双频Nd:YAG激光器数字Pound-Drever-Hall稳频系统设计及解调技术研究

摘要

激光二极管泵浦的双腔双频Nd∶YAG激光器可作为合成波绝对距离干涉测量的理想光源，绝对距离干涉测量精度由合成波长的大小及其稳定性决定，合成波长的大小取决于双频激光的频差大小，而合成波长的稳定性取决于双频激光的频差稳定性。当双频激光的频率稳定时，其频差也就随之稳定。因此，为了满足绝对距离干涉测量要求，不仅要求双频Nd∶YAG激光器能够产生一定频差大小的双频激光输出，而且还必须保证双频激光的频率和频差的稳定性。即使采用减振、控温、密封等被动稳频措施也难以保证自由运转双频Nd∶YAG激光器频率和频差的稳定性，因此必须对其进行主动稳频。
　　论文首先综述了国内外激光稳频技术研究现状，分析了相位调制光外差稳频(即Pound-Drever-Hall，PDH)方法的基本原理，在此基础上设计了单频Nd∶YAG激光器数字PDH稳频系统方案，实验研究了1064nm单频Nd∶YAG激光器的振荡模谱及相位调制模谱特性;采用自由光谱范围为375MHz、精细度为421的Fabry-Perot腔作为频率参考基准，理论分析了调制频率和调制深度对PDH稳频系统误差信号的幅值、线性动态范围和灵敏度的影响规律，并用Matlab仿真软件分析得到最佳调制频率(10MHz)和最佳调制深度(1.082);设计了双腔双频Nd∶YAG激光器数字PDH稳频系统方案，通过两套独立的光外差探测系统和数字解调控制系统，将双腔双频Nd∶YAG激光器的两个工作频率稳定在同一Fabry-Perot参考腔的两个谐振频率处;采用Multisim软件对1064nm单频激光器PDH稳频系统进行了建模与仿真，得到了稳频系统鉴频曲线，为PDH稳频系统的电路设计提供参考。
　　另外，在分析PDH稳频系统传统解调法和同步解调测相法的基础上，设计了一种数字PDH稳频系统正交解调方案，详细分析了正交解调方案中直接数字式频率合成(DirectDigitalSynthesizer，DDS)模块、混频模块、级联积分-梳状(CascadedIntegrator-Comb，CIC)抽取滤波器模块、半带(Half-Band，HB)抽取滤波器模块、有限脉冲响应(FiniticImpulseResponse，FIR)低通滤波器模块的原理、功能，并给出了MatLab设计方法和FPGA实现方法，并通过FPGA对这种正交解调方案进行了可行性验证。
　　综上所述，本论文主要设计了双腔双频Nd∶YAG激光器数字PDH稳频方案，对稳频系统中的激光振荡模谱和激光相位调制特性进行了实验研究，对PDH稳频系统进行了Multisim建模仿真分析，设计的正交解调方案进行了实验验证，为进一步开展数字PDH稳频技术研究工作奠定了重要的基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 激光稳频技术国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

2 双腔双频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统方案设计

2．1 影响激光频率稳定的因素

2．2 PDH稳频原理

2．2．1 F-P腔的技术参数

2．2．2 相位调制光外差稳频技术理论分析

2．3 单频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统方案设计

2．3．1 单频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统方案

2．3．2 1064nm单频固体激光器模谱

2．3．3 PDH稳频系统调制频率及调制深度的选取

2．3．4 激光相位调制

2．4 双腔双频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统方案设计

2．4．1 LD泵浦双腔双频Nd：YAG激光器

2．4．2 LD泵浦双腔双频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统方案

2．5 本章小结

3 单频Nd：YAG激光器PDH稳频系统建模与仿真

3．1 参数设置

3．1．1 激光频率的选择

3．1．2 F-P腔设计

3．2 元件模型及测试

3．2．1 激光器和电光相位调制器

3．2．2 F-P腔

3．2．3 带通滤波器

3．2．4 低通滤波器

3．3 PDH稳频系统Multisim模型综合仿真

3．4 本章小结

4 单频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统解调方案设计

4．1 传统解调方案

4．1．1 自动数字测相法

4．1．2 频谱分析法

4．1．3 同步解调测相法

4．2 正交解调方案

4．2．1 DDS模块的设计与实现

4．2．2 混频模块的设计与实现

4．2．3 CIC抽取滤波器模块的设计与实现

4．2．4 HB抽取滤波器的设计与实现

4．2．5 FIR滤波器的设计与实现

4．2．6 开方模块的设计与实现

4．2．7 本章小结

5 单频Nd：YAG激光器数字PDH稳频系统解调实验研究

5．1 数字PDH稳频系统解调实验平台

5．2 数字PDH稳频系统解调方案测试与验证

5．2．1 测试环境

5．2．2 正交解调方案的验证

5．3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及申请专利