基于LabwindowsCVI的外腔半導(dǎo)體激光器數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計

劉丹丹，吳長江，阮軍，劉杰，張首剛

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；

2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；

3. 中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600）

基于LabwindowsCVI的外腔半導(dǎo)體激光器數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計

劉丹丹1,2,3，吳長江1,2,3，阮軍1,2,3，劉杰1,3，張首剛1,3

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；

2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；

3. 中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600）

為抑制外腔半導(dǎo)體激光器頻率漂移，提高頻率穩(wěn)定性，提出一種數(shù)字穩(wěn)頻方法。該方法采用數(shù)據(jù)采集卡，基于LabwindowsCVI語言實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大模塊獲得穩(wěn)頻誤差信號，通過此信號控制壓電陶瓷電壓，將852 nm外腔半導(dǎo)體激光器的頻率鎖在銫原子譜線上，實現(xiàn)20 s頻率穩(wěn)定度8.7×10-11。該數(shù)字穩(wěn)頻方法降低了人力成本，易升級和修改，具有移植性好和用戶界面友好等優(yōu)點。

外腔半導(dǎo)體激光器；數(shù)字穩(wěn)頻；數(shù)據(jù)采集卡；壓電陶瓷

可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器被廣泛應(yīng)用在原子波譜學(xué)、光通信、量子頻標(biāo)等領(lǐng)域[1]。這些應(yīng)用對激光頻率的穩(wěn)定性要求很高，通常要求輸出激光的中心頻率鎖定在某個穩(wěn)定度很高的參考頻率上，例如特定原子、分子的吸收譜線或高精細(xì)度法布里—珀羅腔共振頻率，用以提高激光頻率的穩(wěn)定度[2-3]。傳統(tǒng)上，激光器頻率鎖定由模擬穩(wěn)頻系統(tǒng)完成。但是，模擬系統(tǒng)比較復(fù)雜，電路元件固化，參數(shù)修改不方便，且調(diào)試周期較長，不利于維護(hù)和更新，而且需要手動調(diào)節(jié)，增加了人力成本。

隨著計算機的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)變得越來越便利，在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。相對于模擬系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)靈活方便，性價比高。本文基于數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合虛擬儀器的強大功能，采用全數(shù)字的穩(wěn)頻方法，以銫原子D2吸收譜線的中心頻率為參考頻率，搜索銫原子D2線的6個飽和吸收峰，通過調(diào)制注入電流來實現(xiàn)對激光器頻率的調(diào)制，由鎖相放大技術(shù)獲得吸收譜線的鑒頻曲線，然后經(jīng)過反饋環(huán)路可將激光器鎖定在銫原子D2線的任一飽和吸收峰上，實現(xiàn)頻率的穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)備

該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6040E為NI公司生產(chǎn)的一款基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。有16個單端或8個差分模擬輸入通道，12位分辨率，最大采樣速率為500 kS/s（單通道）和250 kS/s（多通道）；另外有2個模擬輸出通道，最高更新速率為1 MS/s。實驗中僅用到2路輸出通道和1路模擬輸入通道。

實驗所用激光器為自制的852 nm外腔半導(dǎo)體激光器（ECDL）[4]，自由運轉(zhuǎn)時頻率漂移15 MHz/h，遠(yuǎn)小于一般商用的外腔半導(dǎo)體激光器的頻率漂移250 MHz/h。

計算機通過連接線68-68EP連接采集卡和SCB68端子板，SCB68端子板用于和外部設(shè)備相連接。采集卡的2個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出通道分別用于調(diào)制ECDL的壓電陶瓷（PZT）電壓和電流，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入通道讀取探測器的光電信號，再經(jīng)過計算機內(nèi)的鎖頻模塊反饋給激光器，從而穩(wěn)定ECDL的頻率。圖1是系統(tǒng)原理示意圖。系統(tǒng)中鎖頻模塊為軟件所編寫，將在以下章節(jié)中作具體介紹。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1 虛擬儀器介紹

虛擬儀器（virtual instrument，VI）是用計算機加上特定的硬設(shè)備，再加上為實現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的既有普通儀器的功能，又具有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器[5]。與傳統(tǒng)的測量儀器的設(shè)計方法相比，它具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，可以很方便地組建測試系統(tǒng)，滿足多種測量要求[6]。

LabwindowsCVI是32位面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，可在多操作系統(tǒng)下運行。它以C語言為核心，將C語言與測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示，并提供大量的高級分析庫函數(shù)，為熟悉C語言的工程師提供便利。另外，就該平臺而言，程序調(diào)試靈活，可通過設(shè)置斷點、單步運行等方式對源代碼進(jìn)行調(diào)試[7]。

1.2.2 軟件功能

軟件整體思想為通過加調(diào)制的方法改變半導(dǎo)體激光器的外腔長度和工作電流，使其輸出激光的頻率受到相應(yīng)的調(diào)制，從而對應(yīng)的原子吸收光譜輸出有相應(yīng)的強度變化，然后對光譜強度變化進(jìn)行一定的處理，得到激光頻率偏移參考中心頻率的信息，再根據(jù)此信息由穩(wěn)頻系統(tǒng)向半導(dǎo)體激光器反饋相應(yīng)的控制參量，用以將輸出光頻率控制在參考中心頻率處[8]。軟件主要由鎖相放大器、PI（proportional-integral）處理和鎖頻模塊組成[9]。

1）鎖相放大器

鎖相放大器是實現(xiàn)激光器穩(wěn)頻的重要部分，在模擬電路中通常需要較復(fù)雜的元件來實現(xiàn)，在此數(shù)字鎖相放大器的算法全部由軟件來完成，如圖2所示。為了將頻率鎖定在銫原子D2線的飽和吸收峰上，需要調(diào)制激光頻率。首先由計算機輸出兩路信號，一路作為調(diào)制信號直接輸出給外腔半導(dǎo)體激光器用于調(diào)制電流，并在這一路的輸出端接一個RC濾波，可有效地去除噪聲、平滑波形。該調(diào)制信號為連續(xù)輸出（可連續(xù)調(diào)相），幅度為0.6 V，頻率為1 kHz，更新率為100 kS/s。另外一路作為鎖相放大器的參考信號。

圖2 鎖相放大器模塊

同時數(shù)據(jù)采集卡從探測器中讀取連續(xù)的光電信號數(shù)據(jù)，采樣率為100 kS/s，采樣點數(shù)為10 000個，并存儲在臨時緩存區(qū)中。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪J(rèn)方式為DMA（direct memory access）通道傳輸。為使采樣任務(wù)和輸出任務(wù)同步，將輸出任務(wù)的開始觸發(fā)（StartTrigger）作為采樣任務(wù)的數(shù)字觸發(fā)。

參考信號相移180°后與放大后的光電信號進(jìn)行相乘，參考信號幅度比調(diào)制正弦信號幅度偏小。相乘后的信號帶有一定的旁瓣，而窗函數(shù)有截斷和平滑的作用，窗函數(shù)選擇得好，可以在相同階次的情況下提高濾波器的性能，或是在滿足設(shè)計要求的情況下，減少濾波器階數(shù)，綜合考慮后選擇漢寧窗對信號進(jìn)行處理。經(jīng)過加窗后的信號再經(jīng)過低通濾波（butterworth 4階，截止頻率為100 Hz）形成一次微分信號。這些信號處理函數(shù)可以由直接調(diào)用LabwindowsCVI里的自帶函數(shù)而獲得。一次微分曲線易受到多普勒輪廓背景光譜成分的影響，在此我們通過消除多普勒背景的飽和吸收譜線來獲得一次微分信號。

2）PI處理

傳統(tǒng)的PID算法即比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）控制，是自動控制理論中最普遍采用的控制方法，其作用是通過P，I，D形成控制量作用于被控對象，提高系統(tǒng)的無差度，減小偏差。PID控制理論目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，其數(shù)學(xué)模型可用下式表示：

式（1）中，Kp，KI，KD分別代表P，I，D的控制系數(shù)，e代表誤差信號。在此D（微分）的作用不大，一次微分信號經(jīng)過比例積分可直接用于鎖頻，PID簡化為PI。

由于鎖相模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是離散的，故PI的算式寫為

3）鎖頻模塊

我們對自制的外腔半導(dǎo)體激光器采用飽和吸收法進(jìn)行頻率穩(wěn)定。具體過程包括5個步驟，流程如圖3所示。這5個步驟是：

1）設(shè)定ECDL的初始參數(shù)，如電流、溫度、PZT電壓值。

2）搜索飽和吸收峰。銫原子D2線（F=4→ F′=3，4，5）共有6個飽和吸收峰，輸出一路頻率為10 Hz的三角波作為PZT電壓掃描信號，并調(diào)節(jié)電流和PZT直流電壓使銫原子的6個飽和吸收峰顯示在當(dāng)前采樣范圍內(nèi)。圖4為通過掃描PZT電壓得到的銫D2線飽和吸收譜。

圖3 鎖頻的流程圖

3）縮小PZT掃描幅度，同時調(diào)節(jié)PZT直流偏壓，使飽和吸收信號縮小到要鎖定的飽和吸收峰的范圍內(nèi)。并加入調(diào)制信號，運行鎖相放大器模塊。實驗中采樣的光電信號經(jīng)過相鄰5點平均可得到比較平滑的飽和吸收譜線。圖5（a）為消除多普勒背景的銫原子D2線飽和吸收峰的最高峰，圖5（b）為最高峰對應(yīng)的一次微分信號。以此峰頂?shù)念l率點作為激光穩(wěn)頻的參考頻率點，判斷激光頻率點在被參考的飽和吸收峰上的相對位置（峰左、峰頂、峰右），向激光器發(fā)出相應(yīng)的PZT電壓控制信號，對激光器的輸出頻率作出調(diào)整，使其穩(wěn)定在峰值上。從圖5中可看出在飽和吸收峰的頂部，中心點對應(yīng)于一次微分信號曲線的0值點，其左邊為正，右邊為負(fù)，正好符合利用飽和吸收譜線進(jìn)行穩(wěn)頻的設(shè)定。

圖4 銫原子D2線的飽和吸收譜線

4）逐步減小三角波電壓幅度至0，并打開鎖頻開關(guān)，將一次微分信號經(jīng)過PID運算加到PZT電壓上，實現(xiàn)閉環(huán)鎖定。

5）周期性地檢查讀取到的光電信號，如果該信號幅度低于參考頻率幅度，說明激光器失鎖，返回1）重新開始。

圖5 飽和吸收譜的最高峰及其一次微分信號

圖6為兩臺激光器經(jīng)過拍頻測得的激光器鎖頻前后比對結(jié)果。一臺激光器通過電路鎖定，另一臺通過該數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)鎖定。從圖6中可以看到0～175 s期間激光器處于自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的頻率起伏，大約為7.8 MHz；從175 s開始對激光器進(jìn)行鎖定，頻率起伏在±415 kHz之內(nèi)，較相同時間內(nèi)激光器自由運轉(zhuǎn)時的頻率起伏7.8 MHz，頻率穩(wěn)定性大幅提高，相應(yīng)的激光20 s頻率穩(wěn)定度為8.7×10-11，秒級頻率穩(wěn)定度達(dá)到2.6×10-10。

圖6 激光器鎖定前后比對結(jié)果

2 結(jié)論

通過數(shù)字穩(wěn)頻方法，外腔半導(dǎo)體激光器可以持續(xù)鎖定一周以上，降低了人力成本，操作簡單方便，參數(shù)容易修改，系統(tǒng)易于維護(hù)，可較輕松地移植升級到其他平臺上，為實現(xiàn)多臺激光器的鎖定以及F-P腔（法布里—珀羅腔）鎖定等功能提供基礎(chǔ)。激光器鎖定后的頻率穩(wěn)定度受限于反饋回路的響應(yīng)時間，如果提高采樣率和調(diào)制波的頻率可以加快反饋回路的響應(yīng)時間和抑制高頻信號的噪聲。在后續(xù)試驗中，可更換其他合適的板卡來提高采樣率和生成頻率更高的調(diào)制波以實現(xiàn)更高的頻率穩(wěn)定度。

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Automatic Locking System of Extended Cavity Diode Laser Based on LabwindowsCVI

LIU Dan-dan1,2,3, WU Chang-jiang1,2,3, RUAN Jun1,2,3, LIU Jie1,3, ZHANG Shou-gang1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;
3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to reduce the drift of frequency of the external cavity diode laser (ECDL) and improve the frequency stability of ECDL, a digital frequency stabilization method is presented in this paper. Based on the programming language LabwindowsCVI, the data acquisition card was employed to design a digital lock-in amplifier so that the frequency stabilization error signal can be obtained. Through controlling piezoelectric transducer (PZT) voltage by this error signal, the frequency of the ECDL can be locked to the Cs saturated absorption spectrum. The experiment results show that the high frequency stability of 8.7×10-11for 20 s integration time is achieved in this system. The method greatly reduces the device cost, meanwhile, it’s convenient to modify and upgrade the system. It also has characters of good transformation and friendly human-machine interface.

ECDL(extended cavity diode laser); digital frequency stabilization; data acquisition card; PZT(piezoelectric transducer)

TN248.4

A

1674-0637(2010)02-0098-05

2010-03-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（200712Z301）；國家自然科學(xué)基金資助項目（10834007）；中國科學(xué)院重要方向資助項目（KJCX2-SW-T12）

劉丹丹，女，碩士，主要從事原子鐘控制方面的研究。