本发明属于量子精密测量，更具体地，涉及一种光学锁相环系统及锁相频差调节方法。
背景技术：
1、量子精密测量近年来发展迅速，冷原子重力仪在该领域做出了重要贡献。冷原子重力仪可以实现长时间连续稳定的重力测量过程而不存在机械磨损，也不需要定期校正。冷原子重力仪在测量过程中主要分为四个阶段，分别是冷原子制备阶段，需要冷却光和回泵光；态制备阶段，需要拉曼光和吹散光；原子干涉阶段，需要拉曼光；末态探测阶段，需要探测光。各个阶段所需激光的频率和光强各不相同，因此，需要一种能够灵活调节激光频率和光强分配的系统及该系统的构建方法。
2、在一些频率偏移的应用中，相干布局囚禁原子钟的实现仅需要mhz量级的频率差。但以冷原子重力仪测量过程中的态制备和原子干涉阶段为例，87rb原子的基态能级差为6.83ghz，因此产生拉曼光需要实现ghz量级的频差。基于上述应用需求，现有技术已经利用声光调制器和电光调制器实现了频率的偏移。但是声光调制器由于存在衍射角，移频效率较低，通常只能实现百mhz范围的移频，无法满足精密测量的需求。电光调制器在产生所需要频率的同时会产生一些不需要的频率边带，引入相位噪声，从而影响最终的重力测量精度。也有现有技术利用注入锁定技术以抑制无用频率边带进行移频，但是整个系统对温度和电流变化敏感，存在较大的稳态误差。鉴于此，现有技术提出采用光学锁相环的方法实现两束激光频率差的调节，可以克服上述问题。利用光学锁相环系统产生拉曼光可以获得更高的调节精度，引入的相位噪声更小，能够获得更理想的重力测量精度。然而，目前已有的光学锁相环存在系统不稳定，系统长期稳定性不理想的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本技术提供一种光学锁相环系统及锁相频差调节方法，旨在解决目前已有的光学锁相环系统不稳定的问题，并提高光学锁相环系统的长期稳定性。
2、为实现上述目的，一种光学锁相环系统，包括：环形相连的拍频模块、混频模块和反馈调制模块；
3、所述拍频模块用于获取一定频差的稳频激光与非稳频激光，且用于将稳频激光与非稳频激光产生的拍频光信号转化为拍频电信号传输至混频模块；
4、所述混频模块用于将拍频电信号与第一参考信号混频，对拍频电信号的频率下转换，获取混频信号传输至反馈调制模块；
5、所述反馈调制模块用于通过施加偏置电压使非稳频激光在所需频率预设范围内的最佳工作点自由运转；且用于根据稳频激光与非稳频激光之间的锁定频差，计算第二参考信号的频率，采用第二参考信号与混频信号鉴相获取的误差信号对非稳频激光的频率进行调节；且用于在稳频激光与非稳频激光之间的频差锁定后，通过调节第二参考信号的频率值，改变稳频激光与非稳频激光之间的锁定频差，实现两激光频差的精准调节。
6、这里需理解为，在实际应用中，初次对稳频激光与非稳频激光的频差的锁定过程为：先预设稳频激光与非稳频激光的频差，由于稳频激光的频率为已知的，即可求算出非稳频激光的频率；同时结合第二参考信号经过的器件，在本技术中，第二参考信号输入至锁相伺服器，由于锁相伺服器内置分频器，因此，第二参考信号的输出频率根据非稳频激光的频率和锁相伺服器的分频系数求算出来；根据设定的第二参考信号的频率为求算的第二参考信号频率，获取误差信号用于调节非稳频激光的频率，进而锁定稳频激光与非稳频激光预设的频差。
7、实际应用中，获取不同频率的光，例如拉曼光、冷却光等，需要相应地调节稳频激光与非稳频激光的频差，因此在上次锁定频差的基础上，再次通过调节第二参考信号的大小进而调节从激光器输出的非稳频激光频率。
8、进一步优选地，拍频模块包括：主激光器、从激光器、光电探测器、第一同轴单元、第二同轴单元、第三光学单元、二进一出光纤和波长计；
9、第一同轴单元包括固连在一起的第一耦合镜、第一波片、第一偏振分光棱镜以及第三耦合镜；所述第二同轴单元包括固连在一起的第二耦合镜、第二波片、第二偏振分光棱镜和第四耦合镜；所述第一耦合镜和第二耦合镜的输入端连接光纤；所述第三耦合镜和所述第四耦合镜的输出端连接光纤；
10、主激光器用于输出稳频激光，第一偏振分光棱镜用于将稳频激光分为第一反射光和第一透射光；从激光器用于输出非稳频激光，第二偏振分光棱镜用于将非稳频激光分为第二反射光和第二透射光；
11、第三光学单元包括固连在一起的第三偏振分光棱镜、第三波片、第四波片和第五耦合镜；
12、第三偏振分光棱镜用于将经过第三波片的第一反射光和经过第四波片的第二反射光合束，通过第五耦合镜传输至所述波长计；波长计用于实时观测稳频激光和非稳频激光的频率；
13、二进一出光纤用于将第一透射光和第二透射光合束进入所述光电探测器；光电探测器用于将拍频光信号转化为拍频电信号。
14、这里需指出，第一波片、第二波片、第三波片和第四波片均为二分之一波片，配合安装镜座通过旋转可以对光进行调偏振和调分光。
15、这里需解释，第一同轴单元和第二同轴单元单独均可以认定为同轴系统，第三光学单元与第一同轴单元、第二同轴单元作为整体认定为同轴系统。
16、进一步优选地，所述反馈调制模块包括：第二信号发生器、锁相伺服器和稳压源；
17、第二信号发生器的输出端连接所述锁相伺服器的第一输入端口；稳压源的输出端连接所述锁相伺服器的第二输入端口；混频模块的输出端连接所述锁相伺服器的第三输入端口；锁相伺服器的输出端连接所述从激光器的pzt调制端口；
18、锁相伺服器用于将混频信号与第二参考信号鉴相获取误差信号，通过误差信号对非稳频激光的频率进行调整，使稳频激光与非稳频激光之间的频差锁定；稳压源用于输出偏置电压；锁相伺服器还用于将偏置电压传输至从激光器的pzt调制端口，通过控制压电陶瓷以调节从激光器的腔长，以便使非稳频激光在所需频率预设范围内的最佳工作点自由运转；所述第二信号发生器用于产生特定频率的第二参考信号，以控制稳频激光与非稳频激光之间的频差。
19、进一步优选地，在所述锁相伺服器与所述pzt调制端口之间设置电压跟随器，用于防止pzt调制端口中压电陶瓷充电后的电压反作用于锁相伺服器。
20、进一步优选地，所述混频模块包括第一信号发生器、混频器、放大器和带通滤波器；
21、所述混频器的第一输入端连接光电探测器，其第二输入端连接第一信号发生器，其输出端连接带通滤波器的输入端；所述带通滤波器的输出端连接放大器的输入端；
22、所述混频器用于将拍频电信号与所述第一信号发生器产生的第一参考信号进行混频，输出混频信号；所述带通滤波器用于滤除掉高频信号；放大器用于对信号进行放大；
23、其中，混频信号的频率为；高频信号的频率为。
24、进一步优选地，本技术提供的光学锁相环系统，用于产生冷原子重力仪测量过程中的拉曼光、冷却光、回泵光和探测光。
25、进一步优选地，所述主激光器和从激光器输出的稳频激光和非稳频激光的频率均为ghz量级；第一参考信号的频率也为ghz量级；混频器用于将ghz量级的拍频电信号进行频率下转换到mhz量级。
26、另一方面，基于上述的光学锁相环系统，本技术提供了相应的锁相频差调节方法，包括以下步骤：
27、对稳频激光和非稳频激光进行合束形成拍频光信号，并将拍频光信号转换为拍频电信号；
28、采用拍频电信号与第一参考信号进行混频滤波并放大，产生混频信号；
29、调节偏置电压使非稳频激光在所需频率预设范围内的最佳工作点自由运转，且将第二参考信号与混频信号鉴相获取误差信号；
30、通过误差信号对非稳频激光的频率进行调节，使稳频激光与非稳频激光之间的频差锁定；
31、再按需调节第二参考信号的频率值，改变稳频激光与非稳频激光之间的锁定频差。
32、进一步优选地，在非稳频激光的频率与稳频激光的频率保持频差锁定的条件下，产生冷原子重力仪测量过程中的拉曼光、冷却光、回泵光和探测光。
33、进一步优选地，所述稳频激光和所述非稳频激光的频率均为ghz量级；所述第一参考信号的频率为ghz量级；所述拍频电信号与所述第一参考信号进行混频获取的混频信号的频率为mhz量级。
34、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
35、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，本技术采用稳压源提供偏置电压，输入至锁相伺服器，外腔长度变化与施加的偏置电压成比例关系，从而可以调节从激光器输出的非稳频激光频率，使其产生相应的变化；因此在从激光器压电陶瓷调制端口上施加偏置电压可以增加从激光器的频率精细调节范围。在实际应用中，粗调从激光器的电流使从激光器工作在某一模式下，通过调节偏置电压，使从激光器的输出频率能精确地覆盖到碱金属原子的跃迁峰，从而将激光器频率调整至所需频率附近跃迁峰峰值最大的点，使激光器工作在最佳状态，此操作可以使激光器在锁相过程中不易发生跳模，让整个光学锁相环系统更稳定。
36、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，通过第二参考信号与混频信号鉴相获取误差信号，对主激光器与从激光器的频差锁定后，能够实现在不需要反复调节主激光器频率的基础上，仅通过调节外部第二参考信号的频率产生所需要的非稳频激光的频率，这种方法能够实现ghz量级的频率偏移以及hz量级的控制精度，能够动态调节从激光器的频率，从而产生冷原子重力仪测量过程中所需要的冷却光、回泵光、拉曼光和探测光。
37、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，拍频模块中设置了第一同轴单元、第二同轴单元和第三光学单元，第一同轴单元中的第一耦合镜、第一波片、第一偏振分光棱镜以及第三耦合镜固连在一起，第二同轴单元中的第二耦合镜、第二波片、第二偏振分光棱镜和第四耦合镜固连在一起，微调耦合镜的x和y方向使光束对准，再微调耦合镜的俯仰角即可得到超过百分之八十的耦合效率。相比传统的通过手动调节光学底座对空间光进行耦合的方法，排除了需要反复对光寻找光学器件最佳安装点的困难，整个光路耦合结构比较简单紧凑，避免了搭建繁杂的耦合光路，占地面积小，光的耦合效率高。
38、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，拍频模块中第一偏振分光棱镜用于对稳频激光分为第一反射光和第一透射光；第二偏振分光棱镜用于将非稳频激光分为第二反射光和第二透射光；第三偏振分光棱镜用于将第一反射光和第二反射光合束，传输至波长计；不需要来回拔掉光纤的前提下通过挡板的方式能实时观测稳频激光和非稳频激光的波长和频率，能够及时发现激光器是否发生跳模，减少外界干扰带来的噪声，使得光路更稳定。
39、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，拍频模块中所述第一耦合镜和第二耦合镜的输入端连接光纤；所述第三耦合镜、所述第四耦合镜和第五耦合镜的输出端连接光纤；从中可以看出拍频模块中光路的传输多为光纤光的形式传输，存在的光纤光转空间光的过程，空间光的范围距离很短，控制在两个耦合镜之间，整体上通过光纤进行连接，可移动性更好，便于适应重力仪的移动过程。
40、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，光电探测器与二进一出光纤连接，因此光电探测器并不是对空间光进行探测，而是对光纤光进行探测，信号处理时通过混频滤波和放大相结合，可以实现更高的信噪比；通过滤波降低噪声，通过放大提高信号，这种方式能够得到较好的拍频信噪比。
41、本技术提供了一种光学锁相环系统，其中，在锁相伺服器的误差信号输出与压电陶瓷调制端口之间加入电压跟随器，电压跟随器起缓冲作用，可以防止容性器件压电陶瓷充电后的电压反作用于锁相伺服器，避免锁相伺服器不稳或者损坏，使得光学锁相环系统更加稳定。
1.一种光学锁相环系统，其特征在于，包括：环形相连的拍频模块、混频模块和反馈调制模块；
2.根据权利要求1所述的光学锁相环系统，其特征在于，所述拍频模块包括：主激光器、从激光器、光电探测器、第一同轴单元、第二同轴单元、第三光学单元、二进一出光纤和波长计；
3.根据权利要求2所述的光学锁相环系统，其特征在于，所述反馈调制模块包括：第二信号发生器、锁相伺服器和稳压源；
4.根据权利要求2所述的光学锁相环系统，其特征在于，在所述锁相伺服器与所述pzt调制端口之间设置电压跟随器，用于防止pzt调制端口中压电陶瓷充电后的电压反作用于锁相伺服器。
5.根据权利要求3所述的光学锁相环系统，其特征在于，所述混频模块包括第一信号发生器、混频器、放大器和带通滤波器；
6.根据权利要求3所述的光学锁相环系统，其特征在于，其用于产生冷原子重力仪测量过程中的拉曼光、冷却光、回泵光和探测光。
7.根据权利要求5所述的光学锁相环系统，其特征在于，所述主激光器和从激光器输出的稳频激光和非稳频激光的频率均为ghz量级；第一参考信号的频率也为ghz量级；混频器用于将ghz量级的拍频电信号进行频率下转换到mhz量级。
8.一种基于如权利要求1所述的光学锁相环系统的锁相频差调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的锁相频差调节方法，其特征在于，在非稳频激光的频率与稳频激光的频率保持频差锁定的条件下，产生冷原子重力仪测量过程中的拉曼光、冷却光、回泵光和探测光。
10.根据权利要求8或9所述的锁相频差调节方法，其特征在于，所述稳频激光和所述非稳频激光的频率均为ghz量级；所述第一参考信号的频率为ghz量级；所述拍频电信号与所述第一参考信号进行混频获取的混频信号的频率为mhz量级。
