基于LabwindowsCVI的外腔半导体激光器数字稳频系统设计

刘丹丹，吴长江，阮军，刘杰，张首刚

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；

2. 中国科学院研究生院，北京 100039；

3. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600）

基于LabwindowsCVI的外腔半导体激光器数字稳频系统设计

刘丹丹1,2,3，吴长江1,2,3，阮军1,2,3，刘杰1,3，张首刚1,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；

2. 中国科学院研究生院，北京 100039；

3. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600）

为抑制外腔半导体激光器频率漂移，提高频率稳定性，提出一种数字稳频方法。该方法采用数据采集卡，基于LabwindowsCVI语言实现数字锁相放大模块获得稳频误差信号，通过此信号控制压电陶瓷电压，将852 nm外腔半导体激光器的频率锁在铯原子谱线上，实现20 s频率稳定度8.7×10-11。该数字稳频方法降低了人力成本，易升级和修改，具有移植性好和用户界面友好等优点。

外腔半导体激光器；数字稳频；数据采集卡；压电陶瓷

可调谐的半导体激光器被广泛应用在原子波谱学、光通信、量子频标等领域[1]。这些应用对激光频率的稳定性要求很高，通常要求输出激光的中心频率锁定在某个稳定度很高的参考频率上，例如特定原子、分子的吸收谱线或高精细度法布里—珀罗腔共振频率，用以提高激光频率的稳定度[2-3]。传统上，激光器频率锁定由模拟稳频系统完成。但是，模拟系统比较复杂，电路元件固化，参数修改不方便，且调试周期较长，不利于维护和更新，而且需要手动调节，增加了人力成本。

随着计算机的发展，数字系统变得越来越便利，在各个领域已经得到广泛应用。相对于模拟系统，数字系统灵活方便，性价比高。本文基于数据采集卡，结合虚拟仪器的强大功能，采用全数字的稳频方法，以铯原子D2吸收谱线的中心频率为参考频率，搜索铯原子D2线的6个饱和吸收峰，通过调制注入电流来实现对激光器频率的调制，由锁相放大技术获得吸收谱线的鉴频曲线，然后经过反馈环路可将激光器锁定在铯原子D2线的任一饱和吸收峰上，实现频率的稳定。

1 系统的设计与实现

1.1 系统硬件设备

该系统使用的数据采集卡PCI-6040E为NI公司生产的一款基于PCI总线的多功能数据采集卡。有16个单端或8个差分模拟输入通道，12位分辨率，最大采样速率为500 kS/s（单通道）和250 kS/s（多通道）；另外有2个模拟输出通道，最高更新速率为1 MS/s。实验中仅用到2路输出通道和1路模拟输入通道。

实验所用激光器为自制的852 nm外腔半导体激光器（ECDL）[4]，自由运转时频率漂移15 MHz/h，远小于一般商用的外腔半导体激光器的频率漂移250 MHz/h。

计算机通过连接线68-68EP连接采集卡和SCB68端子板，SCB68端子板用于和外部设备相连接。采集卡的2个数模转换器（DAC）输出通道分别用于调制ECDL的压电陶瓷（PZT）电压和电流，通过模数转换器（ADC）输入通道读取探测器的光电信号，再经过计算机内的锁频模块反馈给激光器，从而稳定ECDL的频率。图1是系统原理示意图。系统中锁频模块为软件所编写，将在以下章节中作具体介绍。

图1 系统原理示意图

1.2 系统软件设计

1.2.1 虚拟仪器介绍

虚拟仪器（virtual instrument，VI）是用计算机加上特定的硬设备，再加上为实现特定功能而编制的软件而形成的既有普通仪器的功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器[5]。与传统的测量仪器的设计方法相比，它具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点，可以很方便地组建测试系统，满足多种测量要求[6]。

LabwindowsCVI是32位面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，可在多操作系统下运行。它以C语言为核心，将C语言与测控专业工具有机地结合起来，实现数据的采集、分析和显示，并提供大量的高级分析库函数，为熟悉C语言的工程师提供便利。另外，就该平台而言，程序调试灵活，可通过设置断点、单步运行等方式对源代码进行调试[7]。

1.2.2 软件功能

软件整体思想为通过加调制的方法改变半导体激光器的外腔长度和工作电流，使其输出激光的频率受到相应的调制，从而对应的原子吸收光谱输出有相应的强度变化，然后对光谱强度变化进行一定的处理，得到激光频率偏移参考中心频率的信息，再根据此信息由稳频系统向半导体激光器反馈相应的控制参量，用以将输出光频率控制在参考中心频率处[8]。软件主要由锁相放大器、PI（proportional-integral）处理和锁频模块组成[9]。

1）锁相放大器

锁相放大器是实现激光器稳频的重要部分，在模拟电路中通常需要较复杂的元件来实现，在此数字锁相放大器的算法全部由软件来完成，如图2所示。为了将频率锁定在铯原子D2线的饱和吸收峰上，需要调制激光频率。首先由计算机输出两路信号，一路作为调制信号直接输出给外腔半导体激光器用于调制电流，并在这一路的输出端接一个RC滤波，可有效地去除噪声、平滑波形。该调制信号为连续输出（可连续调相），幅度为0.6 V，频率为1 kHz，更新率为100 kS/s。另外一路作为锁相放大器的参考信号。

图2 锁相放大器模块

同时数据采集卡从探测器中读取连续的光电信号数据，采样率为100 kS/s，采样点数为10 000个，并存储在临时缓存区中。数据传输的默认方式为DMA（direct memory access）通道传输。为使采样任务和输出任务同步，将输出任务的开始触发（StartTrigger）作为采样任务的数字触发。

参考信号相移180°后与放大后的光电信号进行相乘，参考信号幅度比调制正弦信号幅度偏小。相乘后的信号带有一定的旁瓣，而窗函数有截断和平滑的作用，窗函数选择得好，可以在相同阶次的情况下提高滤波器的性能，或是在满足设计要求的情况下，减少滤波器阶数，综合考虑后选择汉宁窗对信号进行处理。经过加窗后的信号再经过低通滤波（butterworth 4阶，截止频率为100 Hz）形成一次微分信号。这些信号处理函数可以由直接调用LabwindowsCVI里的自带函数而获得。一次微分曲线易受到多普勒轮廓背景光谱成分的影响，在此我们通过消除多普勒背景的饱和吸收谱线来获得一次微分信号。

2）PI处理

传统的PID算法即比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）控制，是自动控制理论中最普遍采用的控制方法，其作用是通过P，I，D形成控制量作用于被控对象，提高系统的无差度，减小偏差。PID控制理论目前已经相当成熟，其数学模型可用下式表示：

式（1）中，Kp，KI，KD分别代表P，I，D的控制系数，e代表误差信号。在此D（微分）的作用不大，一次微分信号经过比例积分可直接用于锁频，PID简化为PI。

由于锁相模块产生的数据是离散的，故PI的算式写为

3）锁频模块

我们对自制的外腔半导体激光器采用饱和吸收法进行频率稳定。具体过程包括5个步骤，流程如图3所示。这5个步骤是：

1）设定ECDL的初始参数，如电流、温度、PZT电压值。

2）搜索饱和吸收峰。铯原子D2线（F=4→ F′=3，4，5）共有6个饱和吸收峰，输出一路频率为10 Hz的三角波作为PZT电压扫描信号，并调节电流和PZT直流电压使铯原子的6个饱和吸收峰显示在当前采样范围内。图4为通过扫描PZT电压得到的铯D2线饱和吸收谱。

图3 锁频的流程图

3）缩小PZT扫描幅度，同时调节PZT直流偏压，使饱和吸收信号缩小到要锁定的饱和吸收峰的范围内。并加入调制信号，运行锁相放大器模块。实验中采样的光电信号经过相邻5点平均可得到比较平滑的饱和吸收谱线。图5（a）为消除多普勒背景的铯原子D2线饱和吸收峰的最高峰，图5（b）为最高峰对应的一次微分信号。以此峰顶的频率点作为激光稳频的参考频率点，判断激光频率点在被参考的饱和吸收峰上的相对位置（峰左、峰顶、峰右），向激光器发出相应的PZT电压控制信号，对激光器的输出频率作出调整，使其稳定在峰值上。从图5中可看出在饱和吸收峰的顶部，中心点对应于一次微分信号曲线的0值点，其左边为正，右边为负，正好符合利用饱和吸收谱线进行稳频的设定。

图4 铯原子D2线的饱和吸收谱线

4）逐步减小三角波电压幅度至0，并打开锁频开关，将一次微分信号经过PID运算加到PZT电压上，实现闭环锁定。

5）周期性地检查读取到的光电信号，如果该信号幅度低于参考频率幅度，说明激光器失锁，返回1）重新开始。

图5 饱和吸收谱的最高峰及其一次微分信号

图6为两台激光器经过拍频测得的激光器锁频前后比对结果。一台激光器通过电路锁定，另一台通过该数字稳频系统锁定。从图6中可以看到0～175 s期间激光器处于自由运转状态下的频率起伏，大约为7.8 MHz；从175 s开始对激光器进行锁定，频率起伏在±415 kHz之内，较相同时间内激光器自由运转时的频率起伏7.8 MHz，频率稳定性大幅提高，相应的激光20 s频率稳定度为8.7×10-11，秒级频率稳定度达到2.6×10-10。

图6 激光器锁定前后比对结果

2 结论

通过数字稳频方法，外腔半导体激光器可以持续锁定一周以上，降低了人力成本，操作简单方便，参数容易修改，系统易于维护，可较轻松地移植升级到其他平台上，为实现多台激光器的锁定以及F-P腔（法布里—珀罗腔）锁定等功能提供基础。激光器锁定后的频率稳定度受限于反馈回路的响应时间，如果提高采样率和调制波的频率可以加快反馈回路的响应时间和抑制高频信号的噪声。在后续试验中，可更换其他合适的板卡来提高采样率和生成频率更高的调制波以实现更高的频率稳定度。

[1] YE Cun-yun. Tunable External Cavity Diode Lasers[M]. USA, Texas A and M University: World Scientific Publishing, 2004.

[2] 刘涛, 雷宏香, 闫树斌, 等. 激光二极管相对于铯饱和吸收D2线的无调制扰动三次谐波锁频[J]. 光学学报, 2002, 22 (10): 1181-1186.

[3] 马杰, 赵延霆, 赵建明, 等. 利用偏振光谱对外腔式半导体激光器实现无调制锁频[J]. 中国激光, 2005, 32(12): 1605-1608.

[4] 刘杰, 阮军, 马杰, 等. 低漂移外腔半导体激光器驱动电路的设计[J]. 时间频率学报, 2009, 32(2): 96-102.

[5] 柴建中, 韩富春, 苏小林. 基于虚拟仪器技术的频率测量研究[J]. 电力学报, 2006, 21(1): 23-25.

[6] 宋宇峰. LabwindowsCVI逐步深入与开发实例[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[7] 伍建刚, 朱荣明. 基于虚拟仪器的数据采集与处理系统[J]. 洪都科技, 2007, 4: 37-43.

[8] MACADAM K B, STEINBACH A, WIEMAN C. A Narrow-band Tunable Diode Laser System with Grating Feedback and a Saturated Absorption Spectrometer for Cs and Rb[J]. American Journal of Physics. 1992, 60(12): 1098-1111.

[9] DONG Lei, YIN Wang-bao, MA Wei-guang, et al. A Novel Control System for Automatically Locking a Diode Laser Frequency to a Selected Gas Absorption Line[J]. Measurement Science and Technology, 2007, 18(5): 1447-1452.

Automatic Locking System of Extended Cavity Diode Laser Based on LabwindowsCVI

LIU Dan-dan1,2,3, WU Chang-jiang1,2,3, RUAN Jun1,2,3, LIU Jie1,3, ZHANG Shou-gang1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;
3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to reduce the drift of frequency of the external cavity diode laser (ECDL) and improve the frequency stability of ECDL, a digital frequency stabilization method is presented in this paper. Based on the programming language LabwindowsCVI, the data acquisition card was employed to design a digital lock-in amplifier so that the frequency stabilization error signal can be obtained. Through controlling piezoelectric transducer (PZT) voltage by this error signal, the frequency of the ECDL can be locked to the Cs saturated absorption spectrum. The experiment results show that the high frequency stability of 8.7×10-11for 20 s integration time is achieved in this system. The method greatly reduces the device cost, meanwhile, it’s convenient to modify and upgrade the system. It also has characters of good transformation and friendly human-machine interface.

ECDL(extended cavity diode laser); digital frequency stabilization; data acquisition card; PZT(piezoelectric transducer)

TN248.4

A

1674-0637(2010)02-0098-05

2010-03-03

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（200712Z301）；国家自然科学基金资助项目（10834007）；中国科学院重要方向资助项目（KJCX2-SW-T12）

刘丹丹，女，硕士，主要从事原子钟控制方面的研究。