Laser frequency stabilization technology using temperature control and iodine absorption cell technology

测风激光雷达是近30年发展起来的风场探测手段，与传统的微波雷达、探空气球以及声雷达等探测技术相比，其测量精度提高、适应性广泛、时空分辨率高、时间上可连续监测，具有较大的优势^[1]。测风激光雷达采用多普勒测量原理，利用回波信号频率与发射激光频率之差求得由大气风场引起的多普勒频移，进而可以得到径向风速^[2]。

由激光雷达测风原理可知，若发射激光频率在测量期间发生改变，将直接影响测量精度，因此在风场探测之前必须将发射激光频率稳定在±10 MHz以内，然而，实际测风激光雷达中应用的激光器发射频率会存在长期漂移和短期抖动，直接影响风场测量的性能参数。由于测风激光雷达要求激光器出射窄脉冲、频率稳定的激光，采用种子注入技术能压缩脉冲宽度，提高频率的稳定性，由于种子激光器采用压电陶瓷（PZT）对种子激光波长进行调谐，因此温度会影响种子激光波长的稳定性，从而影响主激光器出射激光波长的稳定^[3]。

欧空局星载测风激光雷达于北京时间2018年8月23日顺利发射升空，并完成在轨测试，该系统设计了独立的用于种子激光器的稳频控制系统，采用对激光频率进行扫描并反馈的方法，稳频效果良好^[4]。

中国海洋大学与中国科学院空间技术中心所研制的测风激光雷达系统中^[5-6]，都采用碘分子吸收池对发射激光波长进行稳定。将种子激光器出射的532 nm连续光引入稳频系统，利用碘分子陡峭的吸收谱线将频率稳定在半高处。这种方法的优点在于种子激光器出射的为连续光，对采集的要求降低，但是这种方法稳定的仅是种子激光器频率，而主激光器出射的脉冲光却不得而知。王国成等^[7]采用三级温控方法（系统整体结构、种子激光器以及F-P标准具分别进行温控）对直接测风激光雷达进行稳频，满足测风误差小于1 mm/s的要求。

基于笔者所在课题组的研究适用于长期外场实验，昼夜温差大，对测风激光雷达系统长期稳定性提出了更苛刻的要求，因此文中利用种子激光器温控技术和基于碘分子吸收池的稳频系统将发射激光频率稳定，并利用F-P标准具进行频率锁定，搭建测风激光雷达系统进行实验验证。

多普勒测风激光雷达的测风精度要求激光器具有能量高和频率特性好的特点，目前常用的高功率窄线宽的激光器多采用种子注入技术压缩其脉冲激光器的线宽，即用一个低功率的激光器来控制高功率激光器的激光频率，来获得窄线宽、单纵模的高功率激光输出。

种子注入原理如图1所示，图中的竖线表示主激光器谐振腔的纵模，尖角表示种子激光器的注入信号频率。设注入信号的频率为${v_\rm i}$，主激光器谐振腔中离注入信号频率最近的纵模频率为${v_\rm c}$。当种子信号进入主激光器时，与主激光器自身的本征模形成振荡。如果注入信号的线宽足够窄，比主激光器谐振腔的纵模间隔小得多，则最靠近注入信号频率的纵模受到激发与之发生共振，在种子注入信号的基础上增长，而其他模式仍在自发辐射噪声的基础上增长，由于注入信号场强度比噪声场强度大得多，所以频率为的模占绝对优势，最终实现单纵模输出。

Figure 1.  Principle of seed injection

碘分子的X→B态跃迁在可以见光波段有20000条吸收线，其中在532 nm附近，碘池吸收线相对于Nd:YAG激光器二倍频光的波长较为匹配，所以可以利用碘分子吸收池作滤波和频率鉴别，实验中用1111号吸收线作为频率稳定的吸收线。

利用碘分子吸收线进行激光稳频，主要是通过扫描得出碘分子吸收池的透过率曲线，利用透过率曲线的陡峭边缘将激光频率锁定在其半高位置。当激光频率发生改变时，对应的透过率将会发生变化，将透过率的相对变化作为差分信号进行放大处理，利用探测器检测到光强的变化，并作为驱动信号反馈给种子激光器，种子激光器通过调节出射波长将频率稳定在锁定位置，整个过程形成一个反馈闭环系统^[8-9]。

对于测风激光雷达，发射激光的线宽和频率的稳定性将很大程度影响测风的精度，powerlite9030激光器经种子注入后的线宽为90 MHz，远小于FP标准具的频谱宽度，二者卷积后，对FP标准具透过率谱的半高宽影响很小。该激光器在长期工作过程中，由于其内部产热没有及时传递出去，导致激光频率发生漂移，故在测风实验之前，需要先对激光器在室温环境下进行实时监测，文中将出射激光分出1%的能量进入波长计的耦合透镜中，对发射激光进行4 h的连续监测结果，如图2所示。

Figure 2.  Measured frequency drift diagram of the main laser

由图2可知，在4 h连续监测过程中，激光频率漂移为3.1 GHz，主要因为由于激光器本身产热没有及时地传递出去，导致温度升高使得内部PZT腔长发生变化以及Heater的温度升高，从而发生激光频率漂移现象。对于多普勒测风激光雷达来说，需要激光器出射频率稳定在±10 MHz以内控制精度，如何有效地将激光器产生的热量传递出去，是控制激光器激光频率长期漂移最有效的途径。

为了抑制激光器发射频率的长期漂移，设计并研制一款种子激光器温控箱，其实物如图3所示，该温控箱采用“水浴”的形式对种子激光器进行控温，主要包括两部分：一部分是水循环温控箱，其作用是提供循环水并控制循环水的温度，如图3所示，水循环上的控制面板可以设置水流的温度，以及显示的当前水流的温度，其温度控制精度达到±0.1 ℃，显示温度精度为0.01 ℃；另一部分是恒温箱体，由于铝的导热性好，故利用铝管流通循环水，种子激光器产生的热量辐射到铝板，通过铝板和铝管将进行热量传递，再通过水循环的方式来热量传递，从而实现控温的效果，其中为了避免种子激光器与铝板接触，出现传热不均匀的情况，文中采用殷钢材料圆柱底座作为种子激光器的支撑，来隔离与铝板接触。这种温控箱是利用恒温水循环的方式来使得种子激光器周围环境温度得到稳定。

Figure 3.  Picture of "water bath" temperature control box

图4所示的是利用种子激光器温控箱研究种子激光器环境温度变化对发射激光频率的影响。图中黑线所示的是温度变化曲线，在实验期间，设置温控箱初始温度为25.00 ℃，每隔1 min改变一次温度，每次增加0.1 ℃，从图中可以看出，在发出温度改变指令后，大约在13 s之后达到设定温度，在发出下个温度调节指令前，温度保持恒定，在温度达到26.50 ℃时，每隔1 min减小0.1 ℃，同样在大约在13 s之后温度保持稳定。在监测温度的同时，利用波长计监测发射激光频率的变化，如图中红色曲线所示，在初始温度25.00 ℃时，设此时激光频率为相对零位，可以看出当温度升高时，激光频率减小，往长波方向漂移，反之，激光频率增大，图中两次频率跳变为激光器跳模所致，在风场测量时应将跳模时刻的数据剔除。在工作温度发生变化时，激光频率随温度变化而变化，当温度恒定时，激光频率也随之趋于稳定，可见温控箱对种子激光器环境温度的稳定速度很快。从图中变化趋势可以得出，当种子激光器环境温度改变1 ℃，发射激光频率将改变约1.372 GHz。

Figure 4.  Effect of temperature change on laser frequency

加入温控箱之后，对种子激光器进行6 h连续监测实验，如图5所示，发射激光频率偏移1.1 GHz，较没加温控箱减少约64.5%，效果明显；在2 h以后，种子激光器温度达到相对稳定状态，激光频率趋于稳定，主要在±50 MHz范围内抖动。但对于多普勒测风激光雷达来说，该频率稳定精度仍会引起较大的测量误差，需要进一步压缩频率抖动。

Figure 5.  Frequency shift of the laser after adding temperature control

在抑制了激光频率长期漂移的基础上，为了进一步控制激光频率的短期抖动，即±50 MHz范围内抖动，设计了基于碘分子吸收池的稳频系统，文中采用1111号吸收线进行频率稳定，采用的碘池长度为25 cm，温度控制在70 ℃。

基于碘分子吸收池稳频系统的原理就是将激光波长锁定在1111线边缘的半高宽位置，利用1111吸收谱线的陡峭性，当激光频率抖动时，透过碘吸收池的光强就会有明显的变化，根据光强的变化量就可以得知激光频率的变化量，随即反馈给计算机，通过调节种子激光器中PZT电压将激光频率调到1111线边缘的半高宽位置，即完成频率稳定。

稳频系统实验装置如图6所示，约有1%的发射光进入稳频单元。实验前首先要扫描碘分子1111吸收线的频谱曲线。通过等步长调节种子激光器的PZT电压来实现激光频率扫描，波长计可探测激光波长数值。经分束装置，一束光经过一25 cm长，温度控制在(70±0.03) ℃的碘蒸气池，被PMT1接收；另一束光直接被PMT2探测，由于两个探测器所探测为脉冲信号，低速采集卡很难采集到完整的脉冲波形，这就会导致测量误差，最终导致稳频效果不佳，因此文中实验采用采样率为1 GHz的高速采集卡对脉冲信号进行采集，并将脉冲信号点进行积分运算，得到准确的脉冲信号强度，提高了稳频精度。由PMT1和PMT2的信号比值可得到未经归一化的碘分子1111吸收谱线，如图7所示。

Figure 6.  Experimental device diagram of frequency stabilization system

Figure 7.  1111 absorption line of iodine molecules at 70 ℃

设定吸收线高频一侧两通道比值为0.48处为频率锁定点，当激光频率偏离零点时，该比值会偏离参考值，并且在一定频率范围内，与激光频率偏移量呈近似线性的变化关系。以该比值的偏移量作为误差信号：

式中：R和R₀分别为两通道比值的测量值和设定参考值；$\Delta \nu $为频率偏移；a为对锁频斜边进行线性拟合得到的系数，为0.475。

由于碘分子的热运动会对得到的谱线有一定影响。温度较低时，薄气室屮的分子密度比较小，和激光束作用的分子数较少，严重影响饱和吸收的信号强度；而温度过高时，又会增强由分子碰撞导致的压力增宽，使获得的信号线宽展宽，不利于获得理想的鉴频效果。因此，通过对碘分子池进行温度控制，降低分子无规则热运动的影响，进而有利于抑制压力增宽，同时也有利于获得高信噪比的饱和吸收信号。为了便于对吸收池进行均匀控温，利用空气升温对碘管进行加热，将碘管用夹具固定，悬浮在空中，减小接触，如图8所示为稳频系统实物图，其中碘分子吸收池采用半导体加热，通过智能PID精确控温，其控温精度可达±0.03 ℃，碘管两侧留有通光口，用窗片密封并镀有532 nm增透膜以保证控温精度。

Figure 8.  Picture of frequency stabilization system

激光器稳频实验中，通过调节种子激光器的PZT晶体的电压来改变输出光的频率。改变电压的优点在于调节的速度很快，而且电压相对于温度而言较为容易控制，只是通过调节电压的方法改变频率的范围比较小。由于前期已经通过“水浴”温控技术将出射激光的频率稳定在较小的变化范围内，因此仅仅采用PZT调节完全可以满足小范围频率的改变。

通过改变PZT晶体电压改变波长，需要知道波长（或者频率）与电压变化之间的关系，可以通过实验测量得到。在种子激光器的软件中输入不同的电压，改变激光器的出射光的波长，利用波长计测量出射光的波长，结果如图9所示。

Figure 9.  Relationship between PZT voltage of seed laser and laser frequency

图9中的横坐标为电压的调节值，纵坐标对应532 nm输出的激光频率的相对变化。直线为进行线性拟合的结果，可以看到电压的变化与频率相对改变基本成线性的关系，电压改变1 V对应大约180 MHz的频率相对变化。但是在实验中可以发现，这个关系并不是绝对准确，其误差较大，原因是激光出射的光的能量受到非常多的因素的制约，包括其自身的状态和环境的变化。因而对激光频率的稳定并不能完全按照这个比例进行控制，利用软件进行频率稳定的时候，需要引入PID算法，使控制更加精确。

激光器的结构和参数比较复杂，很难得到精确的数学模型。对于这类被控对象，在工程控制领域，广泛应用PID （比例—积分—微分）控制技术^[10]。比例控制是最简单的控制方式，它输出一个与输入误差信号成比例的反馈信号，但当仅有比例控制时，会存在稳态偏差。引入积分控制可将误差信号随时间累积，产生积分项输出，从而减小甚至消除稳态偏差。而微分控制属于超前校正，一般应用于惯性较大的被控对象，因激光频率对PZT电压的调节很敏感，在此不采用。综上，采用基于计算机软件的数字PI（比例积分）控制方案来稳定激光频率：

式中：e(t)为输入的误差信号；K_p和K_i分别为比例系数和积分系数；u(t)为输出的反馈信号，用来调节种子激光器的PZT电压，即把反馈值与原来的PZT电压值相加，作为新的PZT电压值：

稳频系统搭建完成后，开展了种子注入式脉冲激光器的频率稳定实验，实验中每组采集200个脉冲进行平均，将PMT1和PMT2的比值作为输入信号，对输入信号进行PI运算，由RS232串口向种子激光器输出反馈信号，调节PZT电压，从而调节激光频率回到设定的零点。如图10中所示，是该次实验的频率稳定结果，在长达4 h内，频率最大偏移小于8 MHz。

Figure 10.  Frequency stabilization within 4 h

通过稳频技术将激光频率锁定在±8 MHz之内，如图10所示，激光频率在±8 MHz范围内抖动，使得风速测量误差可达到2 m/s误差，故需要利用F-P标准具频谱与激光器频率进行相对锁定技术，即当出射激光频率偏移两个边缘通道频谱交叉点时，锁频程序将根据出射激光频率的偏移量自动调节FP标准具腔长，使得FP标准具的两个边缘通道频谱交叉点重新移动至出射激光频率所在位置。

图11所示为4 h内的频率锁定结果。从图中可以看出，在4 h内，由于采用了发射激光频率稳定技术，F-P标准具腔长最大移动量为7.4 MHz，即两个步长（1个步长对应3.7 MHz），且绝大部分时间激光频率稳定在一个步长之内，由此可以侧面验证发射激光频率的稳定性。

Figure 11.  Result of using frequency lock technology for 4 h

在研究稳频和锁频技术的基础上，搭建了基于三通道F-P标准具的532 nm瑞利-米多普勒测风激光雷达系统。系统出射激光波长为532 nm，能量为400 mJ，重复频率为30 Hz，采用口径为300 mm的卡塞格林望远镜接收回波信号，并通过芯径0.2 mm、数值孔径为0.11的多模光纤将回波信号传送至接收机中，视场为0.1 mrad。在2020年5月18日晚进行径向风速测量，获得连续4组同一方向径向风速，测量时天顶角为27.18°，在空间分辨率为75 m，时间分辨率2 min的情况下，观测结果如图12所示。

Figure 12.  Four consecutive observations results of radial wind velocity in the same direction

由图12可知，4组连续探测的径向风速廓线吻合度较好，探测高度可到17 km，绝大部分方差小于4 m/s，最大方差为4.8 m/s；该方差由雷达系统风场测量不确定误差和8 min内探测区域大气风速变化两部分构成，验证了系统的稳定性。

由测风激光雷达原理可知，若发射激光频率在测量期间发生改变，将直接影响测量精度，因此在风场探测之前首先将发射激光频率稳定。发射激光频率存在长期漂移和短期抖动，通过对种子激光器进行温控来减小激光频率的长期漂移，为此设计并研制出一款种子激光器温控箱，通过“水浴”控温的方式使激光频率在±50 MHz以内抖动，针对激光频率的短期抖动，设计了以碘分子吸收池为核心的稳频反馈系统，将激光频率稳定在碘分子谱线的半高处，最终将发射激光频率稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内设计要求；通过F-P标准具进行相对锁频将出射激光频率始终稳定在两个边缘通道交叉点附近；通过对同一方向径向风速多次测量得到：利用稳频技术和锁频技术，可以使得径向风速多次测量的方差在4.8 m/s之内，整个测风激光雷达系统的探测高度可达17 km。