CO2激光器频率稳定控制系统小型化研究

摘要

射频波导CO2激光器可广泛的应用于光泵THz激光、相干激光雷达，外差探测，光谱分析等领域，在以上应用中对激光的频率或激光外差的稳定性有较高的要求，因此对CO2激光的频率进行主动稳定控制具有重要意义。
　　为了满足 CO2相干激光雷达系统的要求，论文设计了一套频率稳定控制系统，对双通道 Z折叠光栅选支射频波导 CO2激光器进行频率控制，主要包括主动稳频和偏频锁定两个子系统。其中主动稳频系统采用了最小脉冲建立时间方法对主振脉冲激光器进行稳频，同时偏频锁定系统通过控制本振激光器的腔长将主振和本振激光的外差频率锁定在设定频率处。系统采用一个单元探测器同时为主动稳频系统和偏频锁定系统提供输入信号，采用FPGA和PIC单片机设计了频率控制系统，采用压电陶瓷调谐 CO2激光频率，系统集成了信号整形电路、D/A转换、高压放大器等模块，达到了小型化的目的。
　　本文研究主要内容：
　　（1）采用FPGA设计了数字计数器和高频信号鉴频器，分别用于脉冲激光建立时间和双通道激光外差信号频率的测量。为了提高计数及鉴频精度，采用了锁相环结构，通过对时钟进行倍频，提高系统的时钟频率，基于大概率数均值滤波思想，设计了宽度和延时可调的闸门用于脉冲差频信号的鉴频，进一步提高鉴频精度，同时，FPGA将计算的脉冲建立时间和外差频率显示在数码管上，并传送给单片机处理。
　　（2）本文采用一片单片机作为控制单元分时处理脉冲建立时间和外差频率的数据并分别控制主振激光器和本振激光器的腔长来实现主动稳频控制和偏频锁定控制。同时单片机通过 D/A转换器为信号整形电路提供大小可调的稳定参考电压来实现对不同幅值外差信号的精确鉴频。本文在硬件电路设计上丰富系统功能的同时，并实现了小型化的目的。
　　（3）为验证系统的功能性，本文采用高频压控振荡信号发生器和脉冲信号发生器及高频开关电路搭建了模拟平台用于模拟脉冲激光外差信号，并采用本文设计的频率控制系统实现闭环控制，用于模拟对激光外差的偏频锁定和主动稳频控制。模拟实验结果表明，稳频系统在闭环控制的情况下，频率锁定精度达到了±0.5 MHz,完全满足对激光器控制的要求。
　　（4）完成了对双通道射频波导CO2激光器的主动稳频和偏频锁定控制实验，通过实验测量及计算，主动稳频系统闭环工作后频率稳定度达10-8，偏频锁定频率精度±5MHz，实现了预期稳定控制精度。
　　本文设计的激光频率稳定控制系统采用一片 FPGA实现脉冲建立时间和外差频率的精确测量，并采用一片单片机作为微控制器分时处理脉冲建立时间和差频频率的数据并分别控制主振和本振激光器，实现了偏频锁定系统和主动稳频系统的功能，稳频精度达10-8，外差稳定度±5MHz，实现了系统的小型化。同时，本文设计的激光频率稳定控制系统还具有集成度高，体积小的优点，可应用于其他激光器的稳定控制。

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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 CO2激光器频率控制发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 射频波导CO2激光器频率控制原理

2.1 射频波导CO2激光器结构及其频率特性

2.2 建立时间稳频法原理

2.3 偏频锁定原理

2.4 脉冲建立时间计数器和差频鉴频器原理

2.5 本章小结

第3章 频率稳定系统硬件电路设计

3.1 总体设计方案

3.2 光学系统

3.3 电学系统

3.4本章小结

第4章 频率控制系统软件设计

4.1 FPGA内部程序设计

4.2 单片机稳定电路软件设计

4.3 本章小结

第5章 射频波导CO2激光器频率控制实验及结果

5.1 稳定系统电信号模拟实验及结果

5.2激光器稳定控制实验及结果

5.3 偏频锁定实验及结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢