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應用于激光器鎖頻的全數字伺服模塊
穩定激光器在科研研發領域的應用日益廣泛。為滿足多樣化需求，頻準激光基于模擬鎖定方案，已實現了從原子分子穩頻、超穩腔穩頻，到光梳穩頻的頻率鎖定，并提供完整解決方案。為了滿足客戶和產品的需要，開發了基于全數字的伺服模塊，采用高性能調制鎖定技術，可將激光頻率精準鎖定至參考腔或原子躍遷。
數字伺服模塊的主要特點
- 基于FPGA的全數字實現
- 完善的鎖頻功能：調制、解調、掃頻、鎖定
- 具備慢速和快速反饋通道，支持各種鎖定需求
- 結構緊湊，體積大幅縮小
- 低噪聲，低延時設計，鎖定指標與模擬方案接近
- 自動鎖定/自動回鎖
數字伺服模塊的外觀和界面
數字伺服模塊內部只由1塊PCB電路板組成，電路尺寸經過優化設計，大小只有13.5cm X 10cm，安裝后外觀如圖1。
圖1 數字伺服模塊外觀
控制上，軟件設計了快慢速兩個反饋通道，每個通道均設置了2級PID控制單元，可以根據實際需要，只使用快速或者慢速通道，或者同時使用。上位機控制界面如圖2所示。
圖2 數字伺服上位機控制界面
數字伺服模塊的主要指標
伺服模塊支持調制轉移（MTS）、PDH等穩頻方式，主要指標如表1所示。
表1 主要性能指標
數字伺服模塊參考用例
使用數字伺服模塊，進行了PDH穩頻測試，并與模擬伺服進行了對比。
鎖定帶寬
對同一臺PDH激光器系統，使用伺服鎖定后，使用頻譜儀觀察誤差信號。
圖3.a 數字伺服鎖定帶寬
圖3.b 模擬伺服鎖定帶寬
如圖3所示，相對于數字伺服，模擬伺服沒有數字處理的延時，在鎖定帶寬上具有明顯的優勢，但數字伺服的鎖定帶寬也達到了1MHz，能滿足激光器鎖頻需求。
鎖定效果
將兩臺激光器通過PDH鎖定后，將輸出激光進行拍頻測試，從而判斷鎖頻性能，并對其中一臺替換為使用數字伺服進行鎖定，進行對比。
圖4 Allan偏差對比
如圖4所示，為對頻率計數器統計結果的Allan偏差計算對比，無論是在1s處，還是長穩，數字伺服鎖定后的頻率穩定性均接近模擬伺服。
同時，還對拍頻信號的線寬進行了測試，如圖5所示，線寬不超過1Hz，證明數字伺服能達到很好的頻率穩定性。
圖5 數字伺服鎖定后拍頻信號線寬
使用伺服完成MTS鎖頻展示
關于頻準
上海頻準激光科技股份有限公司成立于2017年，是國家高新技術企業和國家級專精特新小巨人企業。于上海市嘉定區徐行鎮張江科技示范園，現有員工四百多人，其中博士十余名，高級工程師多名。頻準激光致力于高端單頻光纖激光器的研發與生產，為國家重大項目提供了國際一流的激光技術和產品。
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