實驗名稱：鎖相環穩定重復頻率的系統分析

實驗內容：針對重復頻率的漂移，引入兩套鎖相環系統反饋控制兩個激光器的重復頻率，將其鎖定在同一個穩定的時鐘源上。本章主要闡述了經典鎖相環的原理，穩定重復頻率的鎖相環理論和關鍵器件，以及結果分析。

測試設備：高壓放大器、光電探測器、低通濾波器、比例積分控制器、PZT等。

圖1：穩定重復頻率的鎖相環系統結構圖

實驗過程：

系統結構圖如圖1所示，從NPR鎖模光纖激光器耦合出一部分光進入光電探測器，其帶寬為5GHz，將光信號轉化為電信號，同時提取出重復頻率。該電信號隔直流（DCBlock）之后與一個穩定的時鐘源輸出的射頻信號同時進入混頻器，即鑒相器，重復頻率與時鐘源輸出的射頻信號混頻，得到差頻信號與和頻信號，差頻信號是所需要的誤差信號，經過低通濾波器（LPF）濾除和頻信號，差頻信號進入比例積分（PI）控制器，這里LPF和PI控制器共同組成鎖相環的環路濾波器，PI控制器輸出后的誤差電壓信號其范圍為–10V~+10V，不足以驅動壓電陶瓷（PZT），先進入高壓放大器（HVAMP）放大十倍后施加給PZT，不同的電壓值引起PZT的伸縮量不同，基本呈現線性關系。PZT在光纖形成的激光器腔中無法直接改變腔長，借助平移臺，PZT驅動平移臺移動，并且將光纖腔繞在平移臺上，從而實現PZT的伸縮引起腔長的變化來調節激光器重復頻率，形成了重復頻率跟蹤時鐘源射頻信號的閉環電路。當激光器的重復頻率和時鐘源的參考頻率一致時，誤差電壓變為一個直流量，PZT狀態穩定，激光器的重復頻率穩定在時鐘源的參考頻率上。一旦外界環境對激光器腔出現干擾，打破穩定狀態，誤差電壓信號出現抖動反饋再次起作用，調節腔長使得重復頻率快速恢復穩定。當建立一套穩定第一個鎖模激光器重復頻率的鎖相環系統之后，重復整個鎖相環系統鎖定第二個鎖模激光器的重復頻率，并且其使用的參考頻率是由同一個時鐘源產生，保證了兩個激光器其重復頻率之間的相對穩定性。

實驗結果：

圖2：鎖相環中間鏈路各點時域波形

成功搭建鎖相環之后，對鎖相環的中間鏈路點進行了測試。圖2(a)表示了重復頻率與時鐘源的參考頻率混頻后的誤差電壓信號，從圖中可以看到包絡下仍有振蕩紋，說明既有差頻信號，也包含了和頻信號。圖2(b)表示誤差電壓信號經過低通濾波器后的波形，濾取出了差頻。圖2(c)表示了經過PI控制器的作用后的誤差電壓信號，圖2(d)表示達到穩定狀態后的誤差電壓信號變為直流。

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審核編輯 黃宇