CO2激光器頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng)小型化研究.pdf

1、射頻波導(dǎo)CO2激光器可廣泛的應(yīng)用于光泵THz激光、相干激光雷達(dá)，外差探測(cè)，光譜分析等領(lǐng)域，在以上應(yīng)用中對(duì)激光的頻率或激光外差的穩(wěn)定性有較高的要求，因此對(duì)CO2激光的頻率進(jìn)行主動(dòng)穩(wěn)定控制具有重要意義。
　　為了滿足 CO2相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的要求，論文設(shè)計(jì)了一套頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng)，對(duì)雙通道 Z折疊光柵選支射頻波導(dǎo) CO2激光器進(jìn)行頻率控制，主要包括主動(dòng)穩(wěn)頻和偏頻鎖定兩個(gè)子系統(tǒng)。其中主動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)采用了最小脈沖建立時(shí)間方法對(duì)主振脈沖激光器進(jìn)

2、行穩(wěn)頻，同時(shí)偏頻鎖定系統(tǒng)通過(guò)控制本振激光器的腔長(zhǎng)將主振和本振激光的外差頻率鎖定在設(shè)定頻率處。系統(tǒng)采用一個(gè)單元探測(cè)器同時(shí)為主動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)和偏頻鎖定系統(tǒng)提供輸入信號(hào)，采用FPGA和PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)了頻率控制系統(tǒng)，采用壓電陶瓷調(diào)諧 CO2激光頻率，系統(tǒng)集成了信號(hào)整形電路、D/A轉(zhuǎn)換、高壓放大器等模塊，達(dá)到了小型化的目的。
　　本文研究主要內(nèi)容：
　?。?）采用FPGA設(shè)計(jì)了數(shù)字計(jì)數(shù)器和高頻信號(hào)鑒頻器，分別用于脈沖激光建立時(shí)間和雙通道

3、激光外差信號(hào)頻率的測(cè)量。為了提高計(jì)數(shù)及鑒頻精度，采用了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，提高系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，基于大概率數(shù)均值濾波思想，設(shè)計(jì)了寬度和延時(shí)可調(diào)的閘門(mén)用于脈沖差頻信號(hào)的鑒頻，進(jìn)一步提高鑒頻精度，同時(shí)，F(xiàn)PGA將計(jì)算的脈沖建立時(shí)間和外差頻率顯示在數(shù)碼管上，并傳送給單片機(jī)處理。
　　（2）本文采用一片單片機(jī)作為控制單元分時(shí)處理脈沖建立時(shí)間和外差頻率的數(shù)據(jù)并分別控制主振激光器和本振激光器的腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)穩(wěn)頻控制和偏頻鎖定控制。同

4、時(shí)單片機(jī)通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換器為信號(hào)整形電路提供大小可調(diào)的穩(wěn)定參考電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同幅值外差信號(hào)的精確鑒頻。本文在硬件電路設(shè)計(jì)上豐富系統(tǒng)功能的同時(shí)，并實(shí)現(xiàn)了小型化的目的。
　?。?）為驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性，本文采用高頻壓控振蕩信號(hào)發(fā)生器和脈沖信號(hào)發(fā)生器及高頻開(kāi)關(guān)電路搭建了模擬平臺(tái)用于模擬脈沖激光外差信號(hào)，并采用本文設(shè)計(jì)的頻率控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，用于模擬對(duì)激光外差的偏頻鎖定和主動(dòng)穩(wěn)頻控制。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)頻系統(tǒng)在閉環(huán)控制的情況下，頻率鎖

5、定精度達(dá)到了±0.5 MHz,完全滿足對(duì)激光器控制的要求。
　?。?）完成了對(duì)雙通道射頻波導(dǎo)CO2激光器的主動(dòng)穩(wěn)頻和偏頻鎖定控制實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算，主動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)閉環(huán)工作后頻率穩(wěn)定度達(dá)10-8，偏頻鎖定頻率精度±5MHz，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期穩(wěn)定控制精度。
　　本文設(shè)計(jì)的激光頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng)采用一片 FPGA實(shí)現(xiàn)脈沖建立時(shí)間和外差頻率的精確測(cè)量，并采用一片單片機(jī)作為微控制器分時(shí)處理脈沖建立時(shí)間和差頻頻率的數(shù)據(jù)并分別控制主振和本振激