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，張 濤

（四川大學激光應用研究所，四川 成都 610065）

0引言

激光穩(wěn)頻技術是基礎科學研究的重要工具，也是尖端科學的關鍵組成部分，在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于雙縱模熱穩(wěn)頻方法具有成本低、穩(wěn)頻裝置簡單且又可達到與傳統(tǒng)塞曼型穩(wěn)頻激光器同一量級的穩(wěn)頻精度的優(yōu)點，因而得到了較為廣泛的應用。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，以達到穩(wěn)定激光管諧振腔長度進而穩(wěn)定激光頻率的目的。但傳統(tǒng)的PID控制方式存在反應速度慢、滯后性大、精度不高、靈活度低的缺點。該文介紹一種嵌入式智能控制實現(xiàn)激光穩(wěn)頻的控制電路系統(tǒng)，可靈活應用于多種場合，既能滿足精度要求，同時又大大提高了系統(tǒng)的響應速度[1-2]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 穩(wěn)頻的基本原理

一定長度的激光器諧振腔，諧振腔中可能出現(xiàn)幾個縱模。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。縱模間距計算公式為

式中：c——光在真空中傳播的速度；

n——空氣的折射率；

L——諧振腔總的光學長度[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度（10～30cm），就可以使Q值以上的增益曲線只包含2個縱模，其頻率分別為Vq、Vq+1，且使它們在增益曲線上位置對稱。由于Vq和Vq+1遠離增益曲線的最大值點，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，并且左右對稱[4]。

圖1 內(nèi)腔式He-Ne激光器的增益曲線

在實際應用中由于模的競爭，在不加任何控制的情況下只能是一個模占主要地位，但不久又會被相鄰的另一個模替代。為了使激光器輸出的2個縱模同時存在且頻差穩(wěn)定，控制激光器的放電電流以控制激光器的溫度來改變腔長，使腔長的變化總是傾向于模競爭中處于劣勢的模，使2個縱模同時存在，從而達到頻率穩(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)，其中以無規(guī)則的熱運動占優(yōu)勢，而這種無規(guī)則運動的速度與溫度和其他因素具有以下關系

mp——等離子體參與者的質(zhì)量；

VT——等離子體參與者的熱運動速度；

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值足夠小以滿足熱穩(wěn)頻的需要[7]。

1.2 穩(wěn)頻電路的設計與實現(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：諧振腔長度約190mm，功率1.2mW，電流4mA。經(jīng)計算頻差約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，能增強抗干擾能力，同時要檢測受到干擾后恢復的響應速度，可不加保溫罩進行實驗。

系統(tǒng)在開機時先采集一個零點信號作為參考信號，然后對激光管預熱。在預熱過程中，激光器的換模周期不斷變長，一定的周期說明管子已被預熱到一定程度。系統(tǒng)能夠自動控制在達到設定的周期長度時使裝置由預熱狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài)。等一個周期的信號采集完成，經(jīng)過濾波、預處理，送入智能控制系統(tǒng)，經(jīng)過分段式的PID控制，再送入激光電源，控制其電流大小，以達到改變激光諧振腔腔長目的，使激光輸出頻率達到穩(wěn)定。穩(wěn)頻電路的原理框圖如圖2所示。

整個穩(wěn)頻電路系統(tǒng)由運算放大電路、模數(shù)轉換器、智能控制電路、信號轉換電路、顯示電路等關鍵電路組成。相互垂直的以布儒斯特角旋轉的玻片2、3分別將偏振方向相互正交的2個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。如果有一個模減弱，則接收該模光信號的光電管輸出電壓下降。差動放大電路6得到一個不平衡輸入電壓，放大后，經(jīng)模數(shù)轉換電路7將得到的模擬量轉化為數(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時間。由智能控制器輸出得到的控制信號再經(jīng)過信號轉換電路9將其轉換成模擬信號，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或減弱，從而使諧振腔的長度向著有利于減弱的模的方向變化，這樣便可使2個相鄰的模同時并存，以達到控制頻率的效果。

圖2 原理框圖

前置運算放大電路可將信號放大很大，因而模數(shù)轉換模塊采用8位的MAX153芯片，只采集一小段信號即可，其輸出端采用串行輸出。控制模塊采用AT89S52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，嵌入單片機負責控制管理整個系統(tǒng)的運行。信號轉換模塊采用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個光電耦合器。顯示模塊由1個顯示驅動芯片和2個LED顯示器組成，可以同時顯示輸入與輸出的信號。為了保護整個系統(tǒng)，同時還設置了一組手動開關。

1.3 系統(tǒng)軟件部分設計

軟件程序主要有信號采集子程序、64點平均值濾波子程序、信號預處理子程序、零點檢測子程序、PID控制子程序、LED顯示子程序、延時子程序、串行通信子程序等[8]。此程序將時序控制得比較合理，使得系統(tǒng)響應速度大大提高。程序設計的總體思路的主流程圖如圖3所示。

1.4 實驗結果

在實驗中，激光器裝在自制的有機玻璃盒子里，外面不加任何保溫罩，在無空調(diào)設備有人員活動的實驗室內(nèi)：預熱時間約12min，穩(wěn)頻精度能保持在10-8以內(nèi)。在外界強干擾情況下，如使用電扇吹風機等，恢復原來的狀態(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速度。

2 結束語

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)不僅滿足所需設計精度要求，頻率穩(wěn)定度為10-8，而且具有以下4方面的優(yōu)點：（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）簡化了控制條件，便于實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，增強了控制能力；（3）系統(tǒng)響應速度快，克服了以往PID控制的滯后性大的問題；（4）抗干擾能力強，在強干擾情況下，仍可在恢復狀態(tài)后30s內(nèi)重新穩(wěn)定，并且精度保持不變。

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