用于POP銣原子鐘的DFB激光器自動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)研究

魚(yú)志健，薛文祥，趙文宇，李孝峰，陳江，阮軍，杜志靜，張首剛

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；12.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

用于POP銣原子鐘的DFB激光器自動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)研究

魚(yú)志健1，2，3，薛文祥1，2，趙文宇1，2，3，李孝峰1，2，3，陳江1，2，3，阮軍1，2，杜志靜1，2，張首剛1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；12.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)穩(wěn)頻需要有人值守的弊端，基于飽和吸收諧波穩(wěn)頻的原理，設(shè)計(jì)了一套可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布反饋式（distributed feedback，DFB）半導(dǎo)體激光器頻率長(zhǎng)期鎖定的自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)。整套系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)頻軟件程序設(shè)計(jì)，具有體積小和抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)頻，并在失鎖后快速自動(dòng)回鎖。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，連續(xù)穩(wěn)定工作超過(guò)一個(gè)月仍然保持鎖定狀態(tài)，失鎖后能在1 s內(nèi)重新鎖定，鎖定后線寬為5 MHz。作為抽運(yùn)和探測(cè)光源，DFB激光器長(zhǎng)期連續(xù)鎖定的實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)脈沖激光抽運(yùn)（pulsed optically pumped，POP）銣原子鐘在空間應(yīng)用環(huán)境下長(zhǎng)期無(wú)人干預(yù)穩(wěn)定運(yùn)行奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

激光器自動(dòng)穩(wěn)頻；飽和吸收光譜；POP銣原子鐘；DFB激光器

0　引言

半導(dǎo)體激光器作為脈沖光抽運(yùn)（pulsed optically pumped，POP）銣原子鐘的泵浦源，其頻率的穩(wěn)定度直接影響著鐘的中長(zhǎng)期穩(wěn)定度[1-3]。激光器的長(zhǎng)期連續(xù)可靠運(yùn)行是POP銣原子鐘從原理轉(zhuǎn)向?qū)嵱玫年P(guān)鍵，而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器，其頻率受到外界溫度、工作電流、機(jī)械振動(dòng)以及大氣變化等因素的影響，存在波動(dòng)和漂移[3]。

為保證原子鐘長(zhǎng)期可靠地穩(wěn)定運(yùn)行，需要確保激光器頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)要求激光器失鎖后能快速地自動(dòng)回鎖。傳統(tǒng)穩(wěn)頻系統(tǒng)多采用模擬電路，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)其工作參數(shù)，人工判別失鎖狀態(tài)；一旦失鎖，也只能人工調(diào)節(jié)后手動(dòng)鎖定。POP銣原子鐘作為新型星載鐘，在空間應(yīng)用環(huán)境下要求長(zhǎng)期無(wú)人干預(yù)穩(wěn)定運(yùn)行，必須能夠自動(dòng)判別激光器的鎖定狀態(tài)，傳統(tǒng)的手動(dòng)鎖頻系統(tǒng)無(wú)法滿足要求。因此，研究激光器自動(dòng)穩(wěn)頻是保障星載POP銣原子鐘長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

與外腔半導(dǎo)體激光器（external cavity diode laser，ECDL）相比，分布反饋式（distributed feedback，DFB）半導(dǎo)體激光器內(nèi)置了布拉格光柵（Bragg Grating）。因此，DFB激光器對(duì)機(jī)械振動(dòng)不敏感，但線寬相對(duì)較寬[4-5]。在研制POP星載銣原子鐘的原理樣機(jī)階段，我們采用了外腔半導(dǎo)體激光器，而在現(xiàn)階段的小型化過(guò)程中，必須去除用來(lái)隔振的光學(xué)平臺(tái)，采用DFB激光器更為合理。實(shí)驗(yàn)選用德國(guó)Eagleyard Photonics公司生產(chǎn)的EYP-DFB-0795-00080-1500-TOC03-000x型激光器作為POP銣原子鐘的抽運(yùn)光源。該激光器的標(biāo)稱閾值電流為38.8 mA，允許最大驅(qū)動(dòng)電流為170 mA。輸出功率80 mW處的中心波長(zhǎng)為794.6 nm（接近銣原子D1線的波長(zhǎng)），自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)標(biāo)稱線寬為2 MHz，電調(diào)率為1.42 GHz/mA。它抗機(jī)械振動(dòng)能力強(qiáng)，體積小，功耗低，驅(qū)動(dòng)及穩(wěn)頻電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化和工程化。

目前國(guó)內(nèi)外有不少機(jī)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體激光器長(zhǎng)期穩(wěn)頻進(jìn)行研究，國(guó)際上主要有瑞士C.Affolderbach小組和法國(guó)F.Allard小組，國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、北京大學(xué)、山西大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心銫噴泉鐘小組。其中，瑞士C.Affolderbach對(duì)795 nm DFB激光器采用飽和吸收諧波穩(wěn)頻的方法，萬(wàn)秒穩(wěn)定度低于1× 10-10，但并未詳細(xì)介紹穩(wěn)頻系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)[6-7]；法國(guó)F.Allard小組采用飽和吸收穩(wěn)頻方法，由計(jì)算機(jī)、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（digital analog converter，DAC）以及直接數(shù)字綜合器（direct digital synthesizer，DDS）搭建穩(wěn)頻電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ECDL的自動(dòng)穩(wěn)頻，該激光器用于Cs原子噴泉鐘，能確保鐘可靠運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間[8]；中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院以STC89C58單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了ECDL穩(wěn)頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間超過(guò)7 d，自恢復(fù)時(shí)間小于3 s[9-10]；北京大學(xué)以C8051F020作為主控芯片，利用飽和吸收穩(wěn)頻方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)DFB激光器的長(zhǎng)期自動(dòng)穩(wěn)頻，根據(jù)最新報(bào)道結(jié)果，已連續(xù)鎖定超過(guò)180 d，失鎖后能在10 s內(nèi)重新鎖定[11-13]。山西大學(xué)用LabView借助數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)發(fā)了通用性強(qiáng)的自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)，超過(guò)100 min的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，頻率波動(dòng)小于5.7 MHz[14]。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心銫噴泉鐘小組借助LabWindows CVI和數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ECDL的長(zhǎng)期自動(dòng)穩(wěn)頻，20 s頻率穩(wěn)定度為8.7× 10-11，失鎖后能在1 s內(nèi)重新鎖定[15]。

POP銣原子鐘對(duì)抽運(yùn)光源的線寬要求不是很高（MHz量級(jí)）[6]；但作為新型星載鐘，對(duì)其頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有很高要求。故要求穩(wěn)頻系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控穩(wěn)頻狀態(tài)，自動(dòng)穩(wěn)頻和回鎖，且能夠與原子鐘頻率閉環(huán)鎖定伺服控制單元通訊，一旦激光器失鎖則斷開(kāi)原子鐘頻率伺服控制閉合環(huán)路。據(jù)此，我們利用飽和吸收光譜諧波穩(wěn)頻的方法，以STM32F103ZE微控制器為核心設(shè)計(jì)了穩(wěn)頻電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)后自動(dòng)鎖頻，實(shí)時(shí)監(jiān)控鎖頻狀態(tài)，失鎖后快速自動(dòng)回鎖的功能，同時(shí)輔以按鍵，旋鈕，TFT液晶顯示屏等外圍設(shè)備，界面友好方便操作。所設(shè)計(jì)的穩(wěn)頻系統(tǒng)達(dá)到了長(zhǎng)期鎖定激光器頻率的目的，各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足了我們的實(shí)驗(yàn)需求。

1　自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)整體介紹

根據(jù)課題要求，我們選用795 nm的DFB激光器作為抽運(yùn)光源，采用典型的飽和吸收光譜穩(wěn)頻技術(shù)，將激光器的頻率鎖定到87Rb原子的D1躍遷線5S1/2，F(xiàn)=2→5P1/2，F(xiàn)'=1上。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)框圖

由圖1可知，系統(tǒng)主要包括DFB激光器、電流源模塊、LD溫控模塊、100 kHz信號(hào)源模塊、主控模塊、鎖頻模塊（包括PI處理模塊和誤差解調(diào)模塊）、飽和吸收裝置以及外圍輸入/輸出設(shè)備。

系統(tǒng)的光路部分主要是飽和吸收裝置。DFB半導(dǎo)體激光器輸出795 nm激光經(jīng)過(guò)光隔離器IO，再經(jīng)過(guò)λ/2波片被偏振分光棱鏡PBS分成兩束：分出的反射光射入銣泡中，經(jīng)λ/4被0°半反鏡反射回來(lái)再經(jīng)過(guò)銣泡穿過(guò)PBS，用光電探測(cè)器PD探測(cè)得到飽和吸收信號(hào)；另外一束透射光作為穩(wěn)頻激光器的輸出。

系統(tǒng)所用激光器為無(wú)外腔的DFB激光器，因此鎖頻過(guò)程中對(duì)激光頻率的掃描和修正只能作用到激光器的注入電流上。為了得到鑒頻信號(hào)，需要對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行調(diào)制。本設(shè)計(jì)中通過(guò)按鍵和旋鈕設(shè)定相位信息，經(jīng)主控芯片STM32譯碼后，再將該相位信息通過(guò)串口UART5發(fā)送給CPLD，由CPLD輸出含有設(shè)定的相位信息的100 kHz正弦信號(hào)。也就是說(shuō)，CPLD加濾波電路產(chǎn)生兩路相位連續(xù)可調(diào)的100 kHz正弦信號(hào)：一路輸入激光器電流源給激光器加上電流調(diào)制；另外一路輸入給同步解調(diào)器，與交流耦合并放大后的光電探測(cè)信號(hào)相乘，再經(jīng)低通濾波電路濾去高頻分量，得到飽和吸收信號(hào)對(duì)應(yīng)的一次微分誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)比例-積分（proportional-integral，PI）模塊運(yùn)算處理后得到控制信號(hào)；將該信號(hào)加到調(diào)制信號(hào)中和直流偏置一起作為激光器的驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)節(jié)電流大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出激光頻率的控制。

主控芯片STM32F103ZE作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，在整個(gè)穩(wěn)頻過(guò)程中使各個(gè)模塊協(xié)同工作的同時(shí)，控制外圍輸入/輸出設(shè)備，給系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)交互接口：實(shí)時(shí)讀取旋鈕值和按鍵值并進(jìn)行譯碼，鍵盤和旋鈕配合方便輸入；將相關(guān)參數(shù)、物理量以及鎖定狀態(tài)在TFT液晶屏上進(jìn)行顯示，便于實(shí)時(shí)觀察工作狀態(tài)；同時(shí)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間的通信，使相關(guān)數(shù)據(jù)得以上傳，便于存儲(chǔ)和分析。

2　自動(dòng)穩(wěn)頻程序設(shè)計(jì)

在自動(dòng)鎖頻之前，先將激光二極管（laser diode，LD）的工作參數(shù)設(shè)定到其工作點(diǎn)。溫控模塊把激光二極管的工作溫度控制在設(shè)定溫度值；調(diào)節(jié)恒流源模塊輸出電流值，使LD輸出激光的頻率處在要鎖定的躍遷線附近。在實(shí)驗(yàn)中，激光器的工作溫度設(shè)定為34.8 ℃并保持恒定，起伏為±0.001 ℃，注入電流設(shè)定值約138.4 mA，控制精度為±0.001 mA，掃出飽和吸收信號(hào)，并由同步解調(diào)模塊對(duì)飽和吸收信號(hào)進(jìn)行相敏檢波，得到飽和吸收信號(hào)的一次微分，將其作為誤差信號(hào)。利用主控芯片STM32內(nèi)置的ADC高速采樣通道（12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 MHz）采集飽和吸收信號(hào)和誤差信號(hào)，并以數(shù)組的形式存儲(chǔ)到內(nèi)存單元，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。圖2是對(duì)串口發(fā)送的數(shù)字量進(jìn)行歸一化，在Matlab中繪制出的飽和吸收信號(hào)和誤差信號(hào)。

圖2　飽和吸收信號(hào)和誤差信號(hào)

圖2中第1條曲線為三角波掃描信號(hào)，第2條曲線為飽和吸收信號(hào)。飽和吸收信號(hào)最右邊用圓圈標(biāo)記的峰，就是我們要鎖定的F=2→F'=1峰。通過(guò)觀察曲線的特點(diǎn)，要找到最右邊的參考峰，可以先找到整條曲線的最小值即位于中間的交叉峰，找到最小值后，從最小值標(biāo)號(hào)開(kāi)始對(duì)誤差信號(hào)后半段做3點(diǎn)相鄰平均和后向差分，得到差分平均誤差信號(hào)，在該曲線上加粗標(biāo)記的部分找其最大值，此最大值標(biāo)號(hào)就是要鎖定的參考峰的標(biāo)號(hào)，將該標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的掃描電壓以直流的方式加到激光器的注入電流上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器頻率的鎖定。

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：①自動(dòng)鎖頻：掃描得到飽和吸收信號(hào)，從中找出要鎖定的參考峰，然后輸出TTL控制信號(hào)，閉合鎖定開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻環(huán)路的閉環(huán)；②失鎖后重新鎖定：判別激光器失鎖后快速自動(dòng)回鎖。自動(dòng)鎖頻的整個(gè)流程如圖3所示，其具體步驟詳述如下：

圖3　自動(dòng)鎖頻流程圖

①通過(guò)串口設(shè)定DFB激光器的初始參數(shù)，包括驅(qū)動(dòng)電流、外腔溫度，激光二極管溫度，設(shè)定掃描范圍和點(diǎn)數(shù)。

②掃描飽和吸收信號(hào)和誤差信號(hào)，將信號(hào)以數(shù)組的形式存儲(chǔ)。

③查找飽和吸收信號(hào)的最小值以及最小值的標(biāo)號(hào)。

④判斷飽和吸收信號(hào)的最小值是否在掃描范圍的中間位置。若在中間位置，說(shuō)明掃描得到的飽和吸收信號(hào)是完整的，3個(gè)峰均被掃描到；若偏離中間位置太多，說(shuō)明掃描得到的飽和吸收信號(hào)不完整，通過(guò)調(diào)整所加的初始掃描電壓進(jìn)行調(diào)整。

⑤以最小值標(biāo)號(hào)為起點(diǎn)，以掃描終點(diǎn)為終點(diǎn)，截取誤差信號(hào)的后半段加粗部分（見(jiàn)圖2），并對(duì)其進(jìn)行3點(diǎn)相鄰平均和后向差分，得到圖2中最下面的差分平均誤差信號(hào)曲線。

⑥查找差分平均誤差信號(hào)曲線后半段加粗部分的最大值和最大值標(biāo)號(hào)，由此得到參考峰即要鎖定的峰F＝2→F′＝1的標(biāo)號(hào)。

⑦據(jù)此計(jì)算得到參考峰對(duì)應(yīng)的掃描電壓，將該掃描電壓以直流方式加載到激光器的注入電流上。

⑧向繼電器輸出TTL控制信號(hào)，閉合鎖定開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻環(huán)路的閉環(huán)。

失鎖后自動(dòng)回鎖的整個(gè)流程如圖4所示，其具體步驟詳述如下：

圖4　失鎖后自動(dòng)回鎖流程圖

①將鎖定時(shí)參考峰的峰值記錄下來(lái)?？紤]到激光功率的抖動(dòng)，故以此峰值為中心，給上下500個(gè)數(shù)字量（約為250 mV）的浮動(dòng)范圍，避免把由激光功率抖動(dòng)引起的峰值起伏誤判為失鎖。在鎖定開(kāi)關(guān)閉合的情況下，周期性地查詢飽和吸收信號(hào)是否超出此范圍，若已超出，則認(rèn)定激光器已失鎖。

②判定激光器失鎖的情況下，斷開(kāi)鎖定開(kāi)關(guān)。

③考慮到在實(shí)際中激光器的失鎖，很多情況下都是由外界瞬時(shí)干擾比如連續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)敲擊引起的強(qiáng)烈振動(dòng)等因素引起的。當(dāng)外界干擾停止后，激光器的工作點(diǎn)并未漂移很遠(yuǎn)。因此判定激光器失鎖后，首先采取的措施是，將鎖定時(shí)的反饋電流重新輸出，閉合鎖定開(kāi)關(guān)。

④閉合鎖定開(kāi)關(guān)后，用和①同樣的方法再次判斷激光器是否失鎖。若激光器依舊失鎖，則說(shuō)明激光器的工作點(diǎn)已經(jīng)漂遠(yuǎn)，此時(shí)斷開(kāi)鎖定開(kāi)關(guān)，重新掃描、查找峰值進(jìn)行鎖定。

⑤若重新鎖定兩次還未鎖定，則退出自動(dòng)鎖定程序。這主要是為了避免程序死在自動(dòng)鎖頻環(huán)節(jié)中。此時(shí)應(yīng)由操作人員檢查系統(tǒng)可能存在的問(wèn)題。但在我們的實(shí)驗(yàn)中，這種情況并未出現(xiàn)過(guò)。

其實(shí)在判定激光器失鎖后完全可以重復(fù)激光器鎖定的整個(gè)過(guò)程，直接省去步驟③。但通過(guò)上面的自動(dòng)鎖頻流程不難看出，整個(gè)頻率鎖定過(guò)程相對(duì)比較耗時(shí)，因此結(jié)合實(shí)際情況加入了步驟③。這主要是考慮到，相當(dāng)一部分的失鎖情況，特別是在激光器鎖定后短期內(nèi)出現(xiàn)的失鎖情況，此時(shí)激光器的工作點(diǎn)一般還在鎖定時(shí)的附近，就不需要重新掃描、搜峰、計(jì)算得到工作點(diǎn)，直接等待外界干擾因素消除后，重置原來(lái)的工作點(diǎn)。這樣的程序設(shè)計(jì)大大縮短了自動(dòng)回鎖所耗時(shí)間，更符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

在系統(tǒng)調(diào)試的初期，我們是用誤差信號(hào)來(lái)判斷激光器是否失鎖的：周期性地讀取誤差信號(hào)，若誤差信號(hào)不在0上下浮動(dòng)，則說(shuō)明激光器失鎖。但在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，偶爾會(huì)出現(xiàn)激光器已經(jīng)失鎖但誤差信號(hào)還是在0上下浮動(dòng)的情況。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)頻的可靠性，我們?cè)诤笃谡{(diào)試的過(guò)程中用飽和吸收信號(hào)來(lái)判斷激光器是否失鎖，有效地避免了上述情況的發(fā)生。

為了減小激光器失鎖對(duì)原子鐘穩(wěn)定度的影響，在原子鐘閉環(huán)鎖定電路中，必須有一個(gè)輸入端口來(lái)提供TTL控制信號(hào)，當(dāng)激光器失鎖后，將原子鐘的伺服環(huán)路斷開(kāi)；重新鎖定后，再次閉合原子鐘伺服環(huán)路。因此，在激光器穩(wěn)頻程序中，我們?cè)O(shè)計(jì)了頻率鎖定標(biāo)志位，頻率鎖定時(shí)將其置位；失鎖后立即將其清0；重新鎖定后再將其置位。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中只需將該標(biāo)志位通過(guò)主控芯片的一個(gè)I/O口輸出給原子鐘閉環(huán)鎖定電路的TTL控制輸入端口即可實(shí)現(xiàn)該功能。

3　穩(wěn)頻結(jié)果的測(cè)試與分析

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)的激光自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)的長(zhǎng)期鎖定頻率性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了為期一個(gè)多月的測(cè)試。測(cè)試期間，實(shí)驗(yàn)室溫度為23℃，起伏約±2℃，用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器的連續(xù)鎖定，長(zhǎng)期頻率鎖定測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　長(zhǎng)期鎖頻的誤差信號(hào)

在為期一個(gè)多月的測(cè)試過(guò)程中，總共出現(xiàn)3次較大的毛刺（為更明顯地標(biāo)識(shí)，將毛刺進(jìn)行了加粗），表示在這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)激光器失鎖，而后又快速自動(dòng)回鎖。從圖5中可以看到每次誤差信號(hào)波動(dòng)后迅速恢復(fù)。測(cè)試期間，隨機(jī)地給激光器一些擾動(dòng)（如擋光，敲打?qū)嶒?yàn)平臺(tái)等），激光頻率并沒(méi)有發(fā)生跳變或漂移，說(shuō)明穩(wěn)頻系統(tǒng)具有一定的抵御突發(fā)擾動(dòng)的能力。由于后續(xù)其他實(shí)驗(yàn)需要繼續(xù)進(jìn)行，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)33 d測(cè)試后，人為地終止了測(cè)試，但激光器仍然鎖定在設(shè)定的參考頻率上，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)頻性能。

為檢測(cè)穩(wěn)頻系統(tǒng)自恢復(fù)能力，人為地讓激光器失鎖。失鎖后自動(dòng)回鎖的過(guò)程如圖6所示。從圖6中可以看到，失鎖后激光器的頻率仍然可以回到預(yù)設(shè)的參考頻率上，并且鎖定時(shí)間很快，能夠在1 s內(nèi)重新鎖定。

圖6　失鎖后自動(dòng)回鎖過(guò)程圖

為驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)激光器頻率漂移的抑制，我們利用拍頻的方法對(duì)系統(tǒng)中DFB激光器在鎖定時(shí)輸出的激光線寬進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，用兩套穩(wěn)頻系統(tǒng)把兩臺(tái)同型號(hào)DFB激光器的頻率分別鎖定到F=2→F′=1和F=2→F′=2兩個(gè)不同的飽和吸收峰上，則拍頻信號(hào)的中心頻率為兩峰值頻率之差約為408 MHz。探測(cè)器選用ET-2030A，其響應(yīng)時(shí)間小于500 ps。所得的拍頻信號(hào)如圖7所示，圖7中虛線所表示的信號(hào)由FSH4-105582/014頻譜儀測(cè)得，未經(jīng)平均，測(cè)試時(shí)頻譜分辨率設(shè)為300 kHz。

所得拍頻信號(hào)的曲線符合洛倫茲線型，對(duì)其進(jìn)行擬合后可計(jì)算出拍頻信號(hào)的3 dB線寬約為10 MHz。對(duì)于兩臺(tái)同型號(hào)激光器拍頻信號(hào)做洛侖茲擬合，可以認(rèn)為每臺(tái)激光器的線寬約為拍頻信號(hào)線寬FWHM的一半[16]，即：

圖7　兩臺(tái)DFB激光器拍頻信號(hào)曲線

由此可計(jì)算出鎖定時(shí)激光器的線寬約為5 MHz。這和2012年意大利國(guó)家計(jì)量院Godone小組報(bào)道的用于POP銣原子鐘抽運(yùn)光源的DFB半導(dǎo)體激光器[17]的線寬（≤6 MHz）[6]相當(dāng)，這樣的線寬完全可以滿足POP銣原子鐘的應(yīng)用要求。

4　結(jié)語(yǔ)

星載鐘在空間應(yīng)用環(huán)境下要求長(zhǎng)期無(wú)人干預(yù)，首先必須確保激光器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)頻。激光頻率的穩(wěn)定是星載鐘長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。如文中所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的激光自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)以STM32F103ZE為主控芯片，通過(guò)對(duì)激光器的注入電流加調(diào)制的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)譜線的自動(dòng)查找、鎖定，能在開(kāi)機(jī)后自動(dòng)鎖頻并長(zhǎng)期監(jiān)控鎖頻狀態(tài)，失鎖后快速自動(dòng)回鎖，從而達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)頻的目的。經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該激光自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)能夠保證激光器連續(xù)穩(wěn)定工作超過(guò)一個(gè)月且仍然鎖定在設(shè)定的參考頻率上，失鎖后能夠在1 s內(nèi)重新鎖定，工作點(diǎn)穩(wěn)定，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，人機(jī)交互界面友好方便調(diào)節(jié)。整套系統(tǒng)以數(shù)字控制為主，相較之前的手動(dòng)鎖頻系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)人值守，滿足現(xiàn)階段POP銣鐘小型化的實(shí)驗(yàn)要求，也為下階段星載POP銣鐘的工程化奠定了基礎(chǔ)。

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Automatic frequency stabilization system of DFB diode laser for POP Rb atomic clock

YU Zhi-jian1，2，3， XUE Wen-xiang1，2， ZHAO Wen-yu1，2，3， LI Xiao-feng1，2，3，
CHEN Jiang1，2，3， RUAN Jun1，2， DU Zhi-jing1，2， ZHANG Shou-gang1，2（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Science， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards， National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

With the purpose of avoiding the shortcoming of the traditional manual frequency stabilizationsystem which needs to be attended manually， a compact digital automatic frequency stabilization system is proposed， based on the theory of the saturated absorption harmonic frequency stabilization， which can keep the DFB diode laser frequency locked to a rubidium line（795 nm） for a long time.The STM32 micro controller，being the core component of the system， lays the hardware foundation of digital loop software design， and the system is characterized by small volume and strong anti-interference capacity.The experimental test indicated that the system can automatically achieve frequency stabilization and quickly relock the diode laser.Under the laboratory environment， the DFB diode laser can be locked to Rb line stably and continuously for more than a month and relocked again within one second， with a bandwidth of 5 MHz.The DFB diode laser is used to be as the pumping and detecting laser source of POP Rb atomic clock， and the realization of its long-time automatic stabilization makes it possible that the POP Rb atomic clock works stably for long time without manned intervention under the space-borne circumstance.

auto-stabilization of diode laser； saturated absorption spectrum； pulsed optically pumped（POP）Rb atomic clock； distributed feedback（DFB） diode laser

TM935

A

1674-0637（2015）03-0129-10

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0129-10

2015-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11303030）；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61025023）

魚(yú)志健，男，碩士，主要從事星載銣原子鐘控制電路方面的研究。