計算機控制的雷射器長期穩頻裝置及其方法

2023-06-02 21:36:01

專利名稱：計算機控制的雷射器長期穩頻裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及雷射器的穩頻，尤其涉及一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置及其方法。
背景技術：
外腔半導體雷射器的穩頻技術在量子光學、冷原子物理等實驗和工程領域有著重要的應用，是實現精密測量的關鍵技術之一。普通雷射二極體的長期穩頻已經實現，但是外腔半導體雷射器由於存在外部光學反饋，穩頻需要通過溫度、電流和光柵控制實現長期穩頻。對於外腔半導體雷射器中所用的雷射管是無消反射膜情況，長期鎖頻更是困難，因為跳模的幹擾是一個主要障礙。目前抑制跳模實現長期穩頻的常用方法是，使用出射端面鍍了一層消反射膜的雷射二極體、在雷射器控制電路增加電流前饋功能並與光柵按比例聯合調節，這樣能擴展雷射器無跳模連續調諧範圍，在一定程度上緩解跳模的幹擾、延緩跳模出現的時機，但並不能從根本上消除跳模，這就使得雷射器很難在數天時間以上保持穩定。還有一種具備在發生跳模頻率失鎖後自動恢復穩定的功能的雷射器控制方法及其裝置，它並不能抑制跳模，只是因為有自動恢復功能而實現了長期穩頻，但不時發生的跳模失鎖仍然會干擾應用實驗的正常進行，而且此方法及其裝置要求雷射光譜形態非常簡單，當光譜形態比較複雜時，自動恢復的準確度就大大降低了。綜上，目前國內沒有一種抑制跳模而實現長期穩頻的雷射器控制方法及其裝置。

發明內容
本發明的目的是為克服現有的雷射器穩頻方法及其裝置不能長期抑制跳模從而不能長期穩頻的困難，提供一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置及其方法。計算機控制的雷射器長期穩頻裝置包括外腔半導體雷射器、溫度控制器、電流驅動器、光柵驅動器、部分反射鏡、鑑頻光路和電路模塊、第一計算機、第二計算機、第一數據採集卡、第二數據採集卡和雷射應用任務的運行系統；外腔半導體雷射器輸入埠分別與溫度控制器輸出埠、電流驅動器輸出埠、光柵驅動器輸出埠相連，外腔半導體雷射器輸出雷射束由部分反射鏡的雷射束直射部分提供給雷射應用任務的運行系統，部分反射鏡的雷射束反射部分輸入到鑑頻光路和電路模塊，鑑頻光路和電路模塊的輸出埠與第二數據採集卡的輸入埠相連，第二數據採集卡的輸出埠分別與溫度控制器輸入埠、電流驅動器輸入埠、光柵驅動器輸入埠相連，第二數據採集卡的總線埠與第二計算機的總線埠相連接，第一數據採集卡的輸出埠與雷射應用任務的運行系統的輸入埠相連，第一數據採集卡的總線埠與第一計算機的總線埠相連接，第一數據採集卡的通信埠和第二數據採集卡的通信埠相連接。所述的第一計算機和第二計算機為通用微型計算機。所述的第一數據採集卡和第二數據採集卡為配有數模、模數轉換器的數據採集卡。
計算機控制的雷射器長期穩頻方法的步驟如下
1)第一計算機執行雷射應用任務的同時第二計算機執行常規雷射穩頻程序，給應用任務提供持續穩定的雷射源；
2)當第一計算機執行完一次或多次完整的應用任務後，進入等待程序，同時通過第一數據採集卡的通信埠與第二數據採集卡的通信埠向第二計算機發送信號，第一計算機通知第二計算機雷射應用任務完成，要求第二計算機進行雷射器檢測；
3)第二計算機接到進行雷射器檢測的信號後，立刻停止常規穩頻，轉而啟動檢測程序 掃描光柵，得到以當前雷射穩定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各O-IGHz範圍內的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈衝，從而檢測其中是否含有跳模現象，並通過第二數據採集卡調節雷射器的電流和溫度；
4)第二計算機完成雷射器檢測程序後，恢復啟動常規穩頻，同時通過第二數據採集卡的通信埠與第一數據採集卡的通信埠向第一計算機發送信號，第二計算機通知第一計算機雷射器檢測程序完成，要求第一計算機繼續執行雷射應用任務；
5)第一計算機接到繼續執行雷射應用任務的信號後，立刻恢復執行雷射應用任務；
6)第一計算機、第二計算機重複步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現跳模就會立刻被消除，保持雷射器長期不受跳模幹擾，實現長期穩頻。本發明的有益效果是，在同步信號的協調下，計算機控制雷射器能在不影響應用任務的正常進行的情況下定期檢查光譜並抑制跳模，實現雷射器長期穩頻，並且結構簡單， 不用對原有雷射器及其光路做任何改動。


圖1為計算機控制的雷射器長期穩頻裝置的結構示意圖； 圖2為本發明的第一計算機的程序流程圖3為本發明的第二計算機的程序流程圖中外腔半導體雷射器1、溫度控制器2、電流驅動器3、光柵驅動器4、部分反射鏡5、 鑑頻光路和電路模塊6、第一計算機7、第二計算機8、第一數據採集卡9、第二數據採集卡 10、雷射應用任務的運行系統11。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。如圖1所示，計算機控制的雷射器長期穩頻裝置包括外腔半導體雷射器1、溫度控制器2、電流驅動器3、光柵驅動器4、部分反射鏡5、鑑頻光路和電路模塊6、第一計算機7、 第二計算機8、第一數據採集卡9、第二數據採集卡10和雷射應用任務的運行系統11 ；外腔半導體雷射器1輸入埠分別與溫度控制器2輸出埠、電流驅動器3輸出埠、光柵驅動器4輸出埠相連，外腔半導體雷射器1輸出雷射束由部分反射鏡5的雷射束直射部分提供給雷射應用任務的運行系統11，部分反射鏡5的雷射束反射部分輸入到鑑頻光路和電路模塊6，鑑頻光路和電路模塊6的輸出埠與第二數據採集卡10的輸入埠相連，第二數據採集卡10的輸出埠分別與溫度控制器2輸入埠、電流驅動器3輸入埠、光柵驅動器4輸入埠相連，第二數據採集卡10的總線埠與第二計算機8的總線埠相連接，第一數據採集卡9的輸出埠與雷射應用任務的運行系統11的輸入埠相連，第一數據採集卡9的總線埠與第一計算機7的總線埠相連接，第一數據採集卡9的通信埠和第二數據採集卡10的通信埠相連接。所述的第一計算機7和第二計算機8為通用微型計算機。所述的第一數據採集卡 9和第二數據採集卡10為配有數模、模數轉換器的數據採集卡。 計算機控制的雷射器長期穩頻方法的步驟如下
1)第一計算機7執行雷射應用任務的同時第二計算機8執行常規雷射穩頻程序，給應用任務提供持續穩定的雷射源；
2)當第一計算機7執行完一次或多次完整的應用任務後，進入等待程序，同時通過第一數據採集卡9的通信埠與第二數據採集卡10的通信埠向第二計算機8發送信號，第一計算機7通知第二計算機8雷射應用任務完成，要求第二計算機8進行雷射器檢測；
3)第二計算機8接到進行雷射器檢測的信號後，立刻停止常規穩頻，轉而啟動檢測程序掃描光柵，得到以當前雷射穩定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各 O-IGHz範圍內的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈衝，從而檢測其中是否含有跳模現象，並通過第二數據採集卡10調節雷射器的電流和溫度；
4)第二計算機8完成雷射器檢測程序後，恢復啟動常規穩頻，同時通過第二數據採集卡10的通信埠與第一數據採集卡9的通信埠向第一計算機7發送信號，第二計算機8 通知第一計算機7 雷射器檢測程序完成，要求第一計算機7繼續執行雷射應用任務；
5)第一計算機7接到繼續執行雷射應用任務的信號後，立刻恢復執行雷射應用任務；
6)第一計算機7、第二計算機8重複步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現跳模就會立刻被消除，保持雷射器長期不受跳模幹擾，實現長期穩頻。外腔半導體雷射器為商用的Littrow型結構的外腔半導體雷射器，溫度控制器、 電流驅動器、光柵驅動器是其配套的控制電路、鑑頻光路和電路模塊為採用飽和吸收譜技術的光路和接受通過該光路的雷射束的光電探測器、第一計算機、第二計算機都是通用微型計算機，第一數據採集卡、第二數據採集卡都是配備有數模、模數轉換器的PCI型數據採集卡，它們分別插在第一計算機、第二計算機的主板上。外腔半導體雷射器輸出光路由部分反射鏡分出一大部分提供給應用任務，一小部分輸入到鑑頻光路和電路模塊，模塊中光電探測器輸出的鑑頻電信號輸入第二數據採集卡，從而輸入第二計算機。計算機輸出控制信號通過第二數據採集卡分別控制溫度控制器、 電流驅動器、光柵驅動器，從而控制雷射器的輸出頻率。這樣第二計算機就可以根據接受的鑑頻信號對雷射器進行穩頻。第一計算機通過第一數據採集卡控制應用任務如原子噴泉實驗。第一計算機、第二計算機通過第一數據採集卡、第二數據採集卡之間的通信電纜進行通
fn °本裝置運行時，第一計算機執行原子噴泉過程的同時第二計算機執行常規PID穩頻程序，將雷射穩定在指定的飽和吸收峰處，給原子噴泉實驗提供持續穩定的雷射源。當第一計算機執行完一次或多次完整的原子噴泉過程後，通過通信線路向第二計算機發送信號，通知第二計算機原子噴泉過程完成，可以進行掃描檢測。第一計算機隨即進入等待程序。第二計算機接到這道指令後，立刻停止常規PID穩頻，轉而啟動單次光柵掃描程序，以當前穩頻工作點為中心，覆蓋兩邊數百MHz頻率範圍。計算得到的光譜信號的微分信號，檢查其中是否含有尖峰脈衝，從而檢查其中是否含有跳模現象，並計算跳模點與穩頻工作點的相對位置，然後根據位置進行可能需要的電流調節以排除模跳模。最後，恢復啟動常規 PID穩頻迅速鎖定在此前解除鎖定的飽和吸收峰處，同時通過通信線路通知第一計算機 跳模掃描檢測程序完成，可以繼續進行原子噴泉實驗了。整個跳模掃描檢測程序耗時僅0. 1 秒鐘。就這樣，兩臺計算機通過這種協調機制同步工作，不斷循環進行下去。一旦發現光譜中出現跳模就立刻啟動電流調節以及時排除它，從而實現長期穩頻。這就是這種檢測程序及其協調機制的運行原理。

本發明並不限於具體實施方式
中所述的實例，本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其他的實施方式，在不脫離權利要求書中所述本發明的精神和範圍內，都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置，其特徵在於包括外腔半導體雷射器(1)、 溫度控制器(2)、電流驅動器(3)、光柵驅動器(4)、部分反射鏡(5)、鑑頻光路和電路模塊 (6)、第一計算機(7)、第二計算機(8)、第一數據採集卡(9)、第二數據採集卡(10)和雷射應用任務的運行系統(11);外腔半導體雷射器(1)輸入埠分別與溫度控制器(2)輸出埠、 電流驅動器(3)輸出埠、光柵驅動器(4)輸出埠相連，外腔半導體雷射器(1)輸出雷射束由部分反射鏡(5)的雷射束直射部分提供給雷射應用任務的運行系統(11)，部分反射鏡 (5)的雷射束反射部分輸入到鑑頻光路和電路模塊(6)，鑑頻光路和電路模塊(6)的輸出埠與第二數據採集卡(10)的輸入埠相連，第二數據採集卡(10)的輸出埠分別與溫度控制器(2)輸入埠、電流驅動器(3)輸入埠、光柵驅動器(4)輸入埠相連，第一數據採集卡(9)的輸出埠與雷射應用任務的運行系統(11)的輸入埠相連，第二數據採集卡(10)的總線埠與第二計算機(8)的總線埠相連接，第一數據採集卡(9)的總線埠與第一計算機(7)的總線埠相連接，第一數據採集卡(9)的通信埠和第二數據採集卡 (10)的通信埠相連接。
2.根據權利要求1所述的一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置，其特徵在於所述的第一計算機(7)和第二計算機(8)為通用微型計算機。
3.根據權利要求1所述的一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置，其特徵在於所述的第一數據採集卡(9)和第二數據採集卡(10)為配有數模、模數轉換器的數據採集卡。
4.一種使用如權利要求1所述裝置的計算機控制的雷射器長期穩頻方法，其特徵在於它的步驟如下1)第一計算機(7)執行雷射應用任務的同時第二計算機(8)執行常規雷射穩頻程序， 給應用任務提供持續穩定的雷射源；2)當第一計算機(7)執行完一次或多次完整的應用任務後，進入等待程序，同時通過第一數據採集卡(9 )的通信埠與第二數據採集卡(10 )的通信埠向第二計算機(8 )發送信號，第一計算機(7)通知第二計算機(8)雷射應用任務完成，要求第二計算機(8)進行雷射器檢測；3)第二計算機(8)接到進行雷射器檢測的信號後，立刻停止常規穩頻，轉而啟動檢測程序掃描光柵，得到以當前雷射穩定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各 O-IGHz範圍內的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈衝，從而檢測其中是否含有跳模現象，並通過第二數據採集卡(10)調節雷射器的電流和溫度；4)第二計算機(8)完成雷射器檢測程序後，恢復啟動常規穩頻，同時通過第二數據採集卡(10)的通信埠與第一數據採集卡(9)的通信埠向第一計算機(7)發送信號，第二計算機(8)通知第一計算機(7)雷射器檢測程序完成，要求第一計算機(7)繼續執行雷射應用任務；5)第一計算機(7)接到繼續執行雷射應用任務的信號後，立刻恢復執行雷射應用任務；6)第一計算機(7)、第二計算機(8)重複步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現跳模就會立刻被消除，保持雷射器長期不受跳模幹擾，實現長期穩頻。
全文摘要
本發明公開了一種計算機控制的雷射器長期穩頻裝置及其方法。鑑頻光路和電路模塊的輸出埠與第二數據採集卡的輸入埠相連，第二數據採集卡的輸出埠分別與溫度控制器、電流驅動器、光柵驅動器的輸入埠相連，第二數據採集卡的總線埠與第二計算機的總線埠相連接，第一數據採集卡的總線埠與第一計算機的總線埠相連接，第一數據採集卡的通信埠和第二數據採集卡的通信埠相連接。在兩臺計算機定期發送同步信號的協調下，第二計算機在給雷射穩頻期間，第一計算機完成雷射應用任務；第一計算機在暫停應用任務期間，第二計算機檢查並抑制雷射器跳模；從而在不影響應用任務雷射頻率穩定性的基礎上，實時檢查並抑制跳模，實現長期穩頻。
文檔編號H01S5/0687GK102185251SQ201110090598
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者徐周翔, 陸璇輝, 黃凱凱 申請人:浙江大學