智能雙縱模激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的研究

白燕羽，朱璐萊，呂小強(qiáng)，張 濤

（四川大學(xué)激光應(yīng)用研究所，四川 成都 610065）

0引言

激光穩(wěn)頻技術(shù)是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要工具，也是尖端科學(xué)的關(guān)鍵組成部分，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于雙縱模熱穩(wěn)頻方法具有成本低、穩(wěn)頻裝置簡(jiǎn)單且又可達(dá)到與傳統(tǒng)塞曼型穩(wěn)頻激光器同一量級(jí)的穩(wěn)頻精度的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。在這種方法中，目前大多采用PID方式控制激光管的放電電流或者繞在激光器上電阻絲電流的變化，以達(dá)到穩(wěn)定激光管諧振腔長(zhǎng)度進(jìn)而穩(wěn)定激光頻率的目的。但傳統(tǒng)的PID控制方式存在反應(yīng)速度慢、滯后性大、精度不高、靈活度低的缺點(diǎn)。該文介紹一種嵌入式智能控制實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻的控制電路系統(tǒng)，可靈活應(yīng)用于多種場(chǎng)合，既能滿(mǎn)足精度要求，同時(shí)又大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度[1-2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 穩(wěn)頻的基本原理

一定長(zhǎng)度的激光器諧振腔，諧振腔中可能出現(xiàn)幾個(gè)縱模。每一縱模都是線偏振光，而且兩相鄰縱模的偏振方向相互垂直?？v模間距計(jì)算公式為

式中：c——光在真空中傳播的速度；

n——空氣的折射率；

L——諧振腔總的光學(xué)長(zhǎng)度[3]。

圖1為內(nèi)腔式He-Ne激光器的增益曲線及縱模模式。由圖可知，只要選定激光器等離子管的合適長(zhǎng)度（10～30cm），就可以使Q值以上的增益曲線只包含2個(gè)縱模，其頻率分別為Vq、Vq+1，且使它們?cè)谠鲆媲€上位置對(duì)稱(chēng)。由于Vq和Vq+1遠(yuǎn)離增益曲線的最大值點(diǎn)，所以激光工作物質(zhì)在Vq和Vq+1處的色散較弱，由此引起的頻率牽移誤差較小，并且左右對(duì)稱(chēng)[4]。

圖1 內(nèi)腔式He-Ne激光器的增益曲線

在實(shí)際應(yīng)用中由于模的競(jìng)爭(zhēng)，在不加任何控制的情況下只能是一個(gè)模占主要地位，但不久又會(huì)被相鄰的另一個(gè)模替代。為了使激光器輸出的2個(gè)縱模同時(shí)存在且頻差穩(wěn)定，控制激光器的放電電流以控制激光器的溫度來(lái)改變腔長(zhǎng)，使腔長(zhǎng)的變化總是傾向于模競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)的模，使2個(gè)縱模同時(shí)存在，從而達(dá)到頻率穩(wěn)定的目的[5-6]。

激光器放電管中的等離子體工作于近似電子中性狀態(tài)，其中以無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，而這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度與溫度和其他因素具有以下關(guān)系

mp——等離子體參與者的質(zhì)量；

VT——等離子體參與者的熱運(yùn)動(dòng)速度；

T——等離子體參與者的溫度；

k——波爾茲曼常數(shù)。

亦即

式中：mt——作為放電通道用的那一段放電管的質(zhì)量，kg；

c——放電管材料的比熱容；

r、l——放電管的內(nèi)半徑和長(zhǎng)度；

α——膨脹系數(shù)。

從式（4）可以看出，如果選擇合適的激光管參數(shù)，并將它放置在保溫罩中，可使τ值足夠小以滿(mǎn)足熱穩(wěn)頻的需要[7]。

1.2 穩(wěn)頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選用成都科普激光研究所生產(chǎn)的全內(nèi)腔激光器，參數(shù)為：諧振腔長(zhǎng)度約190mm，功率1.2mW，電流4mA。經(jīng)計(jì)算頻差約790MHz，該激光器符合上述理論要求。另外，由于系統(tǒng)采用智能控制，能增強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)要檢測(cè)受到干擾后恢復(fù)的響應(yīng)速度，可不加保溫罩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)時(shí)先采集一個(gè)零點(diǎn)信號(hào)作為參考信號(hào)，然后對(duì)激光管預(yù)熱。在預(yù)熱過(guò)程中，激光器的換模周期不斷變長(zhǎng)，一定的周期說(shuō)明管子已被預(yù)熱到一定程度。系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制在達(dá)到設(shè)定的周期長(zhǎng)度時(shí)使裝置由預(yù)熱狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。等一個(gè)周期的信號(hào)采集完成，經(jīng)過(guò)濾波、預(yù)處理，送入智能控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)分段式的PID控制，再送入激光電源，控制其電流大小，以達(dá)到改變激光諧振腔腔長(zhǎng)目的，使激光輸出頻率達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)頻電路的原理框圖如圖2所示。

整個(gè)穩(wěn)頻電路系統(tǒng)由運(yùn)算放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、智能控制電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等關(guān)鍵電路組成。相互垂直的以布儒斯特角旋轉(zhuǎn)的玻片2、3分別將偏振方向相互正交的2個(gè)模式的激光反射到光電接收器4和5，2只光電接收器的極性是反向連接的。如果有一個(gè)模減弱，則接收該模光信號(hào)的光電管輸出電壓下降。差動(dòng)放大電路6得到一個(gè)不平衡輸入電壓，放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7將得到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入智能控制器8。由于采用分段式PID控制，可將不同范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分段處理，大大提高了精度與響應(yīng)時(shí)間。由智能控制器輸出得到的控制信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路9將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)光電耦合器10和受控調(diào)壓電橋12控制激光電源13，使激光器放電管的放電電流加強(qiáng)或減弱，從而使諧振腔的長(zhǎng)度向著有利于減弱的模的方向變化，這樣便可使2個(gè)相鄰的模同時(shí)并存，以達(dá)到控制頻率的效果。

圖2 原理框圖

前置運(yùn)算放大電路可將信號(hào)放大很大，因而模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用8位的MAX153芯片，只采集一小段信號(hào)即可，其輸出端采用串行輸出?？刂颇K采用AT89S52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，嵌入單片機(jī)負(fù)責(zé)控制管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用AD561芯片，由于其數(shù)字接口不具備緩沖鎖存功能，必須外加鎖存器。在其輸出端為了避免外界電器干擾，可接入1個(gè)光電耦合器。顯示模塊由1個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)芯片和2個(gè)LED顯示器組成，可以同時(shí)顯示輸入與輸出的信號(hào)。為了保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)還設(shè)置了一組手動(dòng)開(kāi)關(guān)。

1.3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件程序主要有信號(hào)采集子程序、64點(diǎn)平均值濾波子程序、信號(hào)預(yù)處理子程序、零點(diǎn)檢測(cè)子程序、PID控制子程序、LED顯示子程序、延時(shí)子程序、串行通信子程序等[8]。此程序?qū)r(shí)序控制得比較合理，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度大大提高。程序設(shè)計(jì)的總體思路的主流程圖如圖3所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，激光器裝在自制的有機(jī)玻璃盒子里，外面不加任何保溫罩，在無(wú)空調(diào)設(shè)備有人員活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)：預(yù)熱時(shí)間約12min，穩(wěn)頻精度能保持在10-8以?xún)?nèi)。在外界強(qiáng)干擾情況下，如使用電扇吹風(fēng)機(jī)等，恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)后，激光器在30s內(nèi)也可以重新穩(wěn)住。此系統(tǒng)與以往的模擬PID控制系統(tǒng)相比較，大大提高了抗干擾能力和響應(yīng)速度。

2 結(jié)束語(yǔ)

圖3 主程序流程圖

該文系統(tǒng)介紹了一種嵌入式智能控制的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅滿(mǎn)足所需設(shè)計(jì)精度要求，頻率穩(wěn)定度為10-8，而且具有以下4方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）由于系統(tǒng)采用嵌入式智能控制，提高了系統(tǒng)的靈活性；（2）簡(jiǎn)化了控制條件，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了控制能力；（3）系統(tǒng)響應(yīng)速度快，克服了以往PID控制的滯后性大的問(wèn)題；（4）抗干擾能力強(qiáng)，在強(qiáng)干擾情況下，仍可在恢復(fù)狀態(tài)后30s內(nèi)重新穩(wěn)定，并且精度保持不變。

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