白燕羽;朱璐菜;吕小强;张涛
【摘 要】In order to meet the systematical requirements of frequency -stabilized laser with double -longitudinal mode in frequency precision and response speed, a laser frequency stabilization system under embedded intelligent control was proposed. The whole completed system, based on AT89S52, can stabilize laser frequencies by controlling the current of the laser tube, as well as the length of its resonant cavity. The software was accomplished on the basis of segmented PID algorithm. Testing results show the frequency stabilization can meet design requirements with an accuracy maintaining at 10"8. When a strong interference occurs, the system can restore to original state within 30 seconds. Compared with the previous PID control system, this system is greatly improved in anti-interference ability and response speed as well.%为同时满足双纵模氦氖激光器的稳频精度和响应速度要求,提出一种嵌入式智能控制激光稳频系统.以AT89S52为核心,整个系统通过控制激光管的电流大小以改变激光管谐振腔腔长,从而达到稳频的目的；并基于分段式PID控制 算法实现了稳频系统的软件开发.经试验证实:该系统满足设计要求,稳频精度保持在10-8以内；在外界强干扰情况下,恢复原来的状态后,激光器在30s内也可以重新稳住.与以往传统的PID控制系统相比较,该系统大大提高了抗干扰能力和响应速度.
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2012(038)001
【总页数】3页(P110-112)
【关键词】激光稳频;嵌入式;智能控制;稳频精度;响应速度
【作 者】白燕羽;朱璐菜;吕小强;张涛
【作者单位】四川大学激光应用研究所,四川成都610065;四川大学激光应用研究所,四川成都610065;四川大学激光应用研究所,四川成都610065;四川大学激光应用研究所,四川成都610065
【正文语种】中 文
脉动时空
【中图分类】TN249;TP311.14
0引言
激光稳频技术是基础科学研究的重要工具，也是尖端科学的关键组成部分，在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。由于双纵模热稳频方法具有成本低、稳频装置简单且又可达到与传统塞曼型稳频激光器同一量级的稳频精度的优点，因而得到了较为广泛的应用。在这种方法中，目前大多采用PID方式控制激光管的放电电流或者绕在激光器上电阻丝电流的变化，以达到稳定激光管谐振腔长度进而稳定激光频率的目的。但传统的PID控制方式存在反应速度慢、滞后性大、精度不高、灵活度低的缺点。该文介绍一种嵌入式智能控制实现激光稳频的控制电路系统，可灵活应用于多种场合，既能满足精度要求，同时又大大提高了系统的响应速度[1-2]。
1 系统设计
1.1 稳频的基本原理
一定长度的激光器谐振腔，谐振腔中可能出现几个纵模。每一纵模都是线偏振光，而且两
相邻纵模的偏振方向相互垂直。纵模间距计算公式为
式中：c——光在真空中传播的速度；
n——空气的折射率；
L——谐振腔总的光学长度[3]。
图1为内腔式He-Ne激光器的增益曲线及纵模模式。由图可知，只要选定激光器等离子管的合适长度（10～30cm），就可以使Q值以上的增益曲线只包含2个纵模，其频率分别为Vq、Vq+1，且使它们在增益曲线上位置对称。由于Vq和Vq+1远离增益曲线的最大值点，所以激光工作物质在Vq和Vq+1处的散较弱，由此引起的频率牵移误差较小，并且左右对称[4]。
图1 内腔式He-Ne激光器的增益曲线
在实际应用中由于模的竞争，在不加任何控制的情况下只能是一个模占主要地位，但不久又会被相邻的另一个模替代。为了使激光器输出的2个纵模同时存在且频差稳定，控制激光
器的放电电流以控制激光器的温度来改变腔长，使腔长的变化总是倾向于模竞争中处于劣势的模，使2个纵模同时存在，从而达到频率稳定的目的[5-6]。球墨铸铁铸造
激光器放电管中的等离子体工作于近似电子中性状态，其中以无规则的热运动占优势，而这种无规则运动的速度与温度和其他因素具有以下关系
式中：——等离子体参与者（离子、电子、光子等）的平均动能；
mp——等离子体参与者的质量；
VT——等离子体参与者的热运动速度；
T——等离子体参与者的温度；
k——波尔兹曼常数。
亦即
对一定的等离子管常量，等离子体的温度仅与热运动速度的平方成正比。而VT只与放电电流有关，即VT=Φ（I）；而电流I又由激励电压V决定，即 VT=F（V）。
智能拼图
at89s52最小系统由于放电管是壁厚均匀的细长管，设环境温度不变则可以看成是通过管壁的一维稳定导热，那么放电管温度变化取决于它在热调节时间τ内从等离子体得到的热量变化ΔQ，而。最后得出热调节时间为
式中：mt——作为放电通道用的那一段放电管的质量，kg；
c——放电管材料的比热容；
r、l——放电管的内半径和长度；
α——膨胀系数。
供氧器
从式（4）可以看出，如果选择合适的激光管参数，并将它放置在保温罩中，可使τ值足够小以满足热稳频的需要[7]。
低频标签
1.2 稳频电路的设计与实现
系统选用成都科普激光研究所生产的全内腔激光器，参数为：谐振腔长度约190mm，功率1.2mW，电流4mA。经计算频差约790MHz，该激光器符合上述理论要求。另外，由于系
统采用智能控制，能增强抗干扰能力，同时要检测受到干扰后恢复的响应速度，可不加保温罩进行实验。
系统在开机时先采集一个零点信号作为参考信号，然后对激光管预热。在预热过程中，激光器的换模周期不断变长，一定的周期说明管子已被预热到一定程度。系统能够自动控制在达到设定的周期长度时使装置由预热状态转入正常工作状态。等一个周期的信号采集完成，经过滤波、预处理，送入智能控制系统，经过分段式的PID控制，再送入激光电源，控制其电流大小，以达到改变激光谐振腔腔长目的，使激光输出频率达到稳定。稳频电路的原理框图如图2所示。
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