摘要

超稳激光具有超高频率稳定度和极窄线宽等优点，在原子钟［1-3］、光频传递［4-6］、引力波探测［7-9］、洛伦兹不变性的检验［10-11］等领域起着至关重要的作用。超稳激光通常采用 Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术将激 光 频 率 锁 定 到 超 稳 定 Fabry-Perot（F-P）腔 上 实现［12］。随着科技的不断进步与发展，对科学任务的需求也在不断增长，对于超稳激光的稳定度和长期锁定能力有了更高的要求。如可搬运光钟和星载光钟［13］需要研制出可搬运的超稳激光，并且具备能保持长时间稳定运行、远程操控和脱锁自动回锁的能力。在超稳激光的运行过程中，各种电路或机械扰动会导致激光器脱锁，在这种情况下就需要超稳激光能重新快速锁定。而通过人工介入的操作实现重锁的方法一般耗时比较长，且难以随时发现脱锁和快速介入。具有自动回锁功能的反馈控制可以实时检测激光的锁定状态，并随时完成频率的重新锁定，因而确保在无人值守的情况下保持超稳激光的稳定运行，这对于一些无人值守且需要长期稳定运行的超稳激光应用非常重要。
实现激光器自动重锁，通常采用数字算法控制。
在超稳激光系统中，将 PDH 误差信号或腔透射信号数字化，根据数字算法来判断激光频率与光学谐振腔是否匹配，以此检测激光频率锁定状态。激光的频率反馈锁定系统可以由两种方法来实现。一种是采用全数字的锁频电路，即通过模数转换器（ADC）采样，经过基于现场可编程门阵列（FPGA）实现的数字比例积分微 （PID）算 法 处 理［14-16］，然 后 通 过 数 模 转 换 器（DAC）输出模拟控制信号反馈控制激光器频率执行器件。这种方法有较好的集成度，易于参数调节、集成和实现自动化控制。但是数字锁频电路的反馈带宽受限于数字电路的 ADC 采样、控制算法、DAC 的输出转换等的延时影响，一般很难实现较高的反馈带宽，并且会引入数字化噪声。另一种是采用模数混合的锁频电路，这种方案具有低噪声、高带宽等优势，通过插入适当的数字开关也可以实现一定程度的自动化控制。2021 年中国科学院国家时间服务中心的 Guo 等［17］针对空间应用需求，设计了一种数模混合锁频电路以实现激光频率自动锁定，并将反馈带宽保持在 2 MHz，实现了线宽为 3 Hz 的超稳激光。该方案通过继电器开关来实现参数控制，继电器开关一般触点寿命较短、体积较大，难以实现大范围的控制参数调节。2022 年华东师范大学的 Yan 等［18］也采用了一种数模混合锁频电路实现了自动锁定，锁定后通过两台激光器之间的拍频测量得出 1 s 积分时间频率稳定度为 6.0×10-16，实现了更高的频率稳定度，但是该设计仅对积分和微分参数做了开启和关闭的数字控制，并没有实现大范围的锁定参数数字控制，不具有通用性。
本文提出了一种通用的数字控制模拟锁频电路。通过控制数字开关芯片和数字电位器对 PID 反馈控制的参数进行调节：在激光频率处于锁定状态时，数字电路处于静默状态，在维持控制器保持模拟电路的高反馈带宽的同时，避免了由于数字电路的状态变化而产生的数字电路噪声；在脱锁时，通过数字算法有序控制PID 的扫频、积分开关等参数实现自动重锁。该电路同时具备 USB 通信功能，通过电脑可以远程控制调节锁定参数，配合其他激光频率监测设备（比如波长计等）可实现激光频率的自动控制与锁定。该电路有很大的参数调节自由度，具有很好的通用性，实际测得电路的 3 dB 反馈带宽为 20 MHz，可满足于大多数不同种类的激光器，如半导体激光器、光纤激光器和钛宝石激光器等的频率锁定需求。使用两套电路将两台1560 nm 超稳激光锁定后，通过它们之间的拍频测得单台超稳激光的频率稳定度在 1 s 积分时间为 4.6×10-16，2~10 s 积分时间内小于 4.2×10-16，和之前采用纯模拟锁频电路的锁定结果没有明显区别，非常接近10 cm 腔的热噪声极［19］。
2　锁频电路介绍
锁频电路的主要功能是将 PDH 稳频的误差信号变为驱动频率执行机构的驱动信号。普通激光的线宽在 1 kHz~1 MHz，频率漂移最大在百 MHz 水平，而超稳激光的频率稳定度在 1 Hz 以下。因此锁定电路需要有足够大的反馈带宽（约 10 倍于激光线宽）和尽量高的低频增益（保持系统稳定的前提下），以抑制激光器的频率噪声和漂移。而半导体激光器的线宽在几百kHz 水平，为了能有效抑制激光的频率抖动，频率锁定电路的反馈带宽最好能在 5 MHz 以上，否则可能不满足部分激光器的要求。并且本文的锁定电路的应用目标主要是高稳定度超稳激光，所以必须确保锁定电路在低频具有低偏置和低温度敏感度。为满足这些要求，锁频电路在设计上考虑了输出包括快环（实现激光的快速调谐）和慢环（补偿激光的长期漂移）两个通道、PID 运算处理时积分和正比微分分开处理等方面的问题，锁频电路的结构如图 1 所示