首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
物理学论文 >
光学论文 >
探究激光锁频系统优化方案中的关键技术及原理
摘要：高稳定度的激光是工业、医疗、航空、现代科学等领域非常重要的工具，本文介绍三种激光锁频系统的优化方案，分别从温度控制、回馈腔、光谱技术着手设计，阐述了方案中的关键技术及系统的工作原理，优化方案能提高激光器频率的稳定度—温度控制优化方案稳定度为10-7～10-8，回馈腔优化方案稳定度为1.7×10-7，光外差分子光谱优化方案稳定度为1.6×10-12。
加入收藏
高稳定度的激光是工业、医疗、航空、现代科学等领域非常重要的工具，自由运转激光器输出的激光容易受到外界环境中温度、振动、噪声等因素影响而发生不同程度的漂移现象，因此激光锁频系统应运而生。而激光应用领域对准确度、稳定度、精度的要求在不断提高，激光锁频系统也需要不断优化。温度控制优化方案考虑温度对激光频率的影响，设计了一种可靠的温度控制结构，温度探测器实时监测并采集温度变化值，计算处理后反馈至控制电路，保持激光器腔内温度稳定。回馈腔优化方案考虑普通光学元件双折射效应对激光质量的影响，设计了一种回馈腔结构的双折射测量系统，精确测量腔镜折射程度，回馈腔镜往复运动来调节外腔腔长，保持激光器输出频率的稳定性。光外差分子光谱技术优化方案考虑多普勒背景展宽影响鉴频信号的提取，设计了一种噪声免疫腔来增强光外差分子光谱，放大激光功率，得到增强的亚多普勒信号，提高吸收线锁定精度。
1、温度控制方案
图1基于全内腔Nd:YYVVOO4（钕钕钒钒酸酸钇钇）微片激光器的锁频实验系统
如图1所示，Nd:YVO4微片是激光光束的增益介质，晶体的固有特性在实验过程中几乎不会发生变化，可是经半导体激光器泵浦后的高功率光束会产生大量的热量，会引起实验仪器和实验环境中温度的升高，导致Nd:YVO4微片的温度升高，到达微片的激光光束频率必将产生漂移，由热膨胀系数可知，外界温度每变化1℃，就会导致激光频率漂移几GHz，大大影响锁频系统的实验结果。为了提高实验效果，必须尽可能减少实验过程中热量的产生，则需要设置温度监控和温度调节装置，将Nd:YVO4微片温度控制在理想的范围内。
设计一个由TEC(Thermoelectric-Cooler半导体制冷器）、单片温度控制器MAX1978、PID电路板组成的温控系统。实验系统中半导体激光器和微片共同固定在铜块中，铜块外再包裹保温层，保温层外再加铝块，铜块和铝块均作为热沉使用。TEC与Nd:YVO4微片相连，用来反映微片的温度。由珀尔贴效应，电流流过TEC后，会在TEC的电流入端形成冷侧，在电流出端形成热侧[1]。单片温度控制器MAX1978驱动TEC工作，其内部的铂热电阻PT100实时监测微片的温度，再由AMP将TEC实际的温度值转换为电压信号，与预设的电压值（目标温度换算得到）进行差分，得到的误差信号传输给PID补偿电路[2]，比例环节调节幅值偏置，积分环节调节曲线形状，微分环节调节信号抖动，控制TEC的电流大小和方向，从而控制TEC制冷或者制热。
利用上述温控方案对锁频实验系统进行优化后，能实时监测、调控微片的温度，提高了系统的工作性能，激光器输出频率的长期稳定度达到10-7～10-8量级[3]。
2、回馈腔方案
图2基于双折射测量系统的激光器锁频实验系统
如图2所示，在He、Ne充气比为9:1的全内腔线偏振He-Ne激光器[4]的两端分别放置谐振腔镜M1（反射率99.5%）和M2（反射率98.9%），激光器输出光束经BS(Beamsplitter分光棱镜）分束，其中一束被光电探测器PD1接收作为监控信号，另一束被WLP(Wollastonprism沃拉斯顿棱镜）再分束，由PD3和PD4接收，监测激光器的工作模式并控制实验电路的稳定。
当激光器工作在单纵模状态时，PD3或PD4探测到光信号，转换后得到的电信号经低通滤波、放大后与标准电压值进行差分，差分信号经PID控制器调节，传输给激光器上的PZT，使回馈镜ME（反射率26%）做周期性往复运动，控制外腔腔长变化，保证激光器输出光频率稳定在一定范围内；当激光器工作在双纵模状态时，PD3和PD4都可探测到光信号，而此时两束光信号的强度之和小于单纵模状态时的强度，实验系统会重复单纵模状态的稳频过程，此时在谐振腔镜M2和回馈镜ME构成的回馈腔会发生不同程度的偏振跳变，引起PD3和PD4接收到的光信号强度变化，回馈镜ME不断做周期性往复运动对信号进行调制，PD2探测调制后的信号偏振程度，使得激光器逐渐回到单纵模工作状态，实现稳频[5,6]。
上述稳频实验系统能够维持激光器长时间的单纵模工作状态，5h内频率稳定度达到1.7×10-7[7]。
3、光外差分子光谱方案
图3基于于噪噪声声免免疫疫腔腔增增强强光光外外差差分分子子光光谱谱技技术术（NICE-OHMS）的激光器锁频实验系统
如图3所示，光纤激光器输出激光光束经过FAOM和FEOM形成空间光，再经OI(OpticalIsolator空间光隔离器）、ML、波片等实现PDH和DVB锁定[8,9]。FG1产生射频频率为380MHz的信号，FG2产生射频频率为355MHz的信号，这两个信号混频后经过低通滤波得到射频频率为25MHz的拍频信号。在PD1后分束的两束激光，一束与25MHz混频，实现反馈带宽为100KHz的频率锁定；另一束与355MHz混频，实现DVB锁定。PD2接收并转换从谐振腔体透射出来的稳频激光束，与380MHz混频，得到NICE-OHMS信号。此时调节380MHz射频源的相位，可得色散信号，选取亚多普勒信号为鉴频信号，经过PID4控制后反馈到PZT2，将激光器输出激光成功锁定在亚多普勒吸收线对应的频率上。
实验测得PDH锁定带宽为4.3kHz,DVB锁定带宽为0.38kHz，最后NH3吸收线锁定带宽为16.3kHz，阿伦方差计算得136s内的稳定度为1.6×10-12[10]。
4、结论
1）温度控制方案主要由TEC、MAX1978、PID组成的温控系统实现，可操作性强，降低了环境温度对激光光束的影响，长期锁频稳定度达到10-7～10-8量级。
2）回馈腔方案主要由反射率99.5%的谐振腔镜M1、反射率98.9%的谐振腔镜M2和反射率26%的反馈腔镜ME实现，降低了光学元件对激光光束的影响，长期锁频稳定度达到1.7×10-7。
3）光外差分子光谱方案主要由FAOM、FEOM、OI、ML实现，增加了原子吸收光谱的亚多普勒信号的强度，需多次分束、滤波、混频，短期锁频稳定度为1.6×10-12。
三种激光锁频系统的优化方案均能提高激光频率稳定度，实验系统各有特点，可为激光锁频的发展提供参考。
参考文献:
[1]刘繁明,赵亚凤.一种新型的基于TEC的精密温控器设计[J].中国惯性技术学报,2004,12(6):63-66.
[2]欧艳华.基于神经网络的自适应PID控制器设计[J].机械设计与制造,2014(6):263-265.
[3]邓勇,马志强,江奕,等.全内腔Nd:YVO4微片激光器稳频研究[J].机械设计与制造,2018(3):182-184.
[4]何琛娟,熊俊,王海燕,等.He-Ne激光器模式分析[J].物理实验,2017,37(8):22-28.
[5]张科,李兰兰,王忠全,等.He-Ne激光器的输出模式实验研究[J].电子科学技术,2017,4(3):30-32.
[6]聂睿,张雷洪,严永鹏,等.多谱线He-Ne激光器中棱镜组件的热变形研究[J].光学技术,2017,43(4):329-333+338.
[7]邓勇,宋健军,汪晨旭,等.激光回馈双折射测量系统稳频技术研究[J].红外与激光工程,2018,47(12):212-217.
[8]付小芳,赵刚,马维光,等.光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究[J].光谱学与光谱分析,2014,34(6):1456-1459.
[9]马维光,周月婷,赵刚,等.噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术综述[J].中国激光,2018,45(9):95-105.
[10]贾梦源,赵刚,周月婷,等.基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58nmNH3亚多普勒饱和光谱的频率锁定[J].物理学报,2018,67(10):86-96.
黄剑文.激光锁频系统的优化方案研究[J].木工机床,2020(02):22-24.
基金:福建省中青年教师教育科研项目(JZ180471).
分享：
2022年， 全世界的糖尿病患者已超过5.37亿。 对于他们而言， 无创伤的血糖检测一直是他们的期待。 基于近红外光谱法的血糖检测是一个有前景的无创方法， 采用两个或多个光源-探测器距离进行差分测量的方法, 可以有效地提高活体光谱采集的稳定性， 也是目前该领域多采用的测量形式。
2024-05-11
提出了一种利用数码相机进行观测的新型分光计方案及其调节方法,并研制了实验样机.利用数码相机替代了传统分光计中的望远镜部分,可观察并记录相关光学现象.调节分光计时,首先利用数码相机镜头对焦于无穷远作为标准进行平行光调节,然后利用反射狭缝像的位置调节载物台与旋转轴的垂直,最后以载物台为基准调节数码相机及平行光管与旋转轴垂直.对新型分光计的特性分析及实验结果表明:该新型分光计具有调节难度低、测量误差小、能同时观测多条光谱线的特点。
2020-12-08
长波红外光谱(8～14μm)是介于中红外波段和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的辐射波段和地球“第三大气窗口”,相对于短波和中波红外辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外辐射在红外夜视、资源探测、精确制导、安防报警等科研及国防领域具有极其重要的应用,为国家综合实力的重要体现。
2020-12-08
气体浓度检测一直是十分重要的工作,它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关,尤其是有毒有害气体的检测。近年来随着光谱技术的大力发展,可调谐半导体激光光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)已逐渐发展成熟,它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点,成为了气体检测的重要技术之一。
2020-12-08
随着科学技术的不断发展进步，军事和镜头相关的工商业领域都越来越多的使用红外光学系统。尤其在军事方面，光学系统发展迅速，导致军事方面对光学系统的性能有越来越高的要求。通常情况下，摄远物镜的系统长度小于其焦距[1]，所以焦距相同时，把红外物镜设计成红外摄远物镜就可以很大程度上减少系统的制作成本。
2020-12-05
光刻工艺是集成电路制造中最重要、最关键的工艺步骤之一。随着半导体技术的飞速发展，图形越来越密集，特征尺寸越来越小，对光刻工艺分辨率的要求越来越高。光刻工艺中一个重要的性能指标是每个图形的分辨率。在先进的半导体集成电路制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。
2020-11-20
激光加工是一种非接触、无污染、无磨损的加工工艺，它包含激光切割、激光打孔、激光标刻等加工方式。激光打标技术已经在众多领域占有很大的比例，国家根据激光标刻行业制定了一系列的标准。工艺参数的设定在激光标刻过程中对其加工质量和效率起到了重要作用[1]。本文以激光标刻文字、条形码为研究对象，通过优化汉字笔画打标顺序和圆弧代替直线加工，能够激光标刻质量和效率。
2020-10-19
在我们最近的工作中[11],将RF白噪声和波长调制被同时添加到OA-ICOS系统中,提出了一种痕量气体检测的新方法(RF-WM-OA-ICOS)。与未受RF噪声干扰的OA-ICOS相比,RF-WM-OA-ICOS的探测极限提高了约6倍。本文将进一步地详细研究RF噪声扰动对WM-OA-ICOS系统的二次谐波信号的影响,并基于该技术建立了一套高精密的甲烷气体测量装置。
2020-09-09
自动随着公路建设的不断发展,对公路建设的质量提出了更高的要求,需要构建公路磨耗层质量自动监测模型,结合大数据信息处理方法,进行公路磨耗层质量自动监测的信息处理,提高公路磨耗层质量监测的自动化水平[1],从而提高公路建设的质量,提高对公路磨耗层质量信息健康管理水平[2],采用大数据信息管理和优化融合调度技术,进行公路磨耗层质量自动监测系统开发设计,在信息化管理平台下,进行公路磨耗层质量自动监测方法改进,对相关的公路磨耗层质量自动监测模型研究具有重要意义。
2020-08-10
激光线性结构光传感器具有结构简单，体积小等特点，广泛用于焊接的焊缝追踪，轨迹规划等，称为焊接过程自动化的关键技术之一。而在结构光条定位中，为了提高定位精度，提出了亚像素的概念，是指在相机得到的像素和像素之间还有几十到十几个微米的距离。而通常我们计算出的坐标都是正整数，这表示的是我们是在对像素进行操作，而亚像素计算出来的坐标是实数，能够极大地提高算法的精度。
2020-08-10
人气：6027
人气：4230
人气：3748
人气：3695
人气：3106
我要评论
期刊名称：发光学报
期刊人气：1595
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,中国物理学会发光分会,发光学及应用国家重点实验室
出版地方：吉林
专业分类：科学
国际刊号：1000-7032
国内刊号：22-1116/O4
邮发代号：12-312
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.735
影响因子：0.645
影响因子：1.369
影响因子：0.874
影响因子：0.385
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-07-15
449
上传者：管理员
