用于原子-光耦合系统的光学锁相环的设计

摘要

在量子光学的研究领域，激光的稳频和锁相一直都是实验中的重要的技术手段，特别是在光与原子的相互作用等实验中，光场必须耦合在原子的跃迁线上或者附近，以及多光场之间的相干性，或者说光场之间的相位的同步。光学锁相环是激光相位锁定的一种有效方法，它是基于光电探测器、鉴相器以及配套的电路，通过反馈回路控制激光器的电流模块和压电陶瓷扫描模块，使一台激光器的频率（相位）锁定在另一台激光器上。光学锁相环还广泛地应用在引力波探测、原子干涉仪、精密光谱、量子信息等领域。光学锁相环借助现代数字频率合成芯片等技术，便具备了简便性，集成性和自动控制性。
　　本论文中阐述了一种锁定不同激光器之间频率和相位的光学装置和配套电路。首先对外腔半导体激光器的内部结构和调谐原理进行介绍，从原理上分析了半导体激光器进行相位锁定的可行性，经过分析半导体的注入电流模块和压电陶瓷扫描模块可以作为频率相位调节的反馈接口。然后我们介绍了锁相环的结构和原理，重点分析了鉴相器的鉴频和原理，分别对J-K触发器型鉴相器、异或门型鉴相器、鉴频鉴相器分析讨论了鉴相原理和鉴相时序图。我们选用ADF41020为鉴频鉴相器，给出光学锁相环的设计结构，通常光学锁相环的方法有外差和分频法两种，综合考虑这两种方法，我们最终选择高频处理部分更为简单的分频法，并且ADF41020内部集成了可用软件编程的分频计数器，更加易于控制。我们基于锁相环路芯片ADF41020设计了一种光学锁相电路，设计锁定两束激光的频率差的范围为4GHz-18GHz。利用ADF41020的同步串行接口，我们可以通过单片机等微机对其进行编程控制，最后我们给出了控制的程序。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 半导体激光器基础介绍

1.2.1外腔反馈

1.2.2 Littrow外腔反馈结构

1.2.3 Littman外腔反馈结构

1.3 对ECDL锁相的可行性分析

1.3.1 引起ECDL频率抖动的因素

1.3.2 激光锁相的可行性分析

1.4 论文的主要内容

第二章 锁相环基础

2.1 引言

2.2 锁相环路的基本构成

2.3 鉴相器

2.3.1 模拟乘法鉴相器

2.3.2 异或门鉴相器

2.3.3 J-K触发器鉴相器

2.3.4 鉴频鉴相器

2.4小结

第三章 用于原子-光耦合系统的光学锁相环的设计

3.1 引言

3.2 光学锁相环的设计方案

3.2.1 光学锁相环的设计原理

3.2.2 外差和零差锁相法

3.2.3 分频法光学锁相环

3.3 OPLL的电路设计

3.3.1 ADF41020的结构和原理

3.3.2 基于ADF41020的OPLL电路设计

3.4 OPLL编程控制的设计

3.5 小结

第四章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间获得的研究成果

致谢

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