激光稳频装置、系统及方法与流程

本技术涉及超稳激光的，具体而言，涉及一种激光稳频装置、系统及方法。

背景技术：

1、超稳激光是光原子钟、量子精密测量、引力波探测、长距离光频传递等前沿领域的核心基础光源，其频率稳定度直接决定精密测量系统的极限性能。当前行业主流采用 pdh（pound-drever-hall）稳频技术，将种子激光频率锁定至高精细度窄线宽光学参考腔谐振峰，以此实现激光频率的超稳定约束。

2、pdh 稳频系统的基本工作原理是：种子激光经过相位调制后入射到高精细度光学参考腔，腔前反射光被光电探测器接收并转换为电信号，该电信号经解调后得到反映激光频率与参考腔谐振频率偏差的误差信号，误差信号通过反馈环路控制激光器的频率执行机构（如声光调制器或电光调制器），将激光频率锁定在参考腔的谐振点上。

3、在 pdh 稳频系统中，腔前光电探测器的输出信号需要经过射频放大后送入解调电路。放大增益的设置直接影响系统的鉴频性能：增益较低时，鉴频动态范围较大，能够容忍较大的激光频率漂移，但鉴频分辨率较低；增益较高时，鉴频分辨率提升，但动态范围缩小，激光频率漂移容易超出鉴频线性区间，导致失锁。

4、目前，现有的 pdh 稳频系统大多采用固定增益设计，即在整个工作过程中射频放大增益保持不变。这导致系统虽然能够容忍较大的激光频率漂移，入锁成功率较高，但在锁定状态下鉴频分辨率不足，无法充分发挥高精细度参考腔的稳频潜力，导致激光频率稳定度受限。

5、因此，亟需一种新的激光稳频方案。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中pdh稳频系统入锁成功率与激光频率稳定度无法兼顾的技术问题，本技术实施例提供了一种激光稳频装置、系统及方法。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种激光稳频装置。该装置包括：

3、光电探测单元，用于将腔前反射光信号转换为第一电信号，所述腔前反射光信号反映激光频率与参考腔谐振频率的偏差信息；

4、增益单元，被配置为放大所述第一电信号，得到第二电信号；

5、锁定单元，被配置为基于所述第二电信号将激光频率约束至参考腔谐振频率；

6、控制器，被配置为：

7、在第一增益阶段，控制所述增益单元的增益值为初始增益值，以拓宽鉴频动态范围；

8、响应于满足预设锁定条件，进入第二增益阶段；

9、在所述第二增益阶段，对所述第二电信号进行频谱分析，提取反映有效信号强度的第一特征量和反映本底噪声强度的第二特征量；

10、计算所述第一特征量和所述第二特征量的比值；

11、响应于所述比值与目标比值的差异，逐步调节所述增益值，使所述比值趋近所述目标比值。

12、可选地，所述初始增益值满足：

13、在所述第一增益阶段，使得所述第二电信号的信噪比大于或等于20db。

14、可选地，所述预设锁定条件包括：所述第二电信号的幅值在第一预设时长内的波动小于第一预设阈值。

15、可选地，所述装置还包括检测单元；

16、其中，所述检测单元包括第一检测通道和第二检测通道；

17、第一检测通道被配置为在第一频带对所述第二电信号进行滤波，获取所述第一特征量；

18、第二检测通道被配置为在第二频带对所述第二电信号进行滤波，获取所述第二特征量；

19、其中，第一频带的频率小于第二频带的频率。

20、可选地，所述第一频带为100khz至800khz；并且，所述第二频带为1mhz至2mhz。

21、可选地，所述控制器还被配置为：

22、在所述第二增益阶段，若所述比值与所述目标比值的差值大于第二预设阈值，则按预设步长调节所述增益值；

23、在第一预设时长内，监测所述第二电信号的幅值波动；待所述幅值波动小于第一预设阈值后，重新计算第一特征量和第二特征量的比值；

24、重复计算所述比值与目标比值的差值，并响应于所述差值按预设步长调节所述增益值，直至所述差值小于或等于所述第二预设阈值，则停止增益调节。

25、可选地，所述第二预设阈值大于0并且小于或等于1db。

26、可选地，所述预设步长大于或等于0.1db并且小于或等于1db。

27、可选地，所述目标比值大于或等于1db并且小于或等于20db。

28、可选地，所述第一预设时长大于或等于1s，并且，所述第一预设阈值小于或等于所述第二电信号在所述第一增益阶段的峰值的1/10。

29、可选地，所述第一特征量包括所述第二电信号的增益峰的幅值。

30、可选地，所述第二特征量包括本底噪声的强度。

31、第二方面，本技术还提供一种激光稳频系统，包括种子激光器、声光调制器、电光调制器、腔前耦合光路、参考腔和根据上述任一实施例提供的激光稳频装置；

32、其中，所述种子激光器发出的种子激光依次经过所述声光调制器和所述电光调制器调制后通过所述腔前耦合光路进入所述参考腔，并且经所述参考腔的反射后返回所述腔前耦合光路；

33、所述激光稳频装置的光电探测单元用于将经所述参考腔反射的光信号转换为第一电信号；

34、所述控制器控制所述增益单元和所述锁定单元，通过逐步调节增益值，使反映有效信号强度的第一特征量与反映本底噪声强度的第二特征量的比值趋近目标比值。

35、第三方面，本技术提供一种激光稳频方法，用于根据上述任一实施例提供的激光稳频装置及根据上述任一实施例提供的激光稳频系统，所述方法包括：

36、将腔前反射光信号转换为第一电信号，所述腔前反射光信号反映激光频率与参考腔谐振频率的偏差信息；

37、对所述第一电信号进行增益调节，输出第二电信号；

38、在第一增益阶段，控制所述增益单元的增益值为初始增益值，以拓宽鉴频动态范围；

39、响应于满足预设锁定条件，进入第二增益阶段；

40、在所述第二增益阶段，对所述第二电信号进行频谱分析，提取反映有效信号强度的第一特征量和反映本底噪声强度的第二特征量；

41、计算所述第一特征量和所述第二特征量的比值；

42、响应于所述比值与目标比值的差异，逐步调节所述增益值，使所述比值趋近所述目标比值。

43、可选地，所述预设锁定条件包括：所述第二电信号的幅值在第一预设时长内的波动小于第一预设阈值。

44、可选地，所述方法还包括：

45、在第一频带对所述第二电信号进行滤波，获取所述第一特征量；

46、在第二频带对所述第二电信号进行滤波，获取所述第二特征量；

47、其中，第一频带的频率小于第二频带的频率。

48、可选地，所述第一频带为100khz至800khz；并且，所述第二频带为1mhz至2mhz。

49、可选地，所述方法还包括：

50、在所述第二增益阶段，若所述比值与所述目标比值的差值大于第二预设阈值，则按预设步长调节所述增益值；

51、在第一预设时长内，监测所述第二电信号的幅值波动；待所述幅值波动小于第一预设阈值后，重新计算第一特征量和第二特征量的比值；

52、重复计算所述比值与目标比值的差值，并响应于所述差值按预设步长调节所述增益值，直至所述差值小于或等于所述第二预设阈值，则停止增益调节。

53、本技术实施例提供的上述技术方案，至少取得了以下技术效果：

54、本技术提供的激光稳频装置，通过在第一增益阶段，以初始增益值对第一电信号进行放大，从而拓宽鉴频动态范围，提高入锁成功率；在第二增益阶段，提取反映有效信号强度的第一特征量和反映本底噪声强度的第二特征量，计算第一特征量和第二特征量的比值；响应于该比值与目标比值的差异，逐步调节增益值，使该比值逐步趋近目标比值，借此实现自适应增益调节，确保了稳频精度。通过分段增益，兼顾了入锁成功率和稳频精度。通过频谱分析提取第一特征量和第二特征量，并控制增益值使二者的比值追踪目标比值。无需高速模数转换器和现场可编程门阵列数字频谱分析架构，仅需普通单片机配合模拟检测电路即可完成谱特征量化判定，降低了硬件成本，优化了电路空间利用率，并且提高了系统稳定性，有利于系统的小型化，可移动化和工程化。