射频波导CO2激光器频率控制研究

摘要

射频波导CO2激光器具有输出功率大、能量转化效率高、工作时间长、结构紧凑重量轻等特点，既可以实现连续输出又可以高频调制输出，因此在红外激光技术中得到广泛应用。作为THz激光器的泵浦源，要求激光器绝对频率具有很高的稳定性，应用于激光雷达外差探测时，探测精度又取决于外差信号的频率稳定性，因此频率控制研究对射频波导CO2激光器应用具有重大意义。
　　目前大部分稳频方法都应用于稳定连续激光器频率，稳定脉冲激光器的方法较少。此外，很多稳频和偏频锁定方法都需要改变激光器构造或在激光谐振腔内放置探测装置，操作复杂且造价较高。本文针对射频波导CO2激光器建立了一套简单数字电路稳频系统，无需改变激光器结构来稳定脉冲激光器绝对频率，同时也可锁定两激光器差频。
　　本文采用一种新方法，即建立时间法来稳定脉冲激光频率，稳频系统不断监测脉冲激光的建立时间，通过调节激光器腔长控制脉冲激光建立时间，使输出激光脉冲建立时间最小，从而达到稳定激光频率目的。采用拖尾鉴频法来稳定脉冲和连续激光器差频，系统通过改变本振激光器腔长来调整脉冲拖尾信号与连续信号的差频频率，将其稳定预设频率值处。
　　本文设计的频率控制系统结构主要分为四大部分：将激光脉冲信号和差频信号转换为数字信号的频率稳定和偏频锁定滤波整形电路；利用可编程逻辑器件设计了测量脉冲建立时间计数器和测量差频频率的鉴频器；用来进行数据处理并给出腔长调整方向信号的主控制器以及数模转换输出电路。软件中根据激光器频率稳定度不同，分别设计了最值法和极值法两种频率稳定算法，偏频锁定采用了大概率均值滤波算法来减小鉴频误差。此外，系统中还设计了显示模块，可以实时显示脉冲的建立时间值和差频的频率值，显示周期为200ms。
　　采用此系统实施了射频波导脉冲CO2激光器频率稳定实验，实验证明极值法适用于建立时间波动较大的激光器，较为稳定的激光器需采用最值法，实验用的激光器在建立时间最小时较稳定，采用极值法容易失锁，实验测得最值法稳定后脉冲激光的长期频率变化范围小于±12.5MHz。将射频波导脉冲CO2激光器作为主振激光器与连续激光器进行合束得到差频，应用频率控制系统将差频分别稳定在40和60MHz，实验测得稳定后的差频长期频率起伏低于5MHz。

目录

射频波导CO2 激光器频率控制研究

RESEARCH ON FREQUENCY CONTROL OFRADIO FREQUENCY EXCITED WAVEGUIDECO2 LASER

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 激光器频率控制发展现状

1.2.1 激光频率稳定技术研究现状

1.2.2 激光外差频率稳定技术研究现状

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 引言

2.2 射频波导CO2激光器结构及其频率特性

2.2.1 射频波导CO2激光器工作原理及结构

2.2.2 射频波导CO2激光器频率特性分析

2.3 建立时间稳频法原理

2.4 偏频锁定原理

2.4.1 外差探测原理

2.4.2 脉冲拖尾鉴频法

2.5 本章小结

第3章 频率控制系统硬件电路设计

3.1 总体设计方案

3.2 滤波整形电路

3.3 鉴频计数电路设计方案

3.3.1 芯片功能及其开发方法

3.3.2 CPLD硬件电路设计

3.4 控制电路硬件设计

3.5 数模转换电路设计

3.6 显示电路设计

3.7 本章小结

第4章 频率控制系统软件设计

4.1 引言

4.2 CPLD内部程序设计

4.2.1 频率稳定计数器设计

4.2.2 偏频锁定鉴频器设计

4.3 控制电路软件设计

4.3.1 频率稳定控制电路软件设计

4.3.2 偏频锁定控制电路软件设计

4.4 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 引言

5.2 频率稳定实验及结果

5.2.1 实验原理及实验装置

5.2.2 实验结果及分析

5.3 偏频锁定实验及结果

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢