基于DDS的激光频率高精度控制系统及其应用

在诸如激光冷却原子、光频标和冷原子干涉等实验中,通常采用压控振荡器（VCO）技术对激光移频,但是移频精度和稳定性不能满足实验要求。本文提出并研制了一种直接数字频率合成器（DDS）及其专用高精度时序控制系统用于激光的移频。DDS基于AD9852芯片,配合微控制器（MCU）控制其参数,输出经功率放大后直接驱动声光调制器以调...     

玻色-爱因斯坦凝聚实验中光学系统和控制系统的研究

设计了适用于玻色-爱因斯坦凝聚实验的光学系统和控制系统.在光学系统中,采用三次微分稳频的技术将半导体激光的频率锁定在87Rb原子的饱和吸收谱线上.冷却光频率和光强的控制通过声光调制器实现.讨论了激光频率的稳定性对于玻色-爱因斯坦凝聚实验中冷原子温度的影响;制作并改进了基于锁相环技术声光调制器的射频驱动源,使所有输入声光调制器射频场的相位来自同一个参考源,从而避免了经过移频后激光频率和相位的随机抖动对原子产生的加热.在控制系统中采用LabVIEW作为时序控制平台,综合了磁光阱和运动光学粘团中的冷却激光频率和光强的控制,上下两个磁光阱装载原子的过程,87Rb原子从磁光阱过渡到静磁阱的过程,静磁阱的电流快速开关控制,蒸发冷却过程中扫描射频场的频率和时间控制,以及CCD成像系统的控制.着重讨论在蒸发冷却过程中87Rb原子的统计状态随着扫描射频场的改变而发生的变化.(OA2)     

用于冷原子干涉仪的声光调制器数字驱动系统

为了满足冷原子干涉实验对激光移频的需求、实现移频速率的精确可控,设计并实现了一个带有操作界面的声光调制器数字驱动与控制系统。该系统由三个部分组成,分别是上位机,微处理器控制芯片,射频信号产生芯片。其中上位机用于收集控制信息;微处理器控制芯片用于根据上位机发送来的控制信息实现对射频信号产生芯片的控制、产生驱动声光调制器晶体的射频信号,从而实现对实验中所需的激光进行移频。该系统可输出频率为0~150 MHz且相位噪声低至-116 dBc/Hz的射频信号,同时可有效控制输出信号的幅度、相位和扫频速率等,该系统提供了满足冷原子干涉实验需求的多种工作模式。     

用于激光原子囚禁的二极管激光器的稳频和移频

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行了稳频,使得激光器的等效线宽小于1～MHz,并利用声光调制器使激光的频移量得到控制,能满足激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求,实现了Rb原子的激光囚禁。     

星间激光时频传递系统中的多普勒频移补偿技术

为了减少星间激光时频传输过程中的多普勒频移并提高星间通信的可靠性,提出了一种多普勒频移补偿技术。首先,对多普勒频移进行了理论分析和仿真,得到了两卫星在24 h通信中断前传输激光光学频率所产生的多普勒频移;然后,设计了一个多普勒频移补偿系统用于星间激光多普勒频移补偿。仿真结果表明：该系统能在约15个控制周期内完成多普勒频移补偿,使得补偿后的多普勒频移小于8 kHz,比未补偿的情况改善了6个数量级。     

测风激光雷达中F-P标准具频率跟踪方案及实现

在直接探测测风激光雷达中,多普勒频移由高分辨率的Fabry-Perot标准具检测得到。指出了激光频率与标准具腔长随环境温度的变化导致测量误差增大的问题,提出了频率跟踪的解决方案。使用散射光纤对激光脉宽进行扩展,在双通道标准具的基础上增加专用于频率跟踪的通道,使用光电倍增管检测光强,设计制作了基于采样的频率跟踪电路。仿真实验表明,该方案能够实现标准具腔长与激光发射频率的动态跟踪。     

激光多普勒移频特性研究

为了提高激光多普勒测速系统的性能,增强系统与应用场景适配性,文中对比电光和声光两种主要移频器件的特点,从器件移频原理出发,提出了简化频率变换关系的分析方法,从理论上研究激光多普勒测速系统中两种器件产生的移频特性,搭建铌酸锂电光调制和声光移频全光纤激光测速系统链路,将测试频率特征与理论特征进行对比研究,提出一种新型声电混合调制激光多普勒测速系统。结果表明,该新型系统兼具声光移频测速系统可测量运动目标运动方向、运动速度,完成电光调制测速系统多频率校正的特点,频率测量相对误差较小,动态范围大。通过研究两种移频方式对频率特性,为设计高性能激光多普勒测速系统提供了理论和实验支撑。     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

He-Ne双折射塞曼双频激光器的等光强稳频研究

在精密测量领域,He-Ne 激光器是制造激光干涉仪的首选光源,因波长作为测量的尺子,激光器的频率稳定性至关重要。介绍了双频激光器的稳频技术原理,利用调谐腔中平行光和垂直光的等光强点作为稳频点,以光强平衡为依据设计热伺服控制电路,采用数字和模拟电路共同控制,实现了He-Ne双折射塞曼双频激光器的频率稳定。对大频差(7.95 MHz)的双频激光器进行拍频测试,单次频率稳定度达10-9量级,重复多次多日测量,频率不确定度达1.07410-8(k=2)。同时对频差稳定度进行测试,频差波动范围在8 kHz以内,相对偏差度为0.001,完全达到商用双频干涉仪的标准。     

直接数字频率合成在声光移频器中的应用

直接数字频率是一种新兴的电子技术,已广泛应用于雷达以及和 ,由于应用在惯性技术中的声光移频器对其控制电路提出了很高的要求,传统的技术难以实现。因此,文章介绍了一种以技术为核心的新型控制方法,它将声光移频器的要求与先进的数字技术结合起来,大大提高了控制系统的精度。     

用于稳定激光功率的数字控制系统

在冷原子干涉仪的研究中,常采用三个拉曼光脉冲实现对原子束的相干操控(分束、反射和合束)。拉曼激光的功率抖动会引起Rabi频率的变化,从而带来严重的干涉相移噪声。这些噪声对用于高精度转动加速度测量的冷原子干涉仪来说是不可忽略的系统噪声,因此实现拉曼激光的功率稳定对于实现高精度原子干涉是至关重要的。采用声光调制器(AOM)作为执行器,设计了一套用于稳定激光功率的数字控制系统。在对AOM进行系统辨识和控制器仿真设计的基础上,利用Labview程序实现了激光功率稳定的PID控制。测试结果表明,在测量时间为1 h情况下,激光功率的不稳定度由系统闭环前的1.67%降低到了系统闭环后的0.19%,极大地提高了干涉信号的稳定性,同时也降低了系统噪声。     

用于冷原子干涉仪的拉曼激光的注入锁定

原子干涉仪通常采取拉曼脉冲序列对原子波包进行相干操作,高功率的拉曼光可让更多的原子参与速度敏感型受激拉曼跃迁,有利于实现信噪比高的原子干涉仪条纹。研制高功率的拉曼激光器对冷原子干涉仪的实验研究具有重要意义,文章报道了基于注入锁定技术实现的高功率拉曼激光器的实验结果。主激光器经过1.5 GHz声光调制器产生1级衍射光作为拉曼光的种子光,注入到两个从激光器后锁定,并实现功率放大。两个拉曼光的频率相差3.0 GHz,频率调谐范围为200 MHz。     

基于模糊控制的自适应激光功率稳定系统研究

研究了一种基于模糊控制的嵌入式激光功率稳定系统,用声光调制器作为功率稳定的外部环路反馈器件,采用模数转换器和数模转换器以及数字信号处理芯片组成数控功率稳定电路。用模糊控制方案解决了传统比例-积分-微分(PID)的超调问题,反馈环路的稳定时间为1.8 ms。有效抑制了激光功率在低频部分的相对强度噪声,在1 Hz处从-88 dBc/Hz改善至-110 dBc/Hz。激光功率的相对起伏由0.29%降低至0.035%。相比于传统PID,模糊PID可以根据系统所处状态实时调整参数,从而达到自适应的效果。     

Laser detection by electronic instead of optical heterodyne using a two-frequency laser

A laser ranging system using a two-frequency laser is demonstrated, and the lidar-radar concept is introduced. A laser beam carrying 100 MHz radio frequency is obtained by a monolithic nonplanar ring single-frequency oscillator and an acousto-optical modulator, which is used as the light source of the two-frequency detecting experimental setup. With the optical transmitting and collecting system, the displacement information of a target mounted on a motorized translation stage is achieved. In signal processing, the displacement is obtained by calculating the phase difference between the reference and detection signals executed by a radio-frequency lock-in amplifier. The ranging system turns the optical heterodyne into an electronic demodulation, and the repetition error is less than 3%. The system takes advantage of the signal processing technologies of radar, and meanwhile maintains the advantages of laser detection.     

全固态频移反馈激光器的谱宽稳定特性

从速率方程出发,把激光介质的增益带宽以环程频移量为单位划分为若干频带并进行移频处理,仿真分析了基于Nd∶YVO4介质的频移反馈(FSF)激光器在连续输出情况下的特性,给出了在改变抽运功率水平、声光调制器(AOM)衍射效率、环程频移量、介质增益带宽等条件下频移反馈激光器的输出谱宽、频谱位移等的仿真计算结果。实验中,采用端面抽运驻波腔结构并以声光调制器作为腔内移频器,构建了基于Nd∶YVO4介质的全固态频移反馈激光器,实验研究验证了理论计算的结果,并得到了1 W以上的连续激光输出。研究结果表明频移反馈激光器的输出频谱在不同抽运水平下具有谱宽基本稳定的特点。     

13.5--Interferometric methods for measuring dispersion in CO2laser oscillations and amplifiers

An interferometric method is described for measuring the phase shifts caused by anomalous dispersion in laser active media under actual oscillating conditions. In addition, some data are presented which show how this method can be used to measure dispersion in a single-frequency 10.6-micron CO2laser plasma. The application of an interferometer of this kind to laser frequency stabilization is also discussed, and an absolute frequency stabilization scheme for CO2lasers is suggested. Because the phase shift observed is an antisymmetrical function about the center of the molecular resonance, it can be used directly as an absolute frequency control discriminant. The resulting frequency control system requires neither amplitude nor frequency modulation of the laser. A modification of a Mach-Zehnder interferometer for the measurement of dispersion in laser amplifiers is also described. This modified interferometer was used to measure phase shift as a function of frequency in an unsaturated traveling-wave CO2amplifier. The oscillographic data resulting from these measurements are shown.     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

52Cr原子光刻制作纳米结构研究

纳米结构制作技术中,原子光刻具有独特的优势.为了能够达到纳米制作的要求,并得到所需的沉积条纹,设计了一套实验装置,并分别对原子光刻技术中的原子源、激光系统、稳频系统、原子准直系统和沉积结果进行具体的分析.根据所设计的实验装置,采用分步实验的方式,对各子系统进行了相关数据的采集和测试.其中,稳频精度达到了0.26 MHz精度,铬原子发散角经激光冷却系统由4.5 mrad降低到了0.9 mrad,最后沉积的纳米条纹间距为234 nm条纹高度约为0.276 nm.