黃 聰，張圣梓，王 將，常建華

(1. 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于激光雷達(dá)的研究已有多年的積累。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)在大氣科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、軍事等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1～4]。起初，激光雷達(dá)被用來(lái)測(cè)距，接著逐漸被用于制導(dǎo)及跟蹤。隨著氣候環(huán)境問(wèn)題日益突出，大氣探測(cè)激光雷達(dá)問(wèn)世，其具有時(shí)空分辨率高、探測(cè)精度高的特點(diǎn)，為測(cè)量大氣中氣溶膠、氣體組分、溫度和風(fēng)速等參數(shù)提供了可靠的技術(shù)支持。在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[5,6]能夠根據(jù)多普勒頻移反演計(jì)算出徑向風(fēng)速，其探測(cè)方式有直接探測(cè)與外差探測(cè)兩種方式[7,8]，前者檢測(cè)回波信號(hào)與出射信號(hào)的相對(duì)能量變化，后者檢測(cè)回波信號(hào)與出射信號(hào)的差頻信號(hào)。

由多普勒測(cè)風(fēng)原理可知,激光的頻率漂移會(huì)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量產(chǎn)生影響[9,10]。差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)向大氣中發(fā)射兩束波長(zhǎng)相近的激光束，其中一束對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體的吸收峰，另一束對(duì)應(yīng)吸收谷，利用回波信號(hào)的強(qiáng)度差異可以反演出待測(cè)氣體濃度，而回波信號(hào)的強(qiáng)度與激光發(fā)射波長(zhǎng)密切相關(guān)，若對(duì)應(yīng)強(qiáng)吸收峰處的激光波長(zhǎng)發(fā)生偏移會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生巨大變化，因而反演出的氣體濃度會(huì)出現(xiàn)較大偏差[11,12]。高光譜分辨率激光雷達(dá)(HSRL)根據(jù)大氣分子和氣溶膠的后向散射光譜線的不同，利用濾光器實(shí)現(xiàn)這兩種信號(hào)的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的反演，同時(shí)可以利用因大氣分子的熱運(yùn)動(dòng)所造成的多普勒加寬與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量。由高光譜分辨激光雷達(dá)探測(cè)原理可知，必須保證所使用的濾光器與發(fā)射激光的頻率保持匹配狀態(tài)，否則將影響溫度的測(cè)量精度。由此可見(jiàn)，想要對(duì)大氣參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量與反演，必須使用激光穩(wěn)頻技術(shù)來(lái)提高激光雷達(dá)光源的長(zhǎng)期、短期頻率穩(wěn)定性[13～15]。

2 大氣探測(cè)激光雷達(dá)穩(wěn)頻原理

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，大氣激光雷達(dá)的應(yīng)用研究愈加豐富，若想要更精確地探測(cè)大氣參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)光源的頻率穩(wěn)定性就有著更嚴(yán)苛的要求。在研究激光穩(wěn)頻的初期，被動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)[16]被提出，該技術(shù)在原有系統(tǒng)上采用恒溫控流、防震隔聲等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻，但其穩(wěn)頻精度低，頻率穩(wěn)定度約為10-7，這顯然不能滿足如今高精度探測(cè)的需求。現(xiàn)今，主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)[17～20]已日趨成熟，利用該技術(shù)穩(wěn)頻后的光源抗干擾能力更強(qiáng)，并有著更高的穩(wěn)頻精度，頻率穩(wěn)定度約10-12～10-17。主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)通常會(huì)選擇一個(gè)穩(wěn)定的頻率參考，當(dāng)待鎖定的激光頻率偏離該參考時(shí)，通過(guò)鑒頻手段產(chǎn)生誤差信號(hào)并將其輸入到伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)輸出控制信號(hào)來(lái)控制激光器，從而使激光頻率調(diào)整到頻率參考上，完成系統(tǒng)光源的穩(wěn)頻。

目前很多大氣探測(cè)激光雷達(dá)采用種子注入技術(shù)[21～23]將連續(xù)、小功率、性能優(yōu)良的光信號(hào)注入到脈沖激光器中進(jìn)行放大，來(lái)獲得大氣探測(cè)所需的高質(zhì)量、窄線寬、高功率的激光脈沖[24]。通過(guò)對(duì)氣體吸收池的精確控溫或光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)的精準(zhǔn)控制來(lái)鎖定脈沖激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，從而提高大氣參數(shù)測(cè)量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確性，因此保證種子激光器穩(wěn)定的重要性不言而喻。圖1為大氣探測(cè)激光雷達(dá)穩(wěn)頻示意圖。

圖1 大氣探測(cè)激光雷達(dá)穩(wěn)頻示意圖Fig.1 Schematic diagram of frequency stabilization of atmospheric detection lidar

3 激光雷達(dá)光源穩(wěn)頻技術(shù)

目前，應(yīng)用于大氣探測(cè)激光雷達(dá)中的穩(wěn)頻技術(shù)有：頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻技術(shù)(FMS)、相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻技術(shù)(PDH)、基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)、偏頻鎖定技術(shù)。這些穩(wěn)頻方法通常需要用到光外差檢測(cè)技術(shù)與性能優(yōu)良的伺服系統(tǒng)，下文將先對(duì)光外差檢測(cè)技術(shù)與伺服系統(tǒng)進(jìn)行介紹，接著對(duì)以上幾種穩(wěn)頻技術(shù)進(jìn)行介紹。

光學(xué)中的光外差檢技術(shù)與電子學(xué)中的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)相似。將光學(xué)系統(tǒng)的回波光信號(hào)與本振光信號(hào)在光電探測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻，混頻信號(hào)中的差頻或拍頻項(xiàng)頻率相較于光頻慢很多，因而只需保證其頻率低于探測(cè)器的截止頻率，探測(cè)器就會(huì)輸出電流，最終經(jīng)過(guò)解調(diào)可以反演出所需探測(cè)的相關(guān)參數(shù)[25～29]。圖2為光外差檢測(cè)原理示意圖。

圖2 光外差檢測(cè)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical heterodyne detection principle

主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)中最核心的部分就是需要搭建一套閉環(huán)的反饋控制回路，通過(guò)反饋控制激光的輸出頻率，其中伺服系統(tǒng)便扮演著反饋回路的角色，其性能的優(yōu)劣關(guān)系到穩(wěn)頻的效果。將前文介紹的外差信號(hào)輸入到鑒頻或鑒相電路中，并將輸出信號(hào)通過(guò)濾波放大電路得到誤差信號(hào)，接著將誤差信號(hào)送入比例-積分-微分(PID)控制器中[30，31]，根據(jù)PID控制器各模塊的不同特點(diǎn)，通過(guò)選擇單個(gè)或多個(gè)模塊組成不同的控制器，同時(shí)細(xì)心調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)得到一個(gè)較優(yōu)的反饋控制信號(hào)給溫度模塊與電流模塊(其中溫度模塊可對(duì)激光器工作中產(chǎn)生的慢頻漂進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，電流模塊可對(duì)快頻漂進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié))[32]，進(jìn)而達(dá)到控制激光器工作溫度與工作電流的功能，實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)頻。圖3為伺服系統(tǒng)示意圖。

圖3 伺服系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of servo system

3.1 頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻技術(shù)

頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻技術(shù)(FMS)是一種調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)[33]。其原理是將出射激光經(jīng)過(guò)電光相位調(diào)制器(EOM)進(jìn)行頻率調(diào)制，使得激光載波兩側(cè)生成等幅反相的弱邊帶，如果將激光頻率穩(wěn)定在氣體吸收池的吸收峰上，則探測(cè)器拍頻信號(hào)為零，若激光頻率發(fā)生偏移，調(diào)制光通過(guò)氣體池時(shí)會(huì)被非對(duì)稱吸收，其幅度與相位便會(huì)發(fā)生變化，因此探測(cè)器輸出的拍頻信號(hào)不為零，將此拍頻信號(hào)與本振調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)移位器后進(jìn)行混頻，再通過(guò)濾波得到鑒頻信號(hào)即誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)輸入伺服系統(tǒng)后輸出控制信號(hào)到激光器上，從而控制激光波長(zhǎng)，將其鎖定在氣體吸收池的吸收峰中心，完成激光的鎖定。圖4為FMS穩(wěn)頻原理示意圖。

圖4 FMS穩(wěn)頻原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of FMS frequency stabilization

3.2 相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻技術(shù)

相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻技術(shù)(PDH)[34]與FMS原理相似，區(qū)別在于PDH有著更高的調(diào)制頻率，其通常將激光頻率穩(wěn)定在一個(gè)高Q值的F-P超穩(wěn)腔上，穩(wěn)頻效果優(yōu)于FMS穩(wěn)頻。該穩(wěn)頻技術(shù)原理是將出射激光經(jīng)過(guò)EOM后產(chǎn)生調(diào)制光，當(dāng)激光頻率偏離超穩(wěn)腔的共振頻率時(shí)，調(diào)制光經(jīng)過(guò)F-P超穩(wěn)腔反射后，其幅度和相位發(fā)生變化，導(dǎo)致拍頻信號(hào)不能相互抵消，因而探測(cè)器會(huì)輸出一個(gè)包含調(diào)制頻率的信號(hào)，經(jīng)過(guò)鑒相后通過(guò)伺服系統(tǒng)將激光器的頻率鎖定在F-P腔的共振頻率上。得益于F-P諧振腔共振模式的梳狀結(jié)構(gòu)，PDH理論上可以不受波長(zhǎng)的限制，從而可以對(duì)不同波長(zhǎng)的激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，避免了FMS因原子/分子能級(jí)的限制導(dǎo)致可供穩(wěn)頻波段較短的缺點(diǎn)。圖5為PDH穩(wěn)頻示意圖。

圖5 PDH穩(wěn)頻示意圖Fig.5 Schematic diagram of PDH frequency stabilization

3.3 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)

基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)是一種非調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)[35]。其原理是將輸出的激光進(jìn)行分束，一束直接由光電探測(cè)器探測(cè)，另外一束經(jīng)過(guò)氣體吸收池后由同型的光電探測(cè)器探測(cè)。將激光頻率鎖定在氣體吸收池透過(guò)率曲線陡峭邊緣的半高位置附近，若激光的頻率發(fā)生改變，則其所對(duì)應(yīng)的透過(guò)率將會(huì)發(fā)生巨大變化，利用探測(cè)器檢測(cè)光強(qiáng)的變化，將透過(guò)率的相對(duì)變化作為誤差信號(hào)輸入到伺服系統(tǒng)進(jìn)行處理，接著伺服系統(tǒng)輸出反饋信號(hào)到激光器上，保持透過(guò)光強(qiáng)相對(duì)不變，完成對(duì)激光頻率的鎖定。圖6為基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)示意圖。

圖6 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency locking technology based on atomic/molecular absorption lines

3.4 偏頻鎖定技術(shù)

偏頻鎖定技術(shù)(offset locking)是一種將一束待鎖定的激光鎖定到另一束穩(wěn)定的參考激光上的非調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)[36]。該技術(shù)對(duì)參考激光的頻率穩(wěn)定性要求較高，參考激光的頻率穩(wěn)定性決定了待穩(wěn)定激光器的頻率穩(wěn)定性。在選擇好一束穩(wěn)定的參考激光后，需要保證待鎖定的激光與參考激光之間有一個(gè)頻率差，該條件可以由這兩束激光在高速光電探測(cè)器上拍頻得到，將拍頻信號(hào)輸入到混頻器中，同時(shí)本地振蕩器輸出一個(gè)與拍頻信號(hào)同頻的信號(hào)到混頻器中，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻、濾波后輸入到伺服系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)偏頻鎖定。圖7偏頻鎖定示意圖。

圖7 偏頻鎖定示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency offset locking and frequency stabilization

以上4種穩(wěn)頻技術(shù)中，頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻技術(shù)和相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、具有光外差檢測(cè)與外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，即控制激光器時(shí)，不會(huì)因內(nèi)調(diào)制而引入額外的本底噪聲，同時(shí)誤差信號(hào)有著較大的斜率，這意味著應(yīng)用這兩種穩(wěn)頻技術(shù)的系統(tǒng)有著較高的靈敏度，從而保證了高精度的頻率穩(wěn)定，但這兩種穩(wěn)頻技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如調(diào)制晶體可能會(huì)因雙折射效應(yīng)等其他因素產(chǎn)生殘余振幅調(diào)制(RAM)[18，37]，這將會(huì)影響誤差信號(hào)的質(zhì)量，進(jìn)而干擾到激光器的穩(wěn)頻。

另外，這兩種穩(wěn)頻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如特殊的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或氣體吸收池的嚴(yán)格控溫，這都增加了實(shí)驗(yàn)的操作難度與成本[38]。基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)與偏頻鎖定技術(shù)未采用調(diào)制穩(wěn)頻，其中基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)且成本較低，該技術(shù)的抗干擾能力一般，存在頻率跳變易脫鎖的問(wèn)題[39]，同時(shí)，該技術(shù)對(duì)所選擇的氣體吸收池的透過(guò)率曲線有較高的要求，因此需要對(duì)氣體吸收池的溫度進(jìn)行精確控制；偏頻鎖定技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)激光器的穩(wěn)頻[40]，但其頻率穩(wěn)定度取決于參考激光器，因此該穩(wěn)頻技術(shù)需要高穩(wěn)定的參考激光器，這意味著實(shí)驗(yàn)成本可能較高。表1對(duì)這4種穩(wěn)頻技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

表1 穩(wěn)頻技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of frequency stabilization techniques

4 穩(wěn)頻技術(shù)在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中的應(yīng)用

4.1 頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻技術(shù)

2010年美國(guó)宇航局Kenji Numata等[41]采用FMS穩(wěn)頻技術(shù)，利用緊湊型電光相位調(diào)制器來(lái)減少RAM，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)CO2多程反射參考?xì)馐襾?lái)增加吸收光程，通過(guò)控制電流、溫度，成功地將主激光器的激光頻率鎖定到CO2的吸收線中心 1 572.335 nm 處，最終在72 h以0.8 s的平均時(shí)間將其峰間頻率漂移抑制在0.3 MHz以內(nèi)。從激光器使用偏頻鎖定技術(shù)將激光頻率偏頻鎖定到主激光器上，其有著跟主激光器幾乎相同的MHz精度的絕對(duì)頻率穩(wěn)定度，該單位研制的基于光纖的脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于測(cè)量全球的CO2混合比，精度可達(dá)1×10-6。圖8為分布式反饋激光器(DFB)穩(wěn)頻裝置示意圖。

圖8 DFB穩(wěn)頻裝置示意圖[41]Fig.8 Schematic diagram of DFB frequency stabilizing device

2014年中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所劉豪等基于FMS穩(wěn)頻技術(shù)研制的差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)，選擇CO2氣體吸收池作為吸收物質(zhì)，將吸收峰波長(zhǎng)穩(wěn)定在1 572.018 nm處，測(cè)得吸收峰波長(zhǎng)在4 h的頻率穩(wěn)定性達(dá)到0.05 pm以內(nèi)，在450 m的積分路徑和1 s的積分時(shí)間取得了優(yōu)于3.39×10-6的CO2探測(cè)精度[42]；2020年，同單位洪光烈等在 1 550 nm 波段使用聲光調(diào)制器(AOM)替代EOM解決了直流偏置電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題，通過(guò)FMS技術(shù)將激光波長(zhǎng)鎖定在1 572.335 nm處，測(cè)得On-line激光器波長(zhǎng)在12 h內(nèi)均方根誤差小于0.05 pm，將穩(wěn)頻后的路徑積分差分吸收激光雷達(dá)(IPDA)對(duì)上海市虹口區(qū)的CO2進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，IPDA所探測(cè)的數(shù)據(jù)與其他探測(cè)器的測(cè)量數(shù)據(jù)吻合[43]，短時(shí)探測(cè)精度可達(dá)4×10-6。2017年杜娟等為了達(dá)到1×10-6高精度探測(cè)CO2的要求，基于FMS技術(shù)，選用長(zhǎng)度為10 m，氣壓為70 mbar的氣體吸收池，將種子激光精確鎖定在CO2的R18吸收線上，在8 h以0.1 s的平均時(shí)間將均方根頻率漂移控制在50 KHz以內(nèi)，得到了較高的短期頻率穩(wěn)定性，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然不夠理想。通過(guò)種子注入光參量振蕩器(OPO)搭建了一套可用于CO2濃度測(cè)量的1 572 nm雙脈沖積分路徑差分吸收激光雷達(dá)，其測(cè)量的二氧化碳柱平均干空氣混合比(XCO2)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.42×10-6，測(cè)量精度達(dá)到0.56%；2020年，重點(diǎn)分析了吸收池、EOM對(duì)穩(wěn)頻性能的影響，根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)確定了長(zhǎng)度為12 m、氣壓為40 mbar的氣體吸收池，并將調(diào)制頻率設(shè)置為120 MHz，完成了對(duì)穩(wěn)頻系統(tǒng)的改良，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得優(yōu)化過(guò)后的激光頻率抖動(dòng)峰峰值在150 kHz，在1 000 s以內(nèi)頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-10，其優(yōu)秀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性將來(lái)可應(yīng)用于星載二氧化碳激光雷達(dá)[44～46]。

4.2 相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻技術(shù)

2008年周軍等在國(guó)家“863”工程項(xiàng)目支持下，使用PDH穩(wěn)頻技術(shù)將激光頻率穩(wěn)定在F-P腔的共振頻率上，在1 h的運(yùn)行時(shí)間里，絕對(duì)頻率漂移小于0.2 MHz，其頻率穩(wěn)定性很好地滿足了多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的要求[47]。2012年卞正蘭利用PDH穩(wěn)頻技術(shù)搭建了一套全自動(dòng)的穩(wěn)頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)在2.5 h內(nèi)激光頻率的相對(duì)偏移不超過(guò)±17 kHz，其優(yōu)于 200 kHz 的絕對(duì)頻率穩(wěn)定度可應(yīng)用于多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[19]。2019年北京理工大學(xué)光電學(xué)院高春清教授課題組將1 470 nm泵浦光通過(guò)自制的非平面環(huán)形振蕩腔(NPRO)產(chǎn)生連續(xù)的1 645 nm種子激光，利用種子注入技術(shù)、PDH穩(wěn)頻技術(shù)將種子激光經(jīng)過(guò)聲光晶體(AOM)后的一級(jí)衍射光注入從激光振蕩腔中，通過(guò)調(diào)節(jié)激光振蕩器中平面鏡M3上的壓電陶瓷來(lái)控制腔長(zhǎng)，使腔長(zhǎng)能與種子激光頻率匹配與鎖定，最終輸出的1 645 nm脈沖激光的頻率穩(wěn)定度為525 kHz，這種高穩(wěn)定的單頻激光器適宜作為相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的高質(zhì)量光源[48]。圖9為該實(shí)驗(yàn)的PDH穩(wěn)頻裝置示意圖。

圖9 基于PDH穩(wěn)頻技術(shù)調(diào)QEr:YAG激光器的裝置示意圖[48]Fig.9 Experimental setup of a frequency stabilized,Q-switched Er:YAG laser based on the PDH method

4.3 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)

2016年中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心郭文杰等通過(guò)分析壓電陶瓷(PZT)調(diào)頻與溫度調(diào)頻之間的關(guān)系，將PZT調(diào)頻電壓作為溫度調(diào)頻的輸入來(lái)修正激光頻率的漂移量，并將激光頻率鎖定在碘分子1111吸收線的右側(cè)邊緣上得到了穩(wěn)定的激光輸出，鎖頻精度約為350 kHz，穩(wěn)頻后的激光可為后續(xù)激光雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)提供保障[49]。2019年西安理工大學(xué)閆慶等人基于分子吸收譜線技術(shù)給HSRL搭建了一套脈沖激光鎖頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇328 K時(shí)碘分子1109吸收線左側(cè)線性區(qū)作為鑒頻曲線，通過(guò)調(diào)整PID控制電路電壓對(duì)種子激光器PZT、晶體溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了激光頻率的微調(diào)，輸出的激光頻率漂移穩(wěn)定在2.2 MHz以內(nèi)，得到的實(shí)測(cè)風(fēng)速測(cè)量誤差在0.6 m/s以內(nèi)，溫度測(cè)量誤差在0.5 K以內(nèi)，圖10為脈沖激光動(dòng)態(tài)鎖頻系統(tǒng)圖[50]。

圖10 脈沖激光動(dòng)態(tài)鎖頻系統(tǒng)圖[50]Fig.10 Diagram of pulse laser dynamic frequency locking system

2020年安徽光機(jī)所王邦新等使用二級(jí)穩(wěn)頻的方法對(duì)室溫、F-P標(biāo)準(zhǔn)具的溫度進(jìn)行精確控制，縮小了溫漂[51]。2021年同單位李路專門為種子激光器設(shè)計(jì)了一個(gè)溫控箱用來(lái)抑制激光頻率的長(zhǎng)期漂移，接著使用基于分子吸收譜線的鎖頻技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)頻，同時(shí)利用PID控制技術(shù)對(duì)長(zhǎng)度為25 cm，溫度約70 ℃的碘吸收池進(jìn)行精確控溫，從而優(yōu)化了短期漂移，在 4 h 內(nèi)使得種子激光頻率鎖定在±8 MHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)徑向風(fēng)速廓線的探測(cè)，探測(cè)高度可達(dá)17 km，最大方差為4.8 m/s，而未鎖定前的最大方差為 6.9 m/s[52]。不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)頻的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

4.4 偏頻鎖定技術(shù)

2006年納沙泰爾天文臺(tái)Matthey等研制了935 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可用于水蒸氣探測(cè)的四波長(zhǎng)光學(xué)參考系統(tǒng)[53]。該系統(tǒng)利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)(WMS)將3個(gè)On-line激光波長(zhǎng)鎖定在不同強(qiáng)度的水蒸氣吸收線上，利用偏頻鎖定技術(shù)對(duì)Off-line激光器波長(zhǎng)進(jìn)行偏頻鎖定，在測(cè)量?jī)x器的探測(cè)極限下，鎖定在最強(qiáng)吸收線的激光的頻率穩(wěn)定性在15 MHz以內(nèi)的時(shí)間超過(guò)了1天，該激光滿足了DIAL激光發(fā)射器的性能要求，若將其作為振蕩器的種子光源時(shí)，能夠有效提升差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果的精確度。2011年日本國(guó)家信息和通信技術(shù)研究所(NICT)Shoken IshII等利用FMS穩(wěn)頻技術(shù)將MO-I激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定在CO2的R30吸收線上，并成功將激光的頻率穩(wěn)定性鎖定在160 kHz以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間在13小時(shí)以上；將MO-I與MO-II激光器的激光在高速光電探測(cè)器上進(jìn)行混頻，同時(shí)使用鎖相環(huán)(PLL)控制所需要的激光頻率偏移，MO-II激光器的頻率被鎖定在190 kHz以內(nèi)；MO-III激光器的波長(zhǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔溫度與壓電元件來(lái)控制[54]。在2010年和2011年利用穩(wěn)頻后的2 μm相干差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量了海拔0.4～1.0 km的XCO2，經(jīng)過(guò)仔細(xì)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，2010年測(cè)得的XCO2值與機(jī)載儀器的測(cè)量值之差小于4.1×10-6，精度優(yōu)于1%，圖11為偏頻鎖定裝置示意圖。

圖11 偏頻鎖定裝置示意圖[54]Fig.11 Schematic diagram of frequency offset locking device

2020年日本三菱電機(jī)信息技術(shù)研發(fā)中心Masaharu Imaki等將FMS穩(wěn)頻技術(shù)與偏頻鎖定技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的鎖定[55]。首先該單位利用FMS穩(wěn)頻技術(shù)將其中一個(gè)激光器的波長(zhǎng)鎖定到氰化氫(HCN)的R18吸收線上，使得該激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到0.07 pm以內(nèi);接著將穩(wěn)頻激光與待鎖定激光進(jìn)行拍頻，利用濾波器的邊緣透過(guò)率與偏頻鎖定技術(shù)將待鎖定激光調(diào)節(jié)到水汽的吸收線上，使其波長(zhǎng)的頻率穩(wěn)定性達(dá)到0.102 pm。該單位使用穩(wěn)頻后的1.53 μm相干差分吸收激光雷達(dá)對(duì)水汽密度與風(fēng)速進(jìn)行了精確探測(cè)，測(cè)得的水汽密度光譜的隨機(jī)誤差為0.56 g/m3；測(cè)量的水汽/風(fēng)的垂直剖面能夠以100 m的分辨率顯示，圖12為其波長(zhǎng)鎖定原理圖。

圖12 波長(zhǎng)鎖定原理圖[55]Fig.12 Schematic diagram of wavelength locking

5 結(jié) 論

本文針對(duì)大氣探測(cè)激光雷達(dá)應(yīng)用過(guò)程中因激光頻率不穩(wěn)定而導(dǎo)致大氣參數(shù)測(cè)量精確度變差的問(wèn)題，分析了目前普遍采用的4種應(yīng)用于大氣探測(cè)激光雷達(dá)的激光穩(wěn)頻技術(shù)，并詳細(xì)描述了各種技術(shù)應(yīng)用于激光雷達(dá)中的方法和范例。

隨著大氣探測(cè)激光雷達(dá)的不斷發(fā)展，研究者們對(duì)精確測(cè)量研究大氣中更多成分的需求也隨之提高，對(duì)激光雷達(dá)抗干擾能力的要求愈加嚴(yán)格，未來(lái)基于穩(wěn)頻技術(shù)的大氣探測(cè)激光雷達(dá)將為高精度測(cè)量大氣參數(shù)提供可靠的硬件支撐，并更好地為環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天、軍事等領(lǐng)域服務(wù)。