基于FPGA的PDH激光稳频数字化实现
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摘要: 传统Pound-Drever-Hall（PDH）技术使用模拟器件来对激光器进行主动稳频，系统自身体积庞大，控制过程复杂，难以满足空间引力波探测等新型应用场景对稳频系统小型化和自动化的要求。本文在鉴频信号寻峰方面特别设计了一种基于后向差分的自动寻峰算法，可以有效减少稳频过程中的人为因素影响。该方法通过比较连续信号峰的时间宽度来完成信号主峰寻找以及控制状态切换，避免了常规阈值法的固有缺陷。且在此基础上设计搭建了一套基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字稳频系统，该系统将稳频伺服反馈控制中的各分立部件全部数字化并集成到单块FPGA内，构建了以压电陶瓷为执行器的快速伺服反馈环路。稳频系统首先利用幅度解调方法在本地得出鉴频信号，再通过所设计的后向差分算法实现自动寻峰，最终在锁频点处开启伺服控制器，并利用增量式数字PID算法成功将商用Nd:YAG激光器频率锁定到精细度为35000的10cm法布里-珀罗腔谐振峰频率上。功能测试实验中系统的锁频时长为半小时，波长计测量数据显示相对频率漂移小于2MHz。该结果验证了所设计的自动寻峰算法有效性，也表明FPGA是一种实现全数字化激光稳频控制的有效途径。Abstract: 传统Pound-Drever-Hall（PDH）技术使用模拟器件来对激光器进行主动稳频，系统自身体积庞大，控制过程复杂，难以满足空间引力波探测等新型应用场景对稳频系统小型化和自动化的要求。本文在鉴频信号寻峰方面特别设计了一种基于后向差分的自动寻峰算法，可以有效减少稳频过程中的人为因素影响。该方法通过比较连续信号峰的时间宽度来完成信号主峰寻找以及控制状态切换，避免了常规阈值法的固有缺陷。且在此基础上设计搭建了一套基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字稳频系统，该系统将稳频伺服反馈控制中的各分立部件全部数字化并集成到单块FPGA内，构建了以压电陶瓷为执行器的快速伺服反馈环路。稳频系统首先利用幅度解调方法在本地得出鉴频信号，再通过所设计的后向差分算法实现自动寻峰，最终在锁频点处开启伺服控制器，并利用增量式数字PID算法成功将商用Nd:YAG激光器频率锁定到精细度为35000的10cm法布里-珀罗腔谐振峰频率上。功能测试实验中系统的锁频时长为半小时，波长计测量数据显示相对频率漂移小于2MHz。该结果验证了所设计的自动寻峰算法有效性，也表明FPGA是一种实现全数字化激光稳频控制的有效途径。
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