正交解调数字Pound-Drever-Hall稳频技术研究

发布时间：2020-10-19 17:45

　　 激光以其高亮度、单色性好、相干性好的显著特性,在精密计量、引力波探测和信息科学等领域有着广泛的应用。如果利用激光实现光学原子钟,便可使时间和长度标准达到更高精度,然而激光频率的稳定性直接决定了光学原子钟的精度,因此激光稳频技术的研究具有相当重要的意义。Pound-Drever-Hall(PDH)稳频方法具有稳定性高和伺服响应快的优点,容易获得窄线宽激光输出,成为目前普遍采用的一种稳频方法。本文设计了一种正交解调数字PDH稳频方案,与传统PDH稳频系统相比,该方案避免使用移相器,并且电子噪声更低,有利于提高激光频率稳定度。本论文主要研究内容如下:第一,在分析传统PDH稳频系统组成及工作原理的基础上,设计了正交解调数字PDH稳频方案,并进行了可行性分析。第二,设计了数字正交解调的硬件电路,主要包括放大电路,选频电路和基于FPGA的数据处理模块。利用Matlab软件对硬件模块的功能和参数进行仿真,在QuartusⅡ软件上仿真验证了源代码设计、逻辑功能、引脚配置和布局布线,并利用Modelsim软件验证了设计模块时序和波形的正确性。第三,建立了单频全固态激光器正交解调数字PDH稳频实验系统,并开展了激光鉴频实验研究。利用Signal Tap Ⅱ软件对硬件设计进行了板级的实验验证,在保证激光器以单纵模输出的前提下进行激光相位调制,通过光电探测器探测频率漂移的误差信号,经放大电路、选频电路进行预处理,再由高速ADC进行采集,在FPGA中进行正交解调处理,借助Matlab软件计算获得误差信号的鉴频线。实验结果表明:该系统检测到激光频率的最大偏移量为10.444MHz,鉴频灵敏度可达100.43mV/MHz。分析了实验系统的误差来源,主要包括剩余幅度调制、模式匹配等光路噪声以及DDS频谱、ADC转化等硬件噪声。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：

d 因此式（2.5）中只有余弦项存在，cos( t )项反应了 F-P 腔号为：* *12 Re[ ( ) ( ) ( ) ( ) cos( )c s P P F F F F t 足够大（ ），可以认为两个边带被腔完全反射，则有 F* * ( ) F ( ) F ( ) i Im[ F( )]为纯虚数，因此式（2 t )项反应了 F-P 腔的色散特性。此时的误差信号为：* *22 Im[ ( ) ( ) ( ) ( )]sin( )c s P P F F F F t 分别对式（2.8）和式（2.7）进行仿真，得到归一化的 PDH线和吸收特性特性曲线如图 2-3 所示，当激光的中心频率等于曲线比吸收曲线的斜率大，则灵敏度越高，能够探测到频率的曲线的控制范围比吸收曲线宽，失锁的可能性就越小。故选用频系统的鉴频曲线，因此在PDH稳频系统中选择的调制频率较

c sA P P 频率处，误差信号与频率频率偏离量成正比，令8c sdP PK 21 0( ) J P分别是载波与一阶边带功率，由式（2的功率，调制度和 F-P 腔的线宽有关。线宽越小知，当 F-P 腔的自由光谱范围一定时，参考腔的量光学谐振腔损耗大小的物理量，所以，为了提率和低损耗的反射镜作为 F-P 标准具的光学谐振（F-P）标准具的原理与技术参数多光束干涉原理核心装置是 F-P 腔（F-P 标准具），它的原理示意

2 正交解调数字 PDH 稳频系统方案设计P 标准具由两片相隔固定距离的高反镜组成的光学器件，其制论【41】。当 F-P 标准具的腔长远远大于入射光的波长时，由多进行描述得到透射光在场上任意一点的光强是：22141 sin(1 ) 2t iI IRR 光的光强， R 为反射率， 为相邻两光束的相位差。依据式（不同反射系数下，F-P 标准具的透射光强与相邻两光束的相位多光束干涉透射光曲线，见图 2-5。
【参考文献】

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本文编号：2847518