[发明专利]多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及一种多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置。

背景技术

高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术是目前对大气气溶胶光学参数遥感的有效手段。HSRL技术需要由具有高光谱分辨能力的滤光器分离大气回波信号中的米散射和瑞利散射成分来实现。最近，一种新型的光谱滤光器——视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)被发明并用于HSRL系统中完成该光谱分离功能。FWMI实质上是一种改进的迈克尔逊干涉仪(MI)，它具有光谱分离功能的本质原因是因为光干涉的频率依赖性。为了更好地完成光谱分离功能，FWMI在HSRL中工作时其谐振频率必须准确保持在HSRL激光器的中心波长。尽管可以通过手动方式用压电陶瓷微位移器(PZT)将FWMI的谐振频率谐调到激光器频率，但是，由于实际操作时环境温度、空气压力等的变化，均会造成FWMI光程差的变化，最终其谐振频率也随之而漂移。容易想到的方法是，将FWMI放置在一个温度稳定度高的密闭箱中来保持其谐振频率不受环境变动的影响。但理论分析表明，该温控箱的温度稳定度应该在0.001摄氏度或更高才能满足要求。这对于国内目前的温控技术而言是一个巨大的挑战。因此，如何将FWMI谐振频率稳定地锁定在激光器中心频率是目前亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是克服上述难点，提出了采用多谐波外差技术实时锁定FWMI光谱滤光器谐振频率至激光器中心频率的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑；

电子系统模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；

激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；

经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能。

第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号(与驱动电光相位调制器的信号相同)在电子系统模块b中被处理：信号发生器信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成。乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成。乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量。正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑，控制电脑利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备(如压电陶瓷、气压控制器等，视FWMI结构不同而异)。反馈控制量的生成公式为

其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量。该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小正比于频率漂移量；反之，则该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。

在电光相位调制器工作时需要选定两个工作参数，即调制深度和调制频率。在本方案中，最优的调制深度为3rad，调制频率为0.1×FSR，其中FSR为待锁定FWMI的自由光谱范围。所述的第一光电探测器的带宽应大于等于2倍的调制频率；所述的第二光电探测器为普通的能量探测器，带宽一般为几百到几千Hz即可。所述的第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率一般小于5MHz。

本发明有益效果如下：