光栅选支CO2激光器二维稳定控制技术研究

摘要

CO2激光器具有输出功率大、能量转化效率高、工作时间长、结构紧凑和重量轻等特点，不仅可以实现连续输出又可以实现高频调制输出，在激光雷达、外差探测以及激光治疗等领域有广泛应用。另外，CO2激光器可以作为THz激光的泵浦源。为获得稳定的THz激光，要求泵浦源的频率稳定在激光介质共振吸收频率处，CO2激光器的频率稳定度直接影响 THz激光的稳定输出。因此，如何使 CO2激光器输出稳定频率具有重要的实际应用价值和意义，也是本论文的研究重点。
　　CO2激光器自由运转时，由于温度、振动、压强等环境的变化严重影响了激光器的频率和功率稳定度。本文研究了一种二维实时主动补偿激光器腔内环境扰动的方法，利用安装了二个压电陶瓷驱动器的光栅微调镜架，通过控制光栅微位移改善激光器输出光束的功率稳定性。
　　本论文的研究工作主要包括：
　　（1）对 CO2激光器的腔长控制稳定技术与光栅调谐稳定技术进行原理分析，并提出二维主动补偿稳定控制技术；
　　（2）对多维最优控制算法进行分析，选用随机并行梯度下降（SPGD）优化算法实现激光器二维自适应稳定控制；
　　（3）完成二维稳定控制系统设计与实现，包括基于FPGA的SPGD算法控制器设计、高速ADC采集板设计和多路DAC板设计；
　　（4）搭建光栅选支 CO2激光器稳定控制实验系统，分别进行一维与二维稳定控制实验，并对实验结果进行分析。
　　实验结果表明，在系统闭环工作情况下对 CO2激光器某支线进行二维稳定控制，激光功率可长期稳定在极大值处。相比激光器自由运转时，激光功率长期稳定度由0.13左右提高至0.02左右，激光器平均功率提升约10％，该控制方法同样适用于其他类型激光器的稳定控制。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 激光器稳定技术的研究现状与发展趋势

1.3 本文的主要研究内容

第2章 CO2激光器二维稳定控制原理分析

2.1 光栅选支CO2激光器的结构特点

2.2 CO2激光器两个维度稳定技术研究

2.3 激光器多维稳定控制原理

2.4 本章小结

第3章 基于FPGA的稳定控制系统设计与实现

3.1 FPGA技术

3.2 SPGD控制器的FPGA开发

3.3 SPGD控制器外围电路设计

3.4 本章小结

第4章 微调整镜架设计与控制系统测试实验

4.1 二维光栅选支微调整镜架

4.2 控制系统模拟测试实验

4.3 本章小节

第5章 激光器稳定控制实验结果与分析

5.1 CO2激光器二维稳定控制实验系统

5.2 光栅选支CO2激光器一维稳定控制实验

5.3 光栅选支CO2激光器二维稳定控制实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢