专利名称:一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统
专利类型:发明专利
专利申请号:CN202410369157.5
专利申请(专利权)人:中国石油大学(华东)
权利人地址:山东省东营市北二路271号
专利发明(设计)人:王浩,徐先锋,罗卫龙,任展弘,宋新玖
专利摘要:本发明属于激光稳频技术领域,尤其涉及一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统,包括光路初始化、光路状态调节、激光频率稳定、光功率反馈控制四个步骤,完成整个激光稳频过程。本发明可实现稳频过程中更简易的光路调试;频率稳定后自动调节光路状态,增强系统稳定性;实现方法简单且调节过程无需人为干预;不会对光束质量产生影响;可大大提高稳频系统整体的稳定性。
主权利要求:
1.一种稳频激光器工作参数自调节优化方法,其特征在于,包括:
S101,光路初始化:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;
S102,光路状态调节:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;
S103,激光频率稳定:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;
S104,光功率反馈控制:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中也可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间;
光路状态调节具体包括:
根据光路结构分别计算出各个位置的光功率大小如下:
2
IOUT=k1I0sin(θ0‑2θ1)(1)
2 2
IWD=k2I0cos(θ0‑2θ1)sin(2θ2)(2)
2 2
IPD=k3I0cos(θ0‑2θ1)cos(2θ2)(3)
其中k1,k2,k3为光传播过程中光功率的衰减系数,仅与系统光路的摆放有关,且光功率之间满足:当实验条件发生改变时,由于I0的变化,IPD也会产生变化,变化量为ΔIPD,若I0的变化量为ΔI0,则以下公式成立:根据上述公式可计算出,若要保证铷气室附近的光功率以及输出光功率稳定,两个波片的旋转角度变化量Δθ1和Δθ2需分别满足以下公式:式中,ΔIPD需满足:
2 2
ΔIPD>‑sin(2θ2)cos(θ0‑2θ1)IPD(8)
当检测到IPD变化时,通过式(6)、(7)求解出两个半波片所需旋转的角度,通过单片机控制伺服电机旋转半波片,不断调节波片角度以维持IPD的稳定,由于ΔIPD的变化是由于总功率I0的改变所导致的,故表现为实验中总功率不可骤降,通过实时调节波片的旋转角度即可维持输出功率以及铷气室附近的光功率稳定。
2.如权利要求1所述的稳频激光器工作参数自调节优化方法,其特征在于,光路初始化具体包括:将激光器输出的总功率表示为I0,系统的输出光功率表示为IOUT,波长监视器接收的光功率表示为IWD,光电探测器接收的光功率表示为IPD,IPD与铷气室附近的光功率大小I满足IPD=k·I,k仅与铷气室后光束的传播距离有关;I的大小会影响饱和吸收光谱的谱线质量,通过调节两个半波片的旋转角度改变不同光束路径中光功率占比,同时观察饱和吸收谱线使其达到强度与分辨率最佳的状态,记录此时光电探测器接收的光功率,激光器输出的初始总功率I0和初始偏振角度θ0,两个半波片的旋转角度θ1和θ2,在光路中器件位置不发生变化的情况下,维持此处功率稳定即可保证铷气室附近的光功率稳定。
3.如权利要求1所述的稳频激光器工作参数自调节优化方法,其特征在于,激光频率稳定具体包括:通过对激光器的电流进行调制,使光束中携带高频正弦调制信号,当光束频率处在饱和吸收峰附近时,吸收峰上升沿的光束表现为与调制信号同相,吸收峰下降沿的光束表现为与调制信号反相,将吸收谱信号与调制信号相乘,使用低通滤波器去除高频调制波后,即可得到激光频率与饱和吸收谱峰值频率之间的误差信号,利用反馈控制即可稳定激光器频率。
4.如权利要求1所述的稳频激光器工作参数自调节优化方法,其特征在于,光功率反馈控制具体包括:激光器的电流变化既会影响光束频率,也会影响光束功率,激光稳频的目的是利用反馈调节来抵消激光器固有的频率漂移,通过对电流的控制实现频率稳定;若要保持长时间的稳频状态则会导致反馈控制输出值的累积,并使电流值逐渐偏离预设电流值,总功率也会随电流变化而产生一定的漂移,导致铷气室附近的光功率也会产生变化;
该功率的变化也会被光电探测器所检测到,稳频过程中亦可通过反馈系统不断调节铷气室附近的光功率,调节方式如光路状态调节步骤中所述,通过在稳定激光频率的过程中对两个波片的角度进行细微的调节,维持铷气室附近的光功率相对稳定。
5.一种实现如权利要求1~4任意一项所述激光器工作参数自调节优化方法的激光器工作参数自调节优化系统,其特征在于,包括:光路初始化模块:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;
光路状态调节模块:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;
激光频率稳定模块:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;
光功率反馈控制模块:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间。
6.一种计算机设备,计算机设备包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行如权利要求1~4任意一项所述的激光器工作参数自调节优化方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行如权利要求1~4任意一项所述的激光器工作参数自调节优化方法的步骤。
8.一种信息数据处理终端,信息数据处理终端用于实现如权利要求5所述的激光器工作参数自调节优化系统。 说明书 : 一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统技术领域[0001] 本发明属于激光稳频技术领域,尤其涉及一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统。背景技术[0002] 稳频激光器在原子钟,量子测量,量子计算等领域发挥着重要的作用,并拥有极强的频率稳定性以及抗干扰能力,目前实现频率稳定的方案大多为对比激光频率与某一参考频率,利用伺服反馈电路对激光器的电流或温度进行控制,以此稳定激光器的频率。影响半导体激光器输出频率的因素有许多,但最主要的两个因素为激光器的电流及温度,温度控制的响应时间大于电流控制的响应时间,即表现为温度对激光器频率的影响有一定的滞后性,所以稳频激光器一般采取的反馈方法为维持温度不变,通过实时反馈调节激光器的电流来维持频率的稳定。但半导体激光器电流的变化不仅影响激光频率,也会影响激光器的输出功率,该现象会导致以下两种问题的出现。首先在实验中,当我们需要改变输出光功率时,需要对激光器的电流进行调节,而反馈光路中的光功率也会由于总功率的变化而改变,当选择原子的跃迁谱线作为参考频率时,反馈光路的光功率会对跃迁谱线的精度产生一定的影响,导致稳频效果不佳,故而需要频繁调节光路分光比或光路结构,操作繁琐冗杂。此外,使用反馈系统调节激光器的电流来稳定频率时,在长时间的稳频情况下,电流会由于反馈控制调节逐渐偏离初始电流或在初始电流附近波动,这个波动可能较小,但也会使激光的输出功率发生变化,导致在稳频过程中,激光器的输出功率波动相比开环运行时大得多,且功率的变化依旧会影响反馈光路导致稳频效果变差。[0003] 通过上述分析,现有技术存在的问题及缺陷为:稳频实验过程中,总光强发生改变时,整体光路也会发生变化,反复调节操作繁琐冗杂,稳频过程中,由于反馈系统对于电流的持续控制导致铷气室附近的光功率随时间出现漂移现象。发明内容[0004] 针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统,用以自动调节光路参数维持饱和吸收光路铷原子气室附近光功率稳定。[0005] 本发明利用波片和偏振棱镜的工作原理,理论上给出了探测光强与波片旋转角度之间的关系,推导出参数调节优化的两个波片旋转角度范围;利用波片和偏振棱镜组合设计出铷气室附近光功率调节光路,来优化稳频激光器的参数;使用两个伺服电机改变两个半波片的旋转角,实现了旋转角度的自动选择;引入单片机驱动,实现电脑控制选择优化参数,提高了设置精度和调节效率。一种稳频激光器工作参数自调节优化方法,包括:S101,光路初始化:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;[0006] S102,光路状态调节:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;[0007] S103,激光频率稳定:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;[0008] S104,光功率反馈控制:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中也可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间。[0009] 进一步,光路初始化具体包括:[0010] 将激光器输出的总功率表示为I0,系统的输出光功率表示为IOUT,波长监视器接收的光功率表示为IWD,光电探测器接收的光功率表示为IPD,IPD与铷气室附近的光功率大小I满足IPD=k·I,k仅与铷气室后光束的传播距离有关;I的大小会影响饱和吸收光谱的谱线质量,通过调节两个半波片的旋转角度改变不同光束路径中光功率占比,同时观察饱和吸收谱线使其达到强度与分辨率最佳的状态,记录此时光电探测器接收的光功率,激光器输出的初始总功率I0和初始偏振角度θ0,两个半波片的旋转角度θ1和θ2,在光路中器件位置不发生变化的情况下,维持此处功率稳定即可保证铷气室附近的光功率稳定。[0011] 进一步,光路状态调节具体包括:[0012] 根据光路结构分别计算出各个位置的光功率大小如下:[0013] IOUT=k1I0sin2(θ0‑2θ1)(1)[0014] IWD=k2I0cos2(θ0‑2θ1)sin2(2θ2)(2)[0015] IPD=k3I0cos2(θ0‑2θ1)cos2(2θ2)(3)[0016] 其中k1,k2,k3为光传播过程中光功率的衰减系数,仅与系统光路的摆放有关,且光功率之间满足:[0017][0018] 当实验条件发生改变时,由于I0的变化,IPD也会产生变化,变化量为ΔIPD,若I0的变化量为ΔI0,则以下公式成立:[0019][0020] 根据上述公式可计算出,若要保证铷气室附近的光功率以及输出光功率稳定,两个波片的旋转角度变化量Δθ1和Δθ2需分别满足以下公式:[0021][0022][0023] 式中,ΔIPD需满足:[0024] ΔIPD>‑sin2(2θ2)cos2(θ0‑2θ1)IPD(8)[0025] 当检测到IPD变化时,通过式(6)、(7)求解出两个半波片所需旋转的角度,通过单片机控制伺服电机旋转半波片,不断调节波片角度以维持IPD的稳定,由于ΔIPD的变化是由于总功率I0的改变所导致的,故表现为实验中总功率不可骤降,通过实时调节波片的旋转角度即可维持输出功率以及铷气室附近的光功率稳定。[0026] 进一步,激光频率稳定具体包括:[0027] 通过对激光器的电流进行调制,使光束中携带高频正弦调制信号,当光束频率处在饱和吸收峰附近时,吸收峰上升沿的光束表现为与调制信号同相,吸收峰下降沿的光束表现为与调制信号反相,将吸收谱信号与调制信号相乘,使用低通滤波器去除高频调制波后,即可得到激光频率与饱和吸收谱峰值频率之间的误差信号,利用反馈控制即可稳定激光器频率。[0028] 进一步,光功率反馈控制具体包括:[0029] 激光器的电流变化既会影响光束频率,也会影响光束功率,激光稳频的目的是利用反馈调节来抵消激光器固有的频率漂移,通过对电流的控制实现频率稳定;若要保持长时间的稳频状态则会导致反馈控制输出值的累积,并使电流值逐渐偏离预设电流值,总功率也会随电流变化而产生一定的漂移,导致铷气室附近的光功率也会产生变化;[0030] 该功率的变化也会被光电探测器所检测到,稳频过程中亦可通过反馈系统不断调节铷气室附近的光功率,调节方式如光路状态调节步骤中所述。通过在稳定激光频率的过程中对两个波片的角度进行细微的调节,维持铷气室附近的光功率相对稳定。[0031] 本发明的另一目的在于提供一种实现所述激光器工作参数自调节优化方法的激光器工作参数自调节优化系统,包括:[0032] 光路初始化模块:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;[0033] 光路状态调节模块:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;[0034] 激光频率稳定模块:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;[0035] 光功率反馈控制模块:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中也可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间。[0036] 本发明的另一目的在于提供一种计算机设备,计算机设备包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行所述的激光器工作参数自调节优化方法的步骤。[0037] 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行所述的激光器工作参数自调节优化方法的步骤。[0038] 本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端,信息数据处理终端用于实现所述的激光器工作参数自调节优化系统。[0039] 结合上述的技术方案和解决的技术问题,本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为:[0040] 第一,针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度,紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等,详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题,解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下:[0041] 本发明针对激光器在稳频前光路状态的调节需要花费较长的时间及人力,以及稳频过程中无法人为对铷原子气室附近的光功率进行准确调节的问题提供了解决方案,在系统光路中增加波片角度的自动调节装置,通过计算机控制单片机驱动伺服电机,并由伺服电机控制波片旋转角度,实现对光路状态的智能化控制。加入本装置后,系统稳定性提升,稳频过程中可维持铷原子气室附近光功率波动范围小于0.2μW,调节过程由计算机控制,自主运行,无需人为干预,装置具有智能化和自动化的特点,且本装置的加入并不会影响稳频实验的光束质量。第二,把技术方案看做一个整体或者从产品的角度,本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点,具体描述如下:[0042] 提升了稳频系统整体的稳定性和便携性;各部分均使用自动化的程序进行控制,减少人为因素导致的系统误差;稳频激光器后续的实验应用将会有更充分的可靠性。[0043] 第三,作为本发明的权利要求的创造性辅助证据,还体现在以下几个重要方面:[0044] (1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为:[0045] 将会大大降低稳频激光器的人工操作成本,提高稳频效率和精度。[0046] (2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白:[0047] 实现了光路的自动化控制,并利用计算机程序控制光路状态。[0048] (3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题:[0049] 按照波片旋转角度的选择原理,利用电脑程序控制单片机驱动,单片机控制伺服电机旋转波片取向角度,实现了激光器稳频技术的智能化。[0050] (4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见:[0051] 该技术克服了人工调节好于电脑智能化调节的偏见。附图说明[0052] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。[0053] 图1是本发明实施例提供的稳频激光器工作参数自调节优化方法流程图;[0054] 图2是本发明实施例提供的用于自动调节光路状态并维持铷气室附近光功率稳定的稳频系统框图;[0055] 图3是本发明实施例提供的上升沿与下降沿经过调制后的相位变化原理图;[0056] 图4是本发明实施例提供的自动调节光路状态的实验结果图;图中:(a)总功率变化曲线;(b)铷气室附近光功率变化曲线;(c)输出光功率变化曲线。[0057] 图5是本发明实施例提供的维持铷气室附近光功率稳定的实验结果图;图中:(a)总功率变化曲线;(b)铷气室附近在有功率反馈装置和无功率反馈装置的两种情况下光功率变化曲线;(c)输出光在有功率反馈装置和无功率反馈装置的两种情况下光功率变化曲线。[0058] 图6是本发明实施例提供的功率反馈系统使用前后的频率稳定性Allan方差对比;图中:(a)未使用功率反馈系统的频率稳定性Allan方差;(b)使用功率反馈系统后的频率稳定性Allan方差。[0059] 图7是本发明实施例提供的稳频激光器工作参数自调节优化系统结构图。具体实施方式[0060] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。[0061] 针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种稳频激光器工作参数自调节优化方法及系统,下面结合附图对本发明作详细的描述。[0062] 一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现,该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。[0063] 如图1所示,本发明实施例提供的在激光频率稳定过程中,用以自动调节光路参数并维持饱和吸收光路铷原子气室附近光功率稳定的方法包括以下步骤:[0064] S101:光路初始化:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;[0065] S102:光路状态调节:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;[0066] S103:激光频率稳定:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;[0067] S104:光功率反馈控制:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中也可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间。[0068] 本发明实施例提供的在激光频率稳定过程中,用以自动调节光路状态并维持原子铷气室附近光功率稳定的方法包括:[0069] 第一步,所述光路初始化具体包括:[0070] 将激光器输出的总功率表示为I0,系统的输出光功率表示为IOUT,波长监视器接收的光功率表示为IWD,光电探测器接收的光功率表示为IPD,IPD与铷气室附近的光功率大小I满足IPD=k·I,k为光功率的衰减系数,仅与铷气室后光束的传播距离有关。I的大小会影响饱和吸收光谱的谱线质量,通过调节两个半波片的旋转角度改变不同光束路径中光功率占比,同时观察饱和吸收谱线使其达到强度与分辨率最佳的状态,记录此时光电探测器接收的光功率,激光器输出的初始总功率I0和初始偏振角度θ0,两个半波片的旋转角度θ1和θ2,在光路中器件位置不发生变化的情况下,维持此处功率稳定即可保证铷气室附近的光功率稳定。[0071] 第二步,所述光路状态调节具体包括:[0072] 根据光路结构分别计算出各个位置的光功率大小如下:[0073] IOUT=k1I0sin2(θ0‑2θ1)(1)[0074] IWD=k2I0cos2(θ0‑2θ1)sin2(2θ2)(2)[0075] IPD=k3I0cos2(θ0‑2θ1)cos2(2θ2)(3)[0076] 其中k1,k2,k3为光传播过程中光功率的衰减系数,仅与系统光路的摆放有关,且光功率之间满足:[0077][0078] 当实验条件发生改变时,由于I0的变化,IPD也会产生变化,变化量为ΔIPD,若I0的变化量为ΔI0,则以下公式成立:[0079][0080] 根据上述公式可计算出,若要保证铷气室附近的光功率以及输出光功率稳定,两个波片的旋转角度变化量Δθ1和Δθ2需分别满足以下公式:[0081][0082][0083] 式中,ΔIPD需满足:[0084] ΔIPD>‑sin2(2θ2)cos2(θ0‑2θ1)IPD(8)[0085] 由于ΔIPD的变化是由于总功率I0的改变所导致的,故表现为实验中总功率不可骤降。通过实时调节波片的旋转角度即可维持输出功率以及铷气室附近的光功率稳定。[0086] 第三步,所述激光频率稳定具体包括:[0087] 通过对激光器的电流进行调制,使光束中携带高频正弦调制信号,当光束频率处在饱和吸收峰附近时,吸收峰上升沿的光束表现为与调制信号同相,吸收峰下降沿的光束表现为与调制信号反相,将吸收谱信号与调制信号相乘,使用低通滤波器去除高频调制波后,即可得到激光频率与饱和吸收谱峰值频率之间的误差信号,利用反馈控制即可稳定激光器频率。[0088] 第四步,所述光功率反馈控制具体包括:[0089] 激光器的电流变化既会影响光束频率,也会影响光束功率,激光稳频的目的是利用反馈调节来抵消激光器固有的频率漂移,通过对电流的控制实现频率稳定。若要保持长时间的稳频状态则会导致反馈控制输出值的累积,并使电流值逐渐偏离预设电流值,总功率也会随电流变化而产生一定的漂移,导致铷气室附近的光功率也会产生变化。[0090] 该功率的变化也会被光电探测器所检测到,稳频过程中亦可通过反馈系统不断调节铷气室附近的光功率,调节方式如光路状态调节步骤中所述。通过在稳定激光频率的过程中对两个波片的角度进行细微的调节,维持铷气室附近的光功率相对稳定。[0091] 下面结合具体实验对本发明的应用效果作详细的描述。[0092] 在饱和吸收频率稳定实验中,由于存在不同规格与型号的铷原子气室,铷气室附近所需要的光束功率也会不同,总是存在一个对于当前铷原子气室最合适的光束功率使饱和吸收谱线达到最佳效果。所以,当铷原子气室附近的光束功率由于总功率的变化而发生改变时,对饱和吸收谱线也会产生影响,导致稳频效果不佳,故而需要对铷原子气室附近的光束功率进行监视并维持其稳定。[0093] 维持铷气室附近光束功率稳定在稳频开始前可以减少多余的光路调节步骤,提高实验效率,在稳频开始后可以降低由于反馈控制导致的光功率漂移,提高稳频实验的长时间稳定性。[0094] 如图2所示搭建了基于饱和吸收光谱的稳频系统,稳频系统通过调节两个半波片的角度,使合适光功率的光进入铷气室,此时的光作为饱和吸收光谱中的泵浦光,负责使铷气室饱和,泵浦光经过反射镜反射回来再次经过铷气室,此时的光作为探测光,探测光进入光电探测器即可得到铷原子的饱和吸收谱线。将振荡器产生的调制信号与携带调制信号的饱和吸收谱信号混频,使用低通滤波器去除高频调制后,即可得到激光频率与参考频率之间的误差信号,利用反馈控制即可稳定激光器功率。将光电探测器接收到的光功率大小信号分离出来发送给单片机,单片机通过分析光功率的变化控制伺服电机旋转半波片,达到稳频功率的目的。[0095] 激光器发射的光为线偏振光,光束首先经过隔离器,防止反射光影响系统稳定性,半波片1会根据自身旋转角度使光束的偏振方向发生改变,其后的偏振分束器会根据光束的偏振方向表现出不同的分光比,即可利用旋转半波片的方式得到合适的分光比例。偏振分束器产生的两束光,反射光束作为系统整体的输出激光,透射光束继续经过半波片2与偏振分束器,根据半波片2的旋转角度也可将光束分成光功率大小合适的两束光。反射光束进入波长监视器,可用于稳频调节过程中实时监测光束频率,透射光束则穿过由四分之一波片,原子气室以及反射镜组成的用于产生饱和吸收谱线的光谱系统中。由于反射回来的探测光束需光电探测器实时监测,需要探测光束的偏振方向满足经过偏振分束器时光束全部被反射,故四分之一波片的作用可以使线偏振光转变为圆偏振光,再次经过后变回线偏振光,且偏振方向改变π/2,即可实现光束经过偏振分束器时光束全部被反射。[0096] 携带饱和吸收光谱信息的光束进入光电探测器,将信号的强度信息输入单片机,通过计算即可得到两个半波片所需旋转的角度,控制伺服电机旋转以维持强度信号稳定,即可维持原子气室附近光功率的稳定。将光电探测器接收到的经过调制的吸收谱信号与调制信号相乘以达到鉴频的目的,使用低通滤波器过滤掉高频信号,得到当前激光频率与参考频率之间的误差信号,利用PID反馈控制实现激光稳频。[0097] 图3为信号经过调制后,上升沿信号表现为与调制信号相位相同,下降沿信号则表现为与调制信号相位相反。将调制后的吸收谱信号与原调制信号相乘时,吸收峰的上升沿由于相位相同,相乘后其直流分量为正,而吸收峰的下降沿由于相位相反,相乘后其直流分量为负。将混频后的信号经过低通滤波器滤掉高频信号后,信号的过零点即为吸收峰的最高点,可利用反馈控制,使激光频率稳定在吸收峰的最高点处。[0098] 图4为手动改变激光总功率时,铷气室附近的光功率以及输出光功率的稳定性。图4(b)表示在引入光功率反馈控制系统后铷气室附近光功率的稳定性,其在图4(a)所示的总功率变化下保持波动范围为0.4μw,图4(c)则表示在引入光功率反馈控制系统后输出光功率的稳定性,其在图4(a)所示的总功率变化下保持波动范围为5.8μw。[0099] 图5为稳频状态下,铷气室附近的光功率以及输出光功率的稳定性。图5(b)中的IPD线表示在引入光功率反馈控制系统后铷气室附近光功率的稳定性,其在图5(a)所示的总功率变化下保持波动范围为0.2μw,图5(c)中的IPD线则表示在引入光功率反馈控制系统后输出光功率的稳定性,其在图5(a)所示的总功率变化下保持波动范围为2.9μw,图5(b)(c)中的I'PD线为图5(a)总光功率变化造成的铷气室附近光功率以及输出光功率的模拟变化值,由于每次稳频过程中总功率的变化并不一致,无法同时得出有无反馈的情况下铷气室附近光功率与输出光功率的变化曲线。[0100] 图6为引入光功率反馈系统前后频率稳定性的Allan方差对比,图6(a)为未使用功率反馈系统的频率稳定性Allan方差,图6(b)为使用功率反馈系统后的频率稳定性Allan方差。可以观察到,引入本发明中提及的方法后,长时间的频率稳定性有了较大的改善。[0101] 如图7所示,本发明实施例提供的激光器工作参数自调节优化系统,包括:[0102] 光路初始化模块:将铷气室附近的光功率调节至最适于激发原子饱和吸收谱的大小,利用功率计测量出激光的总功率、铷气室附近的光功率以及输出光功率,并记录此时的半波片角度,为之后的光路状态调节提供参数;[0103] 光路状态调节模块:由于激光为线偏振光,当光束分别经过半波片与偏振分束器时,半波片的旋转角度会使偏振分束器的分光比例发生改变,从而影响光路各部分的光功率大小,通过光电探测器采集穿过铷气室的光功率并通过实时反馈控制半波片的旋转角度,使得铷气室附近的光功率保持不变;[0104] 激光频率稳定模块:铷气室附近的光功率处在饱和吸收光谱的最优光功率时,通过光电检测器采集饱和吸收光路的探测光束,得到原子的饱和吸收谱线,通过鉴频与反馈控制,稳定激光频率;[0105] 光功率反馈控制模块:为了抵消长时间的反馈控制导致的光功率漂移,稳频过程中也可通过监测光功率的大小,实时微调波片的角度,提高系统整体稳定性,降低失锁概率,延长稳频时间。[0106] 本发明的应用实施例提供了一种计算机设备,计算机设备包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行激光器工作参数自调节优化方法的步骤。[0107] 本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行激光器工作参数自调节优化方法的步骤。[0108] 本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端,信息数据处理终端用于实现激光器工作参数自调节优化系统。[0109] 二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值,该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。[0110] 本发明可在稳频技术领域实现应用,用于搭建稳频实验的全自动控制系统;本发明可用于精确控制光路中不同部分的光功率大小,实现自动化的光路状态调节;本发明可用于提高稳频系统整体的稳定性,利用伺服反馈系统稳定光路各部分的光功率大小,保持稳频系统光路的稳定性,并提高稳频系统长时间的频率稳定度。[0111] 三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果,和现有技术相比的确具备很大的优势,下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。[0112] 如图4所示,本发明可在稳频系统工作前稳定光路状态,始终保持光路处于稳频最佳状态;如图5所示,本发明可以中和稳频过程中由于PID长时间反馈而导致的光功率偏移,功率稳定效果明显;如图6所示,本发明可显著改善长时间下频率稳定性。[0113] 应当注意,本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现;软件部分可以存储在存储器中,由适当的指令执行系统,例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现,例如在诸如磁盘、CD或DVD‑ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现,也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现,也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。[0114] 以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
专利地区:山东
专利申请日期:2024-03-28
专利公开日期:2024-09-03
专利公告号:CN118198855B