高穩光頻輸出方法及其控制系統與流程
2023-06-11 06:55:11
本發明涉及光源輸出技術領域，具體涉及高穩光頻輸出方法及其控制系統。
背景技術：
光強、光源系統溫度和光共振吸收系統溫度均是影響光源系統光頻輸出的重要因素。為了實現高溫光頻輸出，需要對光強、光源系統溫度和光共振吸收系統溫度進行採集，並獲取光強、光源系統溫度和光共振吸收系統溫度分別與光頻輸出之間的關係，通過改變光強、光源系統溫度或光共振吸收系統溫度，均能改變光源的輸出頻率。現有技術中，由於光強、光源系統溫度和光共振吸收系統溫度對光頻的影響差異性較大，若想要獲得高穩光頻輸出，需要綜合考慮這三個因素對光頻的影響，其難度較大，目前為止並沒有獲取最佳工作狀態(即選取合適的光強、光源系統溫度和光共振吸收系統溫度)的方法。
改變光強一般有兩種方式，分別為改變光源的激勵功率和光源系統溫度。由於新的光源做成之後，相對應的燈激勵功率電路已經和它配套，一般情況下不宜隨便改變燈激勵功率。而由於光源溫度分為三個部分：張馳振蕩區、平坦區、自蝕區，當光源溫度在平坦區變化時，光強的可改變量非常有限，這不便於我們大範圍的改變光強來滿足實際應用中的需求。因此，需要採取其它措施來達到大範圍改變光強的目的。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供了一種能夠獲取大範圍變化的光強值，並根據光強、光源系統溫度或光共振吸收系統溫度確定光源系統最佳工作狀態的高穩光頻輸出方法及其控制系統。
對於本發明一種高穩光頻輸出方法，其技術方案為，採集光源系統的光頻信號，調節光源系統的溫度，繪製所述光源系統的光源系統溫度-光頻變化關係曲線，得到所述光源系統溫度對光頻的拐點，並將該拐點對應的溫度作為最終光源系統溫度；
採集光源系統的光強信號，以所述最終光源系統溫度為光源系統的固定溫度，在多個不同的光強下調節光共振吸收系統的溫度，繪製不同光強下的第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線；
比較不同光強下的第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線，以變化趨勢最小的曲線對應的光強為最佳光強、以各個曲線交點對應的溫度為最佳光共振吸收系統溫度、以最終光源系統溫度為最佳光源系統溫度，將所述光源系統調節至所述最佳光強、最佳光共振吸收系統溫度和最佳光源系統溫度狀態進行高穩光頻輸出。
進一步的，所述第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線根據以下方法繪製：
選取梯度變化的多個光強值，並在各個光強值下調節光共振吸收系統溫度，使光共振吸收系統溫度在範圍E1內變化，以F1為採樣間隔採集所述光源系統的光頻信號，繪製不同光強下的第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線；
從多組第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線中選取幾組平滑曲線，將所述幾組平滑曲線對應的光強值作為繪製第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線時選取的光強值，在所述選取的光強值下調節光共振吸收系統溫度，使光共振吸收系統溫度在範圍E2內變化，以F2為採樣間隔採集所述光源系統的光頻信號，繪製不同光強下的第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線；
其中，所述範圍E2屬於範圍E1的一部分，所述F1大於F2。
進一步的，所述光強的調節方法包括：所述第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線經電反向處理。
對於本發明一種高穩光頻輸出控制系統，其技術方案為，包括單片機、光源系統、光共振吸收系統、光強採集儀、光頻測量儀和PC機，所述單片機的光源系統溫度控制信號輸出端與所述光源系統控制信號接收端連接，所述單片機的光共振吸收系統溫度控制信號輸出端與所述光共振吸收系統溫度控制信號接收端連接，所述光源系統的光頻信號輸出端與所述光頻測量儀電連接，所述光源系統的光強信號輸出端通過所述光共振吸收系統與所述光強採集儀電連接，所述光頻測量儀的光頻信號輸出端和所述光強採集儀的光強信號輸出端分別與所述PC機的數據接收端連接。
進一步的，所述光源系統內設有多個衰減度梯度變化的中性衰減濾光片，多個所述中性衰減濾光片均勻設置於一旋轉機構上，所述旋轉機構通過步進電機與單片機電連接，任意一個所述中性衰減濾光片均可旋轉至中心與光束中心軸重合位置。
進一步的，所述中性衰減濾光片直徑與所述光源系統的光束橫截面直徑相同。
進一步的，所述中性衰減濾光片不少於5個。
本發明的有益效果：採集光源系統的光強和光頻，並通過單片機調節光源系統和光共振吸收系統的溫度，能夠實時監測光源系統溫度、光共振吸收系統溫度對光頻的影響。在光源系統內設置多個衰減度梯度變化的中性衰減濾光片，並利用步進電機控制各個中性衰減濾光片分別對光束進行衰減，從而獲取可大範圍變化的光強，解決了光源溫度在平坦區變化時，光強的可改變量非常有限的問題。通過繪製系統溫度-光頻變化關係曲線，能夠獲取最佳系統溫度值，而通過比較不同光強下光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線，能夠確定最佳光強值和光共振吸收系統溫度值，從而確定光源系統的最佳工作狀態，將光源系統按照最佳工作狀態進行輸出，能夠獲得高穩光頻。
附圖說明
圖1為本發明一種高穩光頻輸出控制系統結構框圖；
圖2為本發明光源系統溫度-光頻變化關係曲線圖；
圖3為本發明第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線圖；
圖4為本發明第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線圖；
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明：
如圖1所示，本發明一種高穩光頻輸出控制系統包括：單片機、光源系統、光共振吸收系統、光強採集儀、光頻測量儀和PC機。單片機的光源系統溫度控制信號(即溫度控制1)輸出端與所述光源系統控制信號接收端連接，單片機的光共振吸收系統溫度控制信號(即溫度控制2)輸出端與光共振吸收系統溫度控制信號接收端連接，光源系統的光頻信號輸出端與光頻測量儀電連接，光源系統的光強信號輸出端通過光共振吸收系統與光強採集儀電連接，光頻測量儀的光頻信號輸出端和光強採集儀的光強信號輸出端分別與PC機的數據接收端連接。
光源系統內設有多個衰減度梯度變化的中性衰減濾光片，多個中性衰減濾光片沿圓周方向均勻固定於一個可360°旋轉的旋轉機構上。旋轉機構中心軸與步進電機的驅動軸固定連接，步進電機的控制端與單片機電連接。步進電機沒控制旋轉機構旋轉一個角度，均能使一個中性衰減濾光片中心與光束中軸線重合，且光束橫截面的直徑與中性衰減濾光片的直徑相同。本實施例中採用9個中性衰減濾光片，衰減度為10％～90％，從而可以獲取9個光強值，實際使用時，中性衰減濾光片的數量和衰減度可根據實際情況進行選擇。
為了使光源系統實現高溫光頻輸出，需要使光源系統工作與最佳狀態，而最佳狀態時對應的最佳光源系統溫度、光共振吸收系統溫度和光強的獲取方式如下：
如圖2所示為光源系統溫度-光頻變化關係曲線圖，可以看出隨著光源溫度的改變，系統輸出的頻率會在1×10～12/℃及4×10～11/℃內變化。通過光強採集儀和光頻測量儀分別採集光源系統的光強和光頻，單片機調節光源系統的溫度，根據光源系統溫度與光頻的關係繪製光源系統溫度-光頻變化關係曲線圖。由於在光源控溫環節中，實測光源溫度的變化是很小的，其控溫比值在100左右，因此，在做「系統溫度-頻率」實驗時，首先在大範圍搜索光源溫度對頻率的拐點，例如光源溫度變化步長為1℃，然後，在此光源溫度點小範圍內再搜索一次拐點。例如上圖，其溫度拐點在橫軸溫度示意值1600點。在上述獲得的拐點1600值，按照上述方法，在小範圍搜索光源溫度對頻率的拐點，此時光源溫度變化步長為0.1℃，同時光頻記錄儀記錄對應的頻率，可以獲得上圖所示的精細圖，同樣的方法找到精細拐點，定為最終的光源系統溫度。
光源系統光強的穩定性對系統的穩定性指標有著很大的影響，通常情況下，光強對頻率的影響為1×10–12/1％，即光強變化1％，則引起頻率的變化為1×10–12。當然對於不同的光源系統，光強對頻率的影響程度有所不同，對於工作在不同狀態的同一系統也會有所不同。因此，我們一方面要通過系統參數優化，減小光強變化對頻移的影響，另一方面要採取措施，對燈光強進行控制，使燈的光強穩定性滿足實現系統指標所需的要求。
為了選擇一個合適的光強，可以通過改變光源的激勵功率、光源系統溫度，的方法。新的光源做成之後，相對應的燈激勵功率電路已經和它配套，一般情況下不宜隨便改變燈激勵功率。我們已經知道，光源的溫度大致上分為三個部分：張馳振蕩區、平坦區、自蝕區。由於平坦區通常區間比較大，光源光源溫度選擇在此區間，光強隨光源溫度的變化要比其它區間小得多，故通常我們把光源光源溫度選擇在此區間上。但是我們應該注意到這樣的問題，正是因為將光源溫度選擇在平坦區中，光強的可改變量是非常有限的，這不便於我們大範圍的改變光強來滿足實際應用中的需求。再則，我們改變光源的溫度，實際上已經改變了燈的光譜輪廓。因此，本專利採用中性衰減濾光片來改變光強，實驗也已證明它是一種有效的辦法。
本專利採用的中性衰減濾光片為透明塑料，因為它比較簿，能夠方便地置入系統中，而且由於單片透明塑料對光的衰減率比較小，因此可以對光進行比較精細的調節。通過單片機控制步進電機旋轉，從而可以獲取梯度變化的多個光強值，在各個光強值下以一個較大的變化範圍，如E1，來調節光共振吸收系統溫度，以F1為採樣間隔(即溫度每變化F1便取一個採樣點)採集光源系統的光頻信號，繪製出不同光強下的第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線。如圖3所示為第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線圖(此圖為電反向後的示意圖)。需要指出的是上圖只是做了兩個光強的圖，我們實際上需要做至少5個不同光強下的曲線，目的是從這5曲線中選出3組較好的曲線進行下一步實驗，所謂「較好」如上圖所示，只要曲線平滑即可。
在得到3組較好的曲線後，以最終光源系統溫度為光源系統的固定溫度，在這3個光強下，分別逐漸調節光共振吸收系統的溫度(此溫度的調節範圍遠小於圖2中的溫度調節範圍，如E2(E2<E1)，即在相對於第一光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線，在一個較小的範圍內調節光共振吸收系統的溫度，並獲取更多的採樣點)，以F2(F2<F1)為採樣間隔(即溫度每變化F2便取一個採樣點)繪製3個光強下的第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線。如圖3所示為第二光共振吸收系統溫度-光頻變化關係曲線示意圖，圖中三個曲線存在一個共同的交點(即光共振吸收系統溫度T＝T0)。當光共振吸收系統溫度T＝T0時頻移與光強A、B、C無關，這即是我們所要尋找的光頻最佳工作點。從圖中也可清楚地看出光頻移具有負的溫度係數，在光強不變的情況下，隨著光共振吸收系統溫度的升高，頻移量變小。同時對應於不同的光強A、B、C，光頻移溫度係數的量值也是不一致的，圖中選擇在光強C時，光頻移溫度係數最小(即曲線變化趨勢最小)。此時刻我們將獲得最佳的工作環境，即光源系統溫度拐點對應的光源系統溫度值、光共振吸收系統的最佳溫度點T0、最佳光強值光強C。讓光源系統工作於此最佳工作環境，能夠獲得高溫光頻輸出。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，應當指出，任何熟悉本領域的技術人員在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。