射頻波導(dǎo)CO2激光器頻率控制研究.pdf

1、射頻波導(dǎo)CO2激光器具有輸出功率大、能量轉(zhuǎn)化效率高、工作時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊重量輕等特點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出又可以高頻調(diào)制輸出，因此在紅外激光技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。作為THz激光器的泵浦源，要求激光器絕對(duì)頻率具有很高的穩(wěn)定性，應(yīng)用于激光雷達(dá)外差探測(cè)時(shí)，探測(cè)精度又取決于外差信號(hào)的頻率穩(wěn)定性，因此頻率控制研究對(duì)射頻波導(dǎo)CO2激光器應(yīng)用具有重大意義。
　　目前大部分穩(wěn)頻方法都應(yīng)用于穩(wěn)定連續(xù)激光器頻率，穩(wěn)定脈沖激光器的方法較少。此外，很多穩(wěn)頻和

2、偏頻鎖定方法都需要改變激光器構(gòu)造或在激光諧振腔內(nèi)放置探測(cè)裝置，操作復(fù)雜且造價(jià)較高。本文針對(duì)射頻波導(dǎo)CO2激光器建立了一套簡(jiǎn)單數(shù)字電路穩(wěn)頻系統(tǒng)，無(wú)需改變激光器結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定脈沖激光器絕對(duì)頻率，同時(shí)也可鎖定兩激光器差頻。
　　本文采用一種新方法，即建立時(shí)間法來(lái)穩(wěn)定脈沖激光頻率，穩(wěn)頻系統(tǒng)不斷監(jiān)測(cè)脈沖激光的建立時(shí)間，通過調(diào)節(jié)激光器腔長(zhǎng)控制脈沖激光建立時(shí)間，使輸出激光脈沖建立時(shí)間最小，從而達(dá)到穩(wěn)定激光頻率目的。采用拖尾鑒頻法來(lái)穩(wěn)定脈沖和連續(xù)激光

3、器差頻，系統(tǒng)通過改變本振激光器腔長(zhǎng)來(lái)調(diào)整脈沖拖尾信號(hào)與連續(xù)信號(hào)的差頻頻率，將其穩(wěn)定預(yù)設(shè)頻率值處。
　　本文設(shè)計(jì)的頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為四大部分：將激光脈沖信號(hào)和差頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的頻率穩(wěn)定和偏頻鎖定濾波整形電路；利用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)了測(cè)量脈沖建立時(shí)間計(jì)數(shù)器和測(cè)量差頻頻率的鑒頻器；用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并給出腔長(zhǎng)調(diào)整方向信號(hào)的主控制器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電路。軟件中根據(jù)激光器頻率穩(wěn)定度不同，分別設(shè)計(jì)了最值法和極值法兩種頻率穩(wěn)定算法，偏

4、頻鎖定采用了大概率均值濾波算法來(lái)減小鑒頻誤差。此外，系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了顯示模塊，可以實(shí)時(shí)顯示脈沖的建立時(shí)間值和差頻的頻率值，顯示周期為200ms。
　　采用此系統(tǒng)實(shí)施了射頻波導(dǎo)脈沖CO2激光器頻率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明極值法適用于建立時(shí)間波動(dòng)較大的激光器，較為穩(wěn)定的激光器需采用最值法，實(shí)驗(yàn)用的激光器在建立時(shí)間最小時(shí)較穩(wěn)定，采用極值法容易失鎖，實(shí)驗(yàn)測(cè)得最值法穩(wěn)定后脈沖激光的長(zhǎng)期頻率變化范圍小于±12.5MHz。將射頻波導(dǎo)脈沖CO2激光器作為