改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统

摘要

本发明公开了一种改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统，属于光学技术领域。本发明通过两个频率信号的切换代替传统的开关过程，具体包括：频率控制信号输入模块；射频发生模块；衰减控制信号输入模块；可调衰减模块；电子/机械开关通道切换模块，可通过手动拨动机械开关或者电信号的直接输入来控制选通工作射频信号或参考射频信号；射频宽带功率放大模块；电源滤波变压模块。本发明的声光调制器驱动系统可以明显改善声光调制器热效应，并具有切换速度快，频率成分较为简单，频率、衰减可以实现手动与电信号同时控制等优点，且成本较低。该发明在冷原子、冷分子及其他光学实验中将获得更广泛更方便的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声光调制器的驱动系统，特别用于改善声光调制器的热效应。

背景技术

声光调制器可以用来改变光的频率，广泛用于光学实验中。在原子的激光冷却与陷伏实验中，声光调制器被用于移频和光开关应用。在实验中，一个广泛存在的问题是声光调制器的热效应，即当在稳定状态下声光调制器常开，光纤耦合优化后关闭声光调制器，过一段时间再开后，光纤耦合出来的激光功率有很大变化，偏振也有明显改变，特别是在偏振分束器选偏后，变化特别大。声光调制器的热效应引起出射光与入射光位置和偏振的改变，严重影响光学实验的进行。现有的声光调制器驱动系统大都存在热效应问题，而且造价较高，切换速度慢，频率成分较多，频率、衰减无法实现手动与电信号同时控制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可显著降低声光调制器热效应的声光调制器驱动系统，同时解决现有技术的声光调制器驱动系统切换速度慢，频率成分较多，频率、衰减无法实现手动与电信号同时控制等问题。

由原子的激光冷却与陷伏实验中移频多用的是射频信号，则以产生射频信号的声光调制器驱动系统进行说明。

本发明提供的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统，采用两路射频信号发生模块，通过控制电子开关芯片来切换两路信号，在工作与非工作状态下采取不同的信号，即工作信号与参考信号，控制声光调制器输出不同频率的衍射光，再通过光纤耦合系统，“过滤”掉非工作状态下输出的光信号，从而在不影响工作信号开启、关断性能的前提下显著改善声光调制器的热效应。

本发明用于改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统包括：

频率控制信号输入模块，提供控制射频信号频率的电压；

射频发生模块，产生特定频率的射频信号；

衰减控制信号输入模块，提供控制射频信号衰减程度的电压；

可调衰减模块，依据衰减控制信号对射频发生模块产生的射频信号的功率进行调节；

电子/机械开关通道切换模块，通过拨动机械开关或者电信号的直接输入来控制选通工作射频信号或参考射频信号；

射频宽带功率放大模块，与电子/机械开关通道切换模块选通输出端相连，对开关选通输出信号进行功率放大；

电源滤波变压模块，对正负供电电压进行滤波，同时进行变压输出。

所述频率控制信号输入模块包括：

工作频率控制信号输入电路，包括计算机频率控制电压输入、第一可变电阻频率控制电压输入、第一运算放大器以及第一单刀双掷开关四个部分，第一单刀双掷开关的可动端与射频发生模块相连；计算机频率控制电压输入与第一运算放大器相连，第一运算放大器、第一可变电阻频率控制电压输入均与第一可变电阻频率控制电压输入相连；

参考频率控制信号输入电路，包括第三可变电阻，固定电阻R7，所述第三可变电阻两固定端分别与高电平供电电压和参考零电平相连，滑动端与和固定电阻R7的一端相连，所述固定电阻R7的另一端连接射频发生模块。

所述射频发生模块包括：

工作射频信号发生电路，与工作频率控制信号输入电路相连；

参考射频信号发生电路，与参考频率控制信号输入电路相连。

所述衰减控制信号输入模块包括：

工作信号衰减控制信号输入电路，包括计算机衰减控制电压输入、第四可变电阻衰减控制电压输入、第二运算放大器以及第二单刀双掷开关四个部分，第二单刀双掷开关的可动端与可调衰减模块相连；计算机衰减控制电压输入与第二运算放大器相连，第二运算放大器、第四可变电阻衰减控制电压输入均与第二单刀双掷开关相连；

参考信号衰减控制信号输入电路，包括第六可变电阻和固定电阻R13，所述第六可变电阻的两个固定端分别与高供电电平与参考零电平相连接，其滑动端与固定电阻R13的一端相连，固定电阻R13的另一端连接可调衰减模块。

所述可调衰减模块包括：

工作信号衰减模块，射频输入端连接工作射频信号发生电路，衰减控制端连接工作信号衰减控制信号输入电路；

参考信号衰减模块，射频输入端连接参考射频信号发生电路，衰减控制端连接参考信号衰减控制信号输入电路。

所述工作频率控制信号输入电路包括第一可变电阻，固定电阻R1，固定电阻R2，第一运算放大器，第二可变电阻，固定电阻R3，固定电阻R4，固定电阻R5和固定电阻R6，所述固定电阻R1两端分别与高电平供电电压和第一可变电阻的一个固定端相连，所述固定电阻R2两端分别与参考零电平和第一可变电阻的另一固定端相连，所述第一可变电阻滑动输出端与第一单刀双掷开关的一个固定端相连，所述固定电阻R3一端与输入电压相连接，另一端与第一运算放大器的反相输入端相连接，所述第二可调电阻两固定端分别与高低供电电平相连接，滑动输出端与固定电阻R4的一端相连接，所述固定电阻R4的另一端与第一运算放大器的反相输入端相连接，所述固定电阻R5两端分别与第一运算放大器的反相输入端与输出端相连接，所述第一运算放大器正相输入端与参考零电平相连接，所述第一运算放大器的高低供电输入端分别与高低供电电平相连接，并接近连接滤波电容，所述固定电阻R6的一端与所述第一单刀双掷开关的另一固定端相连，所述第一单刀双掷开关的可动端与工作射频信号发生电路相连接。

作为本发明的声光调制器驱动系统的一种优选方案，所述射频发生模块包括压控振荡器，所述压控振荡器适于依据所述输入电压生成对应频率的射频信号。工作射频信号发生电路的第一压控振荡器，与工作频率控制信号输入模块的第一单刀双掷开关可动端相连，所述第一压控振荡器的输出端与工作信号衰减模块相连；参考射频信号发生电路的第二压控振荡器，与参考频率控制信号输入模块的第七固定电阻的另一端相连，所述第二压控振荡器的输出端与参考信号衰减模块相连。所述第一压控振荡器与第二压控振荡器的高电平供电端紧密连接滤波电容。

所述工作信号衰减控制信号输入电路包括第四可调电阻、第五可调电阻，固定电阻R8，固定电阻R9，固定电阻R10，固定电阻R11，固定电阻R12，第二单刀双掷开关，第二运算放大器及滤波电容，所述固定电阻R8的一端与高供电电平相连，另一端与第四可调电阻的一固定输入端相连，所述第四可调电阻的另一固定端与参考零电平相连，其可滑端与第二单刀双掷开关的一固定端相连，所述第二单刀双掷开关的另一固定端与输入电平相连，其可动端与第二运算放大器的正相输入端相连，所述固定电阻R9的两端分别与第二运算放大器的正相输入端和参考零电平相连，所述固定电阻R10的两端分别与第二运算放大器的反相输入端和参考零电平相连，固定电阻R11的两端分别与第二运算放大器的反相输入端和输出端相连，所述第二放大器的正负供电端分别与正负供电电平相连，并紧密连接滤波电容，所述第五可调电阻的一固定输入端与第二运算放大器的输出端相连，所述第五可调电阻的另一固定端和可滑端相连，并与固定电阻R12的一端相连并连接所述工作信号衰减模块，所述固定电阻R12的另一端与参考零电平相连。

所述可调衰减模块的工作信号衰减模块包括第一衰减器，参考信号衰减模块包括第二衰减器。所述第一衰减器的射频输入端与所述第一压控振荡器的射频输出端相连，所述第一衰减器的控制电压输入端与固定电阻R12的非接零电平端相连，所述第二衰减器的射频输入端与第二压控振荡器的射频输出端相连，所述第二衰减器的控制电压输入端与固定电阻R13的非接第六可变电阻的一端相连，所述第一第二衰减器的高电平供电端紧密连接滤波电容。

所述电子/机械开关通道切换模块包括电子开关芯片，第三单刀双掷开关，固定电阻R13，固定电阻R14，固定电阻R15，所述固定电阻R14的一端与所述参考信号衰减模块的射频输出端相连，所述固定电阻R14的另一端与所述电子开关芯片的第一射频输入端相连，所述固定电阻R15的一端与所述工作信号衰减模块的射频输出端相连，所述固定电阻R15的另一端与所述电子开关芯片的第二射频输入端相连，所述固定电阻R16的一端与所述电子开关芯片的射频输出端相连，另一端连接射频宽带功率放大模块，所述电子开关芯片的使能端与输入电压相连，所述电子开关芯片的选通端与所述第三单刀双掷开关可动端相连，所述第三单刀双掷开关的两个固定端分别与输入电压和电路板参考零电平相连。

作为本发明的一种优选方案，所述射频宽带功率放大模块包括功率放大器，固定电阻R17，固定电阻R18，第一非极性电容，第一电感。所述功率放大器的射频输入端与固定电阻R16的非接电子开关芯片的一端相连，射频输出端与输出接口相连，所述固定电阻R17一端与正供电电压相连，另一端与固定电阻R18相连，第一非极性电容两端分别与固定电阻R17，固定电阻R18的相连端相连，所述第一非极性电容另一端与参考零电平相连，所述固定电阻R18另一端与第一电感相连，所述第一电感另一端与所述功率放大器射频输出端相连，所述输出接口前接入滤波电容。

作为本发明的一种优选方案，电源滤波变压模块选用LM78L05与LM79L05来对正负15伏供电电压变压，并接以滤波电容。

如上所述，本发明的声光调制器驱动系统能够明显改善传统声光调制器热效应所导致的输出调制光位置和偏振的改变的问题，并具有切换速度快，频率成分较为简单，频率、衰减可以实现手动与电信号同时控制等优点，且成本较低。

附图说明

图1为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统的结构框图。

图2为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统中的电子/机械开关通道切换模块结构框图。

图3为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统中的工作频率控制信号输入电路的结构框图。

图4为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统中的工作信号衰减控制信号输入电路的结构框图。

图5为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统对工作信号和参考信号在切换工作状态时的频谱图。

图6为本发明的改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统对改善声光调制器热效应进行实验验证数据图。

元件标号说明：1工作频率控制信号输入电路，11计算机频率控制电压输入，12第一可变电阻频率控制电压输入，13第一运算放大器，14第一单刀双掷开关，1’参考频率控制信号输入电路，15第三可变电阻控制电压输入，2射频发生模块，21第一压控振荡器，22第二压控振荡器，3工作信号衰减控制信号输入电路，31计算机衰减控制电压输入，32第四可变电阻衰减控制电压输入，33第二运算放大器，34第二单刀双掷开关，3’参考信号衰减控制信号输入电路，35第六可变电阻衰减控制电压输入，4可调衰减模块，41第一衰减器，42第二衰减器，5电子/机械开关通道切换模块，51电子开关芯片，52计算机选通控制信号输入，53参考零电平，54第三单刀双掷开关，6射频宽带功率放大模块，61功率放大器，7射频信号输出。

具体实施方式

光学实验中经常需要对声光调制器进行频繁的开启关断操作，如此会导致声光调制器较强的的热效应，影响实验进程。本发明提供的声光调制器驱动系统通过两个频率信号的切换代替传统的开关过程，当需要关断工作的射频信号时，本发明的声光调制器驱动系统会切换工作频率段的工作信号到非工作频率段的参考信号，但该非工作频率段的参考信号光经过声光调制器后的衍射光会被小孔光阑挡住，或者耦合不到光纤中，相当于关断的过程。由于这个过程是频率切换，射频功率导致的热效应一直维持，因而切换前后声光调制器温度变化不大，从而声光调制器的热效应被有效抑制。

以下通过具体实例说明本发明的实施方式。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在本发明的思路技巧下进行各种修饰和改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

作为本发明的一种优选方案，所有电信号直接输入电压均由接口接入计算机产生。

如附图1所示，对于工作信号的产生，要依次经过工作频率控制信号输入电路(1)，第一压控振荡器(21)产生一定频率射频信号，第一衰减器(41)进行一定程度上的功率衰减，电子开关芯片(51)选通信号，若被选通，则功率放大器(61)放大信号功率，最后输出射频工作信号(7)，其中工作信号衰减控制信号输入电路(3)为第一衰减器(21)提供衰减控制信号。对于参考信号的产生，要依次经过参考频率控制信号输入电路(1’)，第二压控振荡器(22)产生一定频率射频信号，第二衰减器(42)进行一定程度上的功率衰减，电子开关芯片(51)选通信号，若被选通，则功率放大器(61)放大信号功率，最后输出射频工作信号(7)，其中参考信号衰减控制信号输入电路(3’)为第二衰减器(21)提供衰减控制信号。电子开关芯片(51)依据第三单刀双掷开关(51)的拨动方向和计算机选通控制信号输入(52)提供的选通信号来选择工作和参考两路信号之一通过。

如附图1与附图2所示，作为示例，本发明的声光调制器驱动系统的电子开关芯片(51)选择OPA875，该芯片具有隔离度高，切换速度快等优点。第二衰减器输出的信号(即参考信号)接入电子开关芯片的一通道，第一衰减器器输出的信号(即工作信号)接入电子开关芯片的二通道，电子开关芯片使能端的计算机输入信号(图2的D2)设置为低电平，这样电子开关芯片才可以正常工作。拨动第三单刀双掷开关(图2的S3，图1的51)至接地端(53)，则该电子开关芯片直接选通工作信号，此种情况为声光调制器正常工作的状态；拨动第三单刀双掷开关(图2的S3，图1的51)至计算机选通控制信号输入端(图2的D1，图1的52)，则将依据计算机输出的信号对电子开关芯片的选通路径进行控制，若计算机选通控制信号输入为低电平，则工作信号通过，若计算机选通控制信号输入高电平，则参考信号通过。

如附图1与附图3所示，作为示例，本发明的声光调制器驱动系统的第一运算放大器(13)选择OP177，计算机频率控制电压(11)通过借口输入，经过运算放大器进行一定程度上的放大，到达第一单刀双掷开关(S1)的第二固定端，第一可变电阻器(Rpot1)通过滑动端的调整来输出手动调节的频率控制信号，到达第一单刀双掷开关(S1)的第一固定端，拨动第一单刀双掷开关(S1)可以进行手动控制频率方式和计算机控制频率方式的切换。第二可变电阻器(Rpot2)通过滑动端的调整来影响第一运算放大器对计算机输入电压Vi的放大关系。第一运算放大器电压输出Vo与计算机频率控制电压Vi的关系为：

其中，p为第二可变电阻接入电路的比例，15为反向供电电压‐15V的绝对值。

如附图1与附图4所示，作为示例，本发明的声光调制器驱动系统的第二运算放大器选择OP177，计算机衰减控制电压(31)通过接口输入，到达第二单刀双掷开关(S2)的第二固定端，第四可变电阻器(Rpot4)通过滑动端的调整来输出手动调节的衰减控制信号，到达第二单刀双掷开关(S2)的第一固定端，拨动第二单刀双掷开关(S2)可以进行手动控制衰减方式和计算机控制衰减方式的切换，之后经过运算放大器进行一定程度上的放大。第二运算放大器电压输出Vo与其正相输入电压Vi的关系为：

以下说明本发明的声光调制器驱动系统的各个可变电阻的具体功能。调节第一可变电阻可在手动输入工作信号频率控制电压的状态下改变工作信号频率控制电压，从而改变第一压控振荡器的输出信号频率。调节第二可变电阻可在电信号直接输入工作信号频率控制电压的状态下改变工作信号频率控制电压，从而改变第一压控振荡器的输出信号频率。调节第三可变电阻可改变参考信号频率控制电压，从而改变第二压控振荡器的输出信号频率。调节第四可变电阻可在手动输入工作信号衰减控制电压的状态下改变工作信号衰减控制电压，从而改变第一衰减器的输出信号功率。调节第五可变电阻可改变工作信号衰减控制电压，从而改变第一衰减器的输出信号功率。调节第六可变电阻可改变参考信号衰减控制电压，从而改变第二衰减器的输出信号功率。

如附图5所示，对本发明的声光调制器驱动系统输出信号进行频谱分析。由于冷原子实验对激光强度的要求，设定工作信号和参考信号的功率都在3dBm左右，对工作信号频率为132.1MHz，参考信号110.4MHz，工作状态下切换选通工作射频信号输出，工作信号功率为3.4dBm，参考信号功率为‐33dBm，在非工作状态下切换选通参考射频信号输出，工作信号功率为‐51dBm，参考信号功率为3.0dBm，则工作信号的隔离度为54dB，参考信号的隔离度为38dB，隔离度都较高，可以满足实验要求。同时也可以看出，本发明的声光调制器驱动系统输出的信号的频率比较纯净、带宽较窄。

如附图6所示，将本发明的声光调制器驱动系统连接声光调制器，对本发明的声光调制器驱动系统工作信号开启时间进行测试，并与没有加参考信号模块仅有工作信号模块的声光调制器驱动系统进行比较，所用原始光为激光冷却原子实验中的反泵浦光，测量开启声光调制器驱动系统工作信号导致的调制光的功率变化，在其他条件相同的情况下，本发明的开启声光调制器的时间约70ms，由于测试所用光电管带宽的影响，实际声光调制器的开启时间应该比70ms更短，因而热效应较弱，而未加参考信号模块的驱动系统开启声光调制器的时间约为6s，热效应较强。则可以看出，本发明对声光调制器的热效应有明显的抑制作用，且响应时间较快。

综上所述，本发明的用于改善声光调制器热效应的声光调制器驱动系统包括：频率控制信号输入模块，用于提供控制射频信号频率的电压；射频发生模块，用于产生特定频率的射频信号；衰减控制信号输入模块，用于提供控制射频信号衰减程度的电压；可调衰减模块，依据衰减控制信号对射频发生模块产生的射频信号的功率进行调节；电子/机械开关通道切换模块，可通过手动拨动机械开关或者电信号的直接输入来控制选通工作射频信号或参考射频信号；射频宽带功率放大模块，与电子/机械开关通道切换模块选通输出端相连，对开关选通输出信号进行功率放大；电源滤波变压模块，对正负供电电压进行滤波，同时变压输出相应电平以供内部芯片使用。

本发明的声光调制器驱动系统可以明显改善声光调制器热效应，并具有切换速度快，频率成分较为简单，频率、衰减可以实现手动与电信号同时控制等优点，且成本较低。该发明在冷原子，冷分子及其他光学实验中将获得更广泛更方便的应用。