横向塞曼稳频氦氖激光器的单片机控制

摘要

横向塞曼稳频氦氖激光器作为一种高稳定度的双频激光光源，具有功率大、频差小、易于相位细分等特点，尤其是可以直接输出相干性和偏振度都很好的线偏振光，因而在精密光学测量中得到了广泛应用。 本文深入探讨了风冷式横向塞曼激光稳频的原理，并在此基础上设计了控制系统的软件和硬件。系统硬件主要由光信号接收、放大整形和单片机控制三部分组成。采集到差拍信号以后，通过放大、整形将其变为符合单片机TTL电平要求的脉冲信号。经数模转换、功率放大后输出给风扇，通过改变风扇转速来调节激光管温度场，实现稳频。在软件设计中，通过设置固定的预热时间、对拍频变化速度及变化趋势进行判别来寻找可控线性区，并通过比例积分(PI)调节将拍频锁定在给定值上。本系统经过实际调试运行，稳频效果达到了预期目标。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外在稳频领域的进展情况

1.3本课题研究的目的和意义

1.3.1研究的目的

1.3.2研究的意义

1.4课题来源和主要研究内容

第2章激光器工作原理

2.1激光的产生

2.1.1光和物质的相互作用

2.1.2粒子数反转

2.1.3光学谐振腔

2.1.4谱线加宽

2.1.5阈值条件与谐振条件

2.2 He-Ne激光器基本结构

2.3本章小结

第3章稳频系统设计

3.1影响激光器频率稳定的因素

3.2 He-Ne激光器的横向塞曼效应

3.2.1塞曼效应

3.2.2横向磁场对He-Ne激光器的作用

3.2.3差拍信号

3.3横向塞曼稳频方案

3.4本章小结

第4章硬件设计及电路实现

4.1光信号采集电路

4.2放大整形电路

4.3频压转换电路

4.4单片机控制电路

4.5直流电源

4.6本章小结

第5章软件设计

5.1主程序设计

5.2闭环频率自动控制子程序设计

5.3比例积分调节子程序设计

5.3.1比例积分微分(PID)控制算法介绍

5.3.2针对本系统特点对常规比例积分(PI)算法的改进

5.4本章小结

第6章系统调试

6.1硬件部分

6.1.1频压转换电路线性度测试

6.1.2单片机测频准确度的测试

6.1.3数模转换部分的线性度测试

6.2确定系统预热时间

6.3 PI控制参数整定

6.3.1频率稳定控制的目标

6.3.2各参数对系统的影响

6.3.3本系统参数整定过程及结果

6.4本章小结

结论

参考文献

附录1频压转换电路原理图

附录2控制电箱内部连接图

附录3控制电箱外观图

附录4稳频系统整体实物图

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致谢