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Aigtek電壓放大器基于伺服系統(tǒng)的激光控制研究的研究

時間:2025/3/20閱讀:69
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  實驗名稱:基于伺服系統(tǒng)的激光控制研究

  測試目的:全固態(tài)單頻激光器的噪聲低、相干性好,是產(chǎn)生連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的激光光源。在制備壓縮態(tài)光場的過程中需要使用高精度的光學(xué)相位鎖定技術(shù),它不但可以實現(xiàn)對光學(xué)系統(tǒng)的高精度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定,從而保證壓縮態(tài)光場的制備精度和穩(wěn)定性。而且,相位鎖定技術(shù)可以對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)和控制,從而實現(xiàn)對壓縮態(tài)光場壓縮角和測量分量的實時調(diào)控和優(yōu)化。因此,研究相位鎖定技術(shù)具有重要的理論研究價值,并且可以以其為參考,將鎖定理論拓展到頻率鎖定、功率鎖定等相關(guān)的鎖定技術(shù)之中。以1064nm全固態(tài)單頻連續(xù)激光器為光源,通過對激光分束后產(chǎn)生的兩光束的相位差進(jìn)行0、π/2、π的相位鎖定,提高兩光束相對相位的長期穩(wěn)定性?;谒欧到y(tǒng)的相位鎖定技術(shù)可進(jìn)一步推廣至連續(xù)變量量子壓縮態(tài)光場的制備工作中。

  測試設(shè)備:電壓放大器、示波器、光電探測器等。

  實驗過程:

  搭建嵌入式伺服反饋控制系統(tǒng),利用自行研制的808nm半導(dǎo)體二極管為泵浦源的輸出功率10W,輸出波長1064nm的全固態(tài)單頻連續(xù)波激光器搭建了相位鎖定實驗裝置。激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。


1064nm激光器諧振腔內(nèi)原理圖


  圖1:1064nm激光器諧振腔內(nèi)原理圖

  該諧振腔腔長為676.7mm。從左側(cè)入射的即為808nm泵浦光,在經(jīng)過f1與f2兩塊焦距分別為30mm與80mm的凸透鏡整形后,透過曲率半徑為1500mm的凸面腔鏡M1,即可在Nd:YVO4晶體內(nèi)部聚焦光斑。Nd:YVO4晶體是一種自然雙折射晶體,其吸收系數(shù)高,受激發(fā)射截面大,吸收帶寬,吸收峰約808nm,吸收系數(shù)比另一種常用晶體Nd:YAG大四倍,可以穩(wěn)定釋放出1064nm的熒光譜線,所以常用其作為1064nm激光器的工作物質(zhì)。

  1064nm激光從激光器中輸出后由一個偏振片和一個偏振分光棱鏡PBS將激光分成兩束。其中一束激光經(jīng)過一個1064nm的高反鏡與另一束經(jīng)過一個粘連壓電陶瓷的1064nm高反鏡的激光在50%透射50%反射鏡上耦合產(chǎn)生干涉,再經(jīng)過一個聚焦透鏡聚焦后,注入到探測器當(dāng)中,探測器采集到干涉信號后分為兩路,一路信號輸入到示波器用于觀測,另一路信號連接到MCU的輸入模塊,經(jīng)過處理程序計算后,由輸出模塊輸出反饋信號,并經(jīng)電壓放大器放大后作用到壓電陶瓷上,通過壓電陶瓷的伸縮改變光程,從而實現(xiàn)兩束光的相對相位鎖定。鎖定實驗結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。


相位鎖定實驗結(jié)構(gòu)圖


  圖2:相位鎖定實驗結(jié)構(gòu)圖

  根據(jù)伺服反饋控制邏輯,我們以如圖3所示的邏輯,將相位鎖定系統(tǒng)布置在了運行速率為33M的MCU之上。其中,被控對象即是1064nm激光的干涉系統(tǒng),控制器則是我們開發(fā)的基于MCU的伺服反饋控制系統(tǒng),傳感器為我們自行設(shè)計的光電探測器,通過光電二極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,并傳遞到MCU中。


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  圖3:實驗中搭建的伺服反饋控制邏輯

  實驗結(jié)果:


干涉掃描信號示波器波形圖


  圖4:干涉掃描信號示波器波形圖

  通過調(diào)整偏振片使兩束光在50%透射50%反射鏡處發(fā)生干涉后,使用三角波對壓電陶瓷進(jìn)行掃描,采集到的信號圖像如圖4所示,藍(lán)色圖線為輸入的三角波掃描信號,而紅色的圖線為在三角波信號掃描下的干涉信號光強(qiáng)電壓值變化??梢钥吹礁缮嫘盘柕墓鈴?qiáng)電壓值在掃描信號的作用下,呈現(xiàn)周期性的上下波動。波峰處即為發(fā)生干涉相長時的電壓幅度,波谷處即為發(fā)生干涉相消時的電壓幅度。將示波器上的光強(qiáng)電壓值輸入到控制系統(tǒng)中,再由控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋,利用壓電陶瓷對干涉系統(tǒng)中兩束光的其中一束的相位進(jìn)行反饋控制,最終可實現(xiàn)將光強(qiáng)電壓控制在一個固定值,即兩束光的相位差保持固定,實現(xiàn)相位鎖定。

  實驗中,我們將比例參數(shù)設(shè)定為0.2,計算所經(jīng)過的時鐘周期數(shù)設(shè)定為10,而采集間隔延時設(shè)置為50個指令周期,分別將干涉信號鎖定在最小值、最大值以及中間固定值(對應(yīng)相位差為0、π、π/2)的結(jié)果如圖5、6、7所示。鎖定在最小值的波動為干涉相位峰峰值差值的2.12%、鎖定最大值的穩(wěn)定性波動為峰峰值差值的1.76%,鎖定中間固定值的穩(wěn)定性波動為峰峰值差值的2.35%,滿足相位鎖定的要求。


相位鎖定最小值結(jié)果圖


  圖5:相位鎖定最小值結(jié)果圖


相位鎖定最大值示意圖


  圖6:相位鎖定最大值示意圖


相位鎖定平均值(中間固定值)結(jié)果圖


  圖7:相位鎖定平均值(中間固定值)結(jié)果圖

  電壓放大器推薦:ATA-2082



  圖:ATA-2082高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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