz任意频率差的锁定,通过简单升级射频元件可以实现最高20 GHz频率差的锁定,可应用于激光冷却与俘获原子、光与原子相互作用等研究领域。我们实验证明将该锁相环应用于铯原子蒸汽中的四波混频过程,产生的孪生光束最大强度差压缩由3.8dB提高至6.0dB。

空间激光通信中光学锁相环的研究进展

相干探测技术可以有效提高零差接收机的灵敏度。在空间激光通信系统中,零差接收机要求信号光和本振光的相位严格同步,光学锁相环是其中最常用的相位同步技术。介绍了对光学锁相环的理论模型,推导出相应的传递函数,同时指出了影响光学锁相环性能的主要参数,如环路噪声带宽、自然频率和阻尼比等。详述了各类光学锁相环的基本结构和特性,其中包括:平衡锁相环、Costas锁相环、同步位锁相环、振荡锁相环以及副载波锁相环,并对各类光学锁相环的性能进行了比较。总结了光学锁相环近年来的发展及应用,最后对该技术的前景进行了展望。

外差式光学锁相环路相位噪声分析

在激光通信、量子光学等领域,获得低相位噪声的相干激光是实现高信噪比信号探测的前提,光学锁相环是获得相干光的有效方式,环路的相位噪声水平直接制约着相干光相位噪声水平。为了降低相干激光相位噪声,从光学锁相环环路的基本模型出发,推导了锁相环的传递函数以及环路方程,分析了锁相环路不同频段的相位噪声来源和其对环路噪声的影响,最后通过激光锁相实验对前面的理论分析进行了简单的验证和分析。对低相噪锁相环路设计具有指导意义。

基于光学锁相环的编码合成孔径激光雷达系统设计与实验验证

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。

单段式分布式反馈半导体激光器光学锁相环研究

单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器的频率调制相位响应曲线在0.1~5 MHz之间,且具有180°的相位反转,其作为从激光器的光学锁相环(OPLL)结构难以实现锁相。为解决单段式DFB半导体激光器的锁相问题,在单环反馈回路中加入可调超前移相功能电路和可调增益功能单元,并优化相移参数,实现MHz量级线宽DFB激光器相位的锁定。改进后OPLL在锁相状态下的残余相位噪声为0.012rad2,激光器线宽从2 MHz压窄到10kHz。研究了反馈环路的环路增益对OPLL锁相性能的影响,并给出了最优的环路增益控制参数。

用于原子-光耦合系统的光学锁相环的设计

光学锁相环(OPLL)是电子学锁相环在光学领域的拓展,它是基于光电探测器、鉴相器以及配套的电路,通过反馈回路控制半导体激光器的电流模块和压电陶瓷扫描模块,以达到锁定两束激光的频率和相位的目的。介绍了光学锁相环的结构、鉴频鉴相器(PFD)的工作原理,并基于锁相环路芯片ADF41020设计了一种光学锁相电路,设计锁定两束激光的频率差的范围为4GHz-18GHz。

激光线宽对光学锁相环锁相效果的影响

为了获得利于相干合成的具有高相干性的单元光束,可利用光学锁相环(OPLL)来实现本振激光的相位锁定。推导了锁相后激光复振幅的互相关函数表达式,并以此评价锁相后光束间的相干性。具体计算了参考光线宽、时间常数和本振激光线宽差对互相关函数值的影响。定义与本振激光线宽差相关的评价参数M,以此表征当其他参数一定时本振激光线宽差对锁相后激光相干性的影响。进一步针对本振激光线宽不一致对锁相效果的影响进行详细分析,得到相关参数合理值范围的计算公式。结果表明对于不同的本振激光线宽差范围需要设计不同的OPLL系统时间常数来实现有效锁相。

用于RFOG的光学锁相环仿真研究

谐振式光纤陀螺是实现光纤陀螺小型化发展的重要方向,具有广阔的应用背景和很好的应用前景。而激光器作为谐振式光纤陀螺的关键设备之一,其性能直接影响着谐振式光纤陀螺的精度。为了解决谐振式光学陀螺的背反噪声问题,采用光学锁相环技术对激光器频率进行锁定的方案,通过对光学锁相环进行建模、仿真分析,重点研究了锁相原理及锁相方案,验证了基于电流调制的半导体激光器的光学锁相环可行性。最终验证了光学锁相环的相位锁定效果,实现了两激光器输出频率差值稳定的设计目标。

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上.锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级,同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节.锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态=2,1,观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁.该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.