自动判断并设定激光频率和功率的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法。本发明专利技术采用双激光器结构，主控单元能够根据光谱信号自动搜索并自动判断主激光器的输出频率，在自动优化主激光器的输出功率至目标功率后，将频率自动锁定到原子或分子谱线上；从激光器与主激光器的输出合束后产生拍频信号，主控单元能够自动判断主激光器和从激光器的输出频率的大小关系，从而准确且自动判断从激光器的输出频率，在自动优化从激光器的输出功率至目标功率后，利用主控单元生成锁频误差信号，在80GHz范围内实现对从激光器频率的锁定；本发明专利技术的方法可以广泛应用在激光冷却、原子频标，原子干涉仪以及激光波长计等基础研究和精密测量技术领域。

Control system and control method for automatically judging and setting laser frequency and power

The invention discloses a control system for automatically judging and setting the laser frequency and power and the control method thereof. The invention adopts double laser structure, the main control unit according to the spectrum signal of automatic search and automatically determine the output frequency of the master laser, the automatic optimization of the master laser output power to the target power, the automatic frequency locked to the atomic or molecular spectral line; the output from the laser and the master laser beam generates a beat frequency signal. The main control unit can automatically judge the master laser and the laser from the size of output frequency, so as to accurately and automatically judging from the output frequency of the laser, in the automatic optimization of the power output from the laser power to the target rate, the main control unit generates a frequency error signal in the range of 80GHz to realize the lock from the laser frequency; the method of the invention can be widely used in laser cooling, atomic frequency standard, interferometer and laser wavelength meter based on precision and atom Measurement technology field.

【技术实现步骤摘要】
自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法
本专利技术属于光电子
，具体涉及一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法。
技术介绍
在稳频激光相关的精密测量设备以及应用高频率精度激光的装置中，通常需要在较大范围内调谐并锁定激光的输出频率。激光的老化，参数漂移或者工作环境的较大起伏会使得激光频率漂移出系统锁定范围，从而造成设备的失效或者指标下降，激光器如果具有自动判断并自动设定频率的功能，设备的指标已经平均无故障时间将大幅上升。通常，在稳频激光器或者应用了高频率精度激光的设备或装置中，需要在较大范围内调谐并锁定激光频率。常用的方法是先使用控温单元将激光器温度控制在一定的固定范围之内(以半导体激光器为例，温度的不确定度一般控制在毫开尔文/1小时，对应激光频率的不确定度为20MHz量级)，然后再调节激光的注入电流，使得激光频率与某种样品(例如原子气室，分子气室或光学谐振腔等)共振，探测并处理共振产生的光谱信号获得误差信号，再利用误差信号控制激光频率(可控制激光的电流，共振腔长度或者激光温度)，实现激光频率的锁定(锁定后通常可以将激光频率的不确定度控制在1MHz量级)。利用原子或分子谱线做参考，激光频率只能锁定在几个固定的分立的频率值上，如果所需的激光频率与谱线的共振频率不一致，则需要使用复杂的外调制装置(例如声光调制，或电光调制等)将激光频率调节过去，且外调制装置不一定能够无缝覆盖原子或分子光谱共振频率之间的所有频率。利用光学谐振腔做参考，如果谐振腔镜之间的光程差不变，激光频率也只能锁定在几个固定的分立的频率值上；如果谐振腔长度能够被调谐，那么调谐精度会直接影响输出激光频率的精度。另外，谐振腔的长度非常容易受到环境各种因素的干扰(例如环境温度变化，湿度变化，机械振动等等)，这些干扰会使得腔的谐振频率发生漂移，从而影响激光器的输出频率。老化会使得激光器在初始设定温度条件下，达到系统需要的输出频率时，输出光的功率下降，产生的测量信号强度下降，从而使得整个装置指标下降甚至失效；激光参数变化或者环境条件有较大起伏时，激光在原有的设定温度下无法通过调节注入电流将激光频率调节到目标值，或者激光温度可能不能被锁定到原有的设定值，这样设备无法正常工作。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法，能够在激光器本身没有失效的前提下，自动判断并锁定激光器频率至目标值。本专利技术的一个目的在于提出一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统。本专利技术的自动判断并设定激光频率和功率的控制系统包括：主激光器、从激光器、第一控温单元、第二控温单元、第一电流单元、第二电流单元、第一功率探测器、第二功率探测器、饱和吸收光谱单元、稳频单元、高速光电探测器、分频器、第一高反射分光片、第二高反射分光片、高透射分光片、第一二分之一波片、第二二分之一波片、四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜和可编程逻辑器件CPLD；其中，可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第一控温单元和第一电流单元，控制主激光器的输出频率和输出功率；主激光器的输出光经过第一二分之一波片和第一偏振分束棱镜后，小部分功率的光进入饱和吸收光谱单元，吸收光谱单元将饱和吸收光谱信号传输至可编程逻辑器件；可编程逻辑器件根据饱和吸收光谱信号得到主激光器的输出频率；大部分功率的光经过第一高反射分光片；第一高反射分光片的透射光进入第一功率探测器；第一功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到主激光器的输出功率；第一高反射分光片的反射光进入第二高反射分光片，反射光作为主激光器的第一输出光，透射光进入第二偏振分束棱镜；可编程逻辑器件连接至稳频单元，稳频单元连接至第一电流单元，当主激光器的输出功率和输出频率为目标功率和目标频率时，可编程逻辑器件启动稳频单元；可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第二控温单元和第二电流单元，控制从激光器的输出频率和输出功率；从激光器的输出光经过高透射分光片；高透射分光片的反射光进入第二功率探测器；第二功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到从激光器的输出功率；高透射分光片的透射光经过第二二分之一波片和第二偏振分束棱镜后，大部分功率的光透射作为从激光器的第二输出光；经第二偏振分束棱镜后的小部分功率的光反射后与经第二高反射分光片透射的主激光器的激光合束，经过四分之一波片后进入高速光电探测器，产生拍频信号；拍频信号经过分频器，输出频率转换为输入频率1/N，输入至可编程逻辑器件，N为分频比，N为自然数。可编程逻辑器件CPLD通过编程实现主激光器参数设定单元、主激光器光谱记录单元、主激光器功率记录单元、从激光器参数设定单元、从激光器功率纪录单元、拍频信号频率测量单元和主控单元；其中，主激光器参数设定单元、主激光器光谱记录单元、主激光器功率记录单元、从激光器参数设定单元、从激光器功率纪录单元和拍频信号频率测量单元分别连接至主控单元；第一控温单元、第一电流单元和稳频单元分别连接主激光器参数设定单元，主控单元通过主激光器参数设定单元设置主激光器的工作参数；饱和吸收光谱单元连接至主激光器光谱记录单元，主激光器光谱记录单元通过分析饱和吸收光谱，得到主激光器的输出频率；第一功率探测器连接至主激光器功率记录单元，得到主激光器的输出功率；第二控温单元和第二电流单元分别连接从激光器参数设定单元，主控单元通过从激光器参数设定单元设置从激光器的工作参数；第二功率探测器连接至从激光器功率纪录单元，得到从激光器的输出功率；分频器连接至拍频信号频率测量单元，测量分频器的输出信号的频率。第一功率探测器和第二功率探测器采用光电二极管。高速光电探测器采用铟镓砷探测器。本专利技术的另一个目的在于提供一种自动判断并设定激光频率和功率的控制方法。本专利技术的自动判断并设定激光频率和功率的控制方法，包括以下步骤：1)预先测量得到温度对主激光器的输出频率的调节率以及电流对主激光器的输出频率的调节率，并且测量温度对从激光器的输出频率的调节率以及电流对从激光器的输出频率的调节率，将以上测量得到的已知参数存储在主控单元中；并且在主控单元中预先存储主激光器的目标频率和目标功率以及从激光器的目标频率和目标功率；2)设定扫描主激光器的温度设定值和电流设定值，以及设定扫描从激光器的温度设定值和电流设定值，为了自动判断和设定主激光器的频率，主控单元以一定频率间隔对应的温度步长设定一系列的扫描主激光器的温度设定值，在每一个温度设定值上，主控单元以更小的频率间隔对应的电流步长设定一系列的扫描主激光器的电流设定值；3)得到主激光器的第一个工作点：主控单元通过主激光器参数设定单元控制第一控温单元，主控单元产生一系列主激光器的温度设定值，从最低的温度设定值开始对主激光器进行温度扫描，并在每一个温度设定值上控制第一电流单元以更小的间隔扫描主激光器的电流设定值，同时主激光器光谱记录单元实时记录数字化后的主激光器的饱和吸收光谱信号，主控单元判断记录下来的光谱信号中是否出现激光与原子共振的饱和吸收光谱信号，当主控单元通过光谱信号中出现透射峰和透射峰对应的电流间距的比值判断出光谱信号中出现饱和吸收光谱信号并判断出透射峰对应的主激光器的输出频率后，找到与目标频率相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：主激光器、从激光器、第一控温单元、第二控温单元、第一电流单元、第二电流单元、第一功率探测器、第二功率探测器、饱和吸收光谱单元、稳频单元、高速光电探测器、分频器、第一高反射分光片、第二高反射分光片、高透射分光片、第一二分之一波片、第二二分之一波片、四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜和可编程逻辑器件CPLD；其中，所述可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第一控温单元和第一电流单元，控制主激光器的输出频率和输出功率；所示主激光器的输出光经过第一二分之一波片和第一偏振分束棱镜后，小部分功率的光进入饱和吸收光谱单元，吸收光谱单元将饱和吸收光谱信号传输至可编程逻辑器件；可编程逻辑器件根据饱和吸收光谱信号得到主激光器的输出频率；大部分功率的光经过第一高反射分光片；第一高反射分光片的透射光进入第一功率探测器；第一功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到主激光器的输出功率；第一高反射分光片的反射光进入第二高反射分光片，反射光作为主激光器的第一输出光，透射光进入第二偏振分束棱镜；可编程逻辑器件连接至稳频单元，稳频单元连接至第一电流单元，当主激光器的输出功率和输出频率为目标功率和目标频率时，可编程逻辑器件启动稳频单元；可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第二控温单元和第二电流单元，控制从激光器的输出频率和输出功率；从激光器的输出光经过高透射分光片；高透射分光片的反射光进入第二功率探测器；第二功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到从激光器的输出功率；高透射分光片的透射光经过第二二分之一波片和第二偏振分束棱镜后，大部分功率的光透射作为从激光器的第二输出光；经第二偏振分束棱镜后的小部分功率的光反射后与经第二高反射分光片透射的主激光器的激光合束，经过四分之一波片后进入高速光电探测器，产生拍频信号；拍频信号经过分频器，输出频率转换为输入频率1/N，输入至可编程逻辑器件，N为分频比，N为自然数。...

【技术特征摘要】
1.一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：主激光器、从激光器、第一控温单元、第二控温单元、第一电流单元、第二电流单元、第一功率探测器、第二功率探测器、饱和吸收光谱单元、稳频单元、高速光电探测器、分频器、第一高反射分光片、第二高反射分光片、高透射分光片、第一二分之一波片、第二二分之一波片、四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜和可编程逻辑器件CPLD；其中，所述可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第一控温单元和第一电流单元，控制主激光器的输出频率和输出功率；所示主激光器的输出光经过第一二分之一波片和第一偏振分束棱镜后，小部分功率的光进入饱和吸收光谱单元，吸收光谱单元将饱和吸收光谱信号传输至可编程逻辑器件；可编程逻辑器件根据饱和吸收光谱信号得到主激光器的输出频率；大部分功率的光经过第一高反射分光片；第一高反射分光片的透射光进入第一功率探测器；第一功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到主激光器的输出功率；第一高反射分光片的反射光进入第二高反射分光片，反射光作为主激光器的第一输出光，透射光进入第二偏振分束棱镜；可编程逻辑器件连接至稳频单元，稳频单元连接至第一电流单元，当主激光器的输出功率和输出频率为目标功率和目标频率时，可编程逻辑器件启动稳频单元；可编程逻辑器件将温度和电流的参数传输至第二控温单元和第二电流单元，控制从激光器的输出频率和输出功率；从激光器的输出光经过高透射分光片；高透射分光片的反射光进入第二功率探测器；第二功率探测器连接至可编程逻辑器件，测量得到从激光器的输出功率；高透射分光片的透射光经过第二二分之一波片和第二偏振分束棱镜后，大部分功率的光透射作为从激光器的第二输出光；经第二偏振分束棱镜后的小部分功率的光反射后与经第二高反射分光片透射的主激光器的激光合束，经过四分之一波片后进入高速光电探测器，产生拍频信号；拍频信号经过分频器，输出频率转换为输入频率1/N，输入至可编程逻辑器件，N为分频比，N为自然数。2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑器件CPLD通过编程实现主激光器参数设定单元、主激光器光谱记录单元、主激光器功率记录单元、从激光器参数设定单元、从激光器功率纪录单元、拍频信号频率测量单元和主控单元；其中，主激光器参数设定单元、主激光器光谱记录单元、主激光器功率记录单元、从激光器参数设定单元、从激光器功率纪录单元和拍频信号频率测量单元分别连接至主控单元；第一控温单元、第一电流单元和稳频单元分别连接主激光器参数设定单元，主控单元通过主激光器参数设定单元设置主激光器的工作参数；饱和吸收光谱单元连接至主激光器光谱记录单元，主激光器光谱记录单元通过分析饱和吸收光谱，得到主激光器的输出频率；第一功率探测器连接至主激光器功率记录单元，得到主激光器的输出功率；第二控温单元和第二电流单元分别连接从激光器参数设定单元，主控单元通过从激光器参数设定单元设置从激光器的工作参数；第二功率探测器连接至从激光器功率纪录单元，得到从激光器的输出功率；分频器连接至拍频信号频率测量单元，测量分频器的输出信号的频率。3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一功率探测器和第二功率探测器采用光电二极管。4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述高速光电探测器采用铟镓砷探测器。5.一种自动判断并设定激光频率和功率的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：1)预先测量得到温度对主激光器的输出频率的调节率以及电流对主激光器的输出频率的调节率，并且测量温度对从激光器的输出频率的调节率以及电流对从激光器的输出频率的调节率，将以上测量得到的已知参数存储在主控单元中；并且在主控单元中预先存储主激光器的目标频率和目标功率以及从激光器的目标频率和目标功率；2)设定扫描主激光器的温度设定值和电流设定值，以及设定扫描从激光器的温度设定值和电流设定值，为了自动判断和设定主激光器的频率，主控单元以一定频率间隔对应的温度步长设定一系列的扫描主激光器的温度设定值，在每一个温度设定值上，主控单元以更小的频率间隔对应的电流步长设定一系列的扫描主激光器的电流设定值；3)得到主激光器的第一个工作点：主控单元通过主激光器参数设定单元控制第一控温单元，主控单元产生一系列主激光器的温度设定值，从最低的温度设定值开始对主激光器进行温度扫描，并在每一个温度设定值上控制第一电流单元以更小的间隔扫描主激光器的电流设定值，同时主激光器光谱记录单元实时记录数字化后的主激光器的饱和吸收光谱信号，主控单元判断记录下来的光谱信号中是否出现激光与原子共振的饱和吸收光谱信号，当主控单元通过光谱信号中出现透射峰和透射峰对应的电流间距的比值判断出光谱信号中出现饱和吸收光谱信号并判断出透射峰对应的主激光器的输出频率后，找到与目标频率相等的输出频率，主控单元记录下主激光器的输出频率为目标频率对应的温度设定值、电流设定值以及此时主激光器的输出功率，从而得到主激光器的第一个工作点；4)主控单元比较在主激光的第一个工作点条件下，主激光器的输出频率为目标频率时，主激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的主激光器的目标功率：a)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则以第一个工作点的参数为主激光参数，主控单元通过主激光参数设定单元启动稳频单元，将主激光器的输出频率锁定在目标频率对应的光谱信号峰值处，即锁定在光谱的共振点上，完成主激光器的频率和功率的自动判断和设定，进入步骤9)；b)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，进入步骤5)；5)得到主激光器的第二个工作点：如果主激光器的输出功率小于目标功率，则增加主激光器的电流设定值；如果主激光器的输出功率大于目标功率，则减小主激光器的电流设定值，然后根据主控单元中预先存储的温度对主激光器的输出频率的调节率和电流对主激光器的输出频率的调节率计算，得到使得主激光器的输出频率不变的温度值；主控单元将主激光器的温度设定为上面的计算得到的温度值，再次扫描主激光器的电流，搜索饱和吸收光谱信号，主控单元判断出光谱信号对应的主激光器的输出频率，主控单元记录下主激光器的输出频率为目标频率对应的温度设定值、电流设定值以及此时主激光器...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊炜，张胤，王平俊，陈徐宗，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11