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應(yīng)用于激光器鎖頻的全數(shù)字伺服模塊
穩(wěn)定激光器在科研研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為滿足多樣化需求，頻準(zhǔn)激光基于模擬鎖定方案，已實(shí)現(xiàn)了從原子分子穩(wěn)頻、超穩(wěn)腔穩(wěn)頻，到光梳穩(wěn)頻的頻率鎖定，并提供完整解決方案。為了滿足客戶和產(chǎn)品的需要，開發(fā)了基于全數(shù)字的伺服模塊，采用高性能調(diào)制鎖定技術(shù)，可將激光頻率精準(zhǔn)鎖定至參考腔或原子躍遷。
數(shù)字伺服模塊的主要特點(diǎn)
- 基于FPGA的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)
- 完善的鎖頻功能：調(diào)制、解調(diào)、掃頻、鎖定
- 具備慢速和快速反饋通道，支持各種鎖定需求
- 結(jié)構(gòu)緊湊，體積大幅縮小
- 低噪聲，低延時(shí)設(shè)計(jì)，鎖定指標(biāo)與模擬方案接近
- 自動(dòng)鎖定/自動(dòng)回鎖
數(shù)字伺服模塊的外觀和界面
數(shù)字伺服模塊內(nèi)部只由1塊PCB電路板組成，電路尺寸經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，大小只有13.5cm X 10cm，安裝后外觀如圖1。
圖1 數(shù)字伺服模塊外觀
控制上，軟件設(shè)計(jì)了快慢速兩個(gè)反饋通道，每個(gè)通道均設(shè)置了2級(jí)PID控制單元，可以根據(jù)實(shí)際需要，只使用快速或者慢速通道，或者同時(shí)使用。上位機(jī)控制界面如圖2所示。
圖2 數(shù)字伺服上位機(jī)控制界面
數(shù)字伺服模塊的主要指標(biāo)
伺服模塊支持調(diào)制轉(zhuǎn)移（MTS）、PDH等穩(wěn)頻方式，主要指標(biāo)如表1所示。
表1 主要性能指標(biāo)
數(shù)字伺服模塊參考用例
使用數(shù)字伺服模塊，進(jìn)行了PDH穩(wěn)頻測(cè)試，并與模擬伺服進(jìn)行了對(duì)比。
鎖定帶寬
對(duì)同一臺(tái)PDH激光器系統(tǒng)，使用伺服鎖定后，使用頻譜儀觀察誤差信號(hào)。
圖3.a 數(shù)字伺服鎖定帶寬
圖3.b 模擬伺服鎖定帶寬
如圖3所示，相對(duì)于數(shù)字伺服，模擬伺服沒有數(shù)字處理的延時(shí)，在鎖定帶寬上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但數(shù)字伺服的鎖定帶寬也達(dá)到了1MHz，能滿足激光器鎖頻需求。
鎖定效果
將兩臺(tái)激光器通過PDH鎖定后，將輸出激光進(jìn)行拍頻測(cè)試，從而判斷鎖頻性能，并對(duì)其中一臺(tái)替換為使用數(shù)字伺服進(jìn)行鎖定，進(jìn)行對(duì)比。
圖4 Allan偏差對(duì)比
如圖4所示，為對(duì)頻率計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)結(jié)果的Allan偏差計(jì)算對(duì)比，無論是在1s處，還是長(zhǎng)穩(wěn)，數(shù)字伺服鎖定后的頻率穩(wěn)定性均接近模擬伺服。
同時(shí)，還對(duì)拍頻信號(hào)的線寬進(jìn)行了測(cè)試，如圖5所示，線寬不超過1Hz，證明數(shù)字伺服能達(dá)到很好的頻率穩(wěn)定性。
圖5 數(shù)字伺服鎖定后拍頻信號(hào)線寬
使用伺服完成MTS鎖頻展示
關(guān)于頻準(zhǔn)
上海頻準(zhǔn)激光科技股份有限公司成立于2017年，是國家高新技術(shù)企業(yè)和國家級(jí)專精特新小巨人企業(yè)。于上海市嘉定區(qū)徐行鎮(zhèn)張江科技示范園，現(xiàn)有員工四百多人，其中博士十余名，高級(jí)工程師多名。頻準(zhǔn)激光致力于高端單頻光纖激光器的研發(fā)與生產(chǎn)，為國家重大項(xiàng)目提供了國際一流的激光技術(shù)和產(chǎn)品。
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