稳定激光器在科研研发领域的应用日益广泛。为满足多样化需求，频准激光基于模拟锁定方案，已实现了从原子分子稳频、超稳腔稳频，到光梳稳频的频率锁定，并提供完整解决方案。为了满足客户和产品的需要，开发了基于全数字的伺服模块，采用高性能调制锁定技术，可将激光频率精准锁定至参考腔或原子跃迁。

 

数字伺服模块的主要特点

• 基于FPGA的全数字实现
• 完善的锁频功能：调制、解调、扫频、锁定
• 具备慢速和快速反馈通道，支持各种锁定需求
• 结构紧凑，体积大幅缩小
• 低噪声，低延时设计，锁定指标与模拟方案接近
• 自动锁定/自动回锁

 

数字伺服模块的外观和界面

 

数字伺服模块内部只由1块PCB电路板组成，电路尺寸经过优化设计，大小只有13.5cm X 10cm，安装后外观如图1。

图1 数字伺服模块外观

控制上，软件设计了快慢速两个反馈通道，每个通道均设置了2级PID控制单元，可以根据实际需要，只使用快速或者慢速通道，或者同时使用。上位机控制界面如图2所示。

 

图2 数字伺服上位机控制界面

 

数字伺服模块的主要指标

伺服模块支持调制转移（MTS）、PDH等稳频方式，主要指标如表1所示。

 

表1 主要性能指标

数字伺服模块参考用例

 

使用数字伺服模块，进行了PDH稳频测试，并与模拟伺服进行了对比。

 

锁定带宽

对同一台PDH激光器系统，使用伺服锁定后，使用频谱仪观察误差信号。

 

图3.a 数字伺服锁定带宽

 

图3.b 模拟伺服锁定带宽

 

如图3所示，相对于数字伺服，模拟伺服没有数字处理的延时，在锁定带宽上具有明显的优势，但数字伺服的锁定带宽也达到了1MHz，能满足激光器锁频需求。

 

锁定效果

将两台激光器通过PDH锁定后，将输出激光进行拍频测试，从而判断锁频性能，并对其中一台替换为使用数字伺服进行锁定，进行对比。

图4 Allan偏差对比

如图4所示，为对频率计数器统计结果的Allan偏差计算对比，无论是在1s处，还是长稳，数字伺服锁定后的频率稳定性均接近模拟伺服。

同时，还对拍频信号的线宽进行了测试，如图5所示，线宽不超过1Hz，证明数字伺服能达到很好的频率稳定性。

 

图5 数字伺服锁定后拍频信号线宽

 

使用伺服完成MTS锁频展示

关于频准

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