CN102185251B - 计算机控制的激光器长期稳频装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算机控制的激光器长期稳频装置及其方法。鉴频光路和电路模块的输出端口与第二数据采集卡的输入端口相连，第二数据采集卡的输出端口分别与温度控制器、电流驱动器、光栅驱动器的输入端口相连，第二数据采集卡的总线端口与第二计算机的总线端口相连接，第一数据采集卡的总线端口与第一计算机的总线端口相连接，第一数据采集卡的通信端口和第二数据采集卡的通信端口相连接。在两台计算机定期发送同步信号的协调下，第二计算机在给激光稳频期间，第一计算机完成激光应用任务；第一计算机在暂停应用任务期间，第二计算机检查并抑制激光器跳模；从而在不影响应用任务激光频率稳定性的基础上，实时检查并抑制跳模，实现长期稳频。
Description
技术领域
本发明涉及激光器的稳频，尤其涉及一种计算机控制的激光器长期稳频装置及其方法。
背景技术
外腔半导体激光器的稳频技术在量子光学、冷原子物理等实验和工程领域有着重要的应用，是实现精密测量的关键技术之一。普通激光二极管的长期稳频已经实现，但是外腔半导体激光器由于存在外部光学反馈，稳频需要通过温度、电流和光栅控制实现长期稳频。对于外腔半导体激光器中所用的激光管是无消反射膜情况，长期锁频更是困难，因为跳模的干扰是一个主要障碍。
目前抑制跳模实现长期稳频的常用方法是，使用出射端面镀了一层消反射膜的激光二极管、在激光器控制电路增加电流前馈功能并与光栅按比例联合调节，这样能扩展激光器无跳模连续调谐范围，在一定程度上缓解跳模的干扰、延缓跳模出现的时机，但并不能从根本上消除跳模，这就使得激光器很难在数天时间以上保持稳定。还有一种具备在发生跳模频率失锁后自动恢复稳定的功能的激光器控制方法及其装置，它并不能抑制跳模，只是因为有自动恢复功能而实现了长期稳频，但不时发生的跳模失锁仍然会干扰应用实验的正常进行，而且此方法及其装置要求激光光谱形态非常简单，当光谱形态比较复杂时，自动恢复的准确度就大大降低了。综上，目前国内没有一种抑制跳模而实现长期稳频的激光器控制方法及其装置。
发明内容
本发明的目的是为克服现有的激光器稳频方法及其装置不能长期抑制跳模从而不能长期稳频的困难，提供一种计算机控制的激光器长期稳频装置及其方法。
计算机控制的激光器长期稳频装置包括外腔半导体激光器、温度控制器、电流驱动器、光栅驱动器、部分反射镜、鉴频光路和电路模块、第一计算机、第二计算机、第一数据采集卡、第二数据采集卡和激光应用任务的运行系统；外腔半导体激光器输入端口分别与温度控制器输出端口、电流驱动器输出端口、光栅驱动器输出端口相连，外腔半导体激光器输出激光束由部分反射镜的激光束直射部分提供给激光应用任务的运行系统，部分反射镜的激光束反射部分输入到鉴频光路和电路模块，鉴频光路和电路模块的输出端口与第二数据采集卡的输入端口相连，第二数据采集卡的输出端口分别与温度控制器输入端口、电流驱动器输入端口、光栅驱动器输入端口相连，第二数据采集卡的总线端口与第二计算机的总线端口相连接，第一数据采集卡的输出端口与激光应用任务的运行系统的输入端口相连，第一数据采集卡的总线端口与第一计算机的总线端口相连接，第一数据采集卡的通信端口和第二数据采集卡的通信端口相连接。
所述的第一计算机和第二计算机为通用微型计算机。所述的第一数据采集卡和第二数据采集卡为配有数模、模数转换器的数据采集卡。
计算机控制的激光器长期稳频方法的步骤如下：
1）第一计算机执行激光应用任务的同时第二计算机执行常规激光稳频程序，给应用任务提供持续稳定的激光源；
2）当第一计算机执行完一次或多次完整的应用任务后，进入等待程序，同时通过第一数据采集卡的通信端口与第二数据采集卡的通信端口向第二计算机发送信号，第一计算机通知第二计算机激光应用任务完成，要求第二计算机进行激光器检测；
3）第二计算机接到进行激光器检测的信号后，立刻停止常规稳频，转而启动检测程序：扫描光栅，得到以当前激光稳定工作点为中心，分别覆盖两边高频和低频方向各0-1GHz范围内的光谱信号，计算光谱的微分信号是否含有尖峰脉冲，从而检测其中是否含有跳模现象，并通过第二数据采集卡调节激光器的电流和温度；
4）第二计算机完成激光器检测程序后，恢复启动常规稳频，同时通过第二数据采集卡的通信端口与第一数据采集卡的通信端口向第一计算机发送信号，第二计算机通知第一计算机：激光器检测程序完成，要求第一计算机继续执行激光应用任务；
5）第一计算机接到继续执行激光应用任务的信号后，立刻恢复执行激光应用任务；
6）第一计算机、第二计算机重复步骤1）到步骤5），保持光谱中一旦出现跳模就会立刻被消除，保持激光器长期不受跳模干扰，实现长期稳频。
本发明的有益效果是，在同步信号的协调下，计算机控制激光器能在不影响应用任务的正常进行的情况下定期检查光谱并抑制跳模，实现激光器长期稳频，并且结构简单，不用对原有激光器及其光路做任何改动。
附图说明
图1为计算机控制的激光器长期稳频装置的结构示意图；
图2为本发明的第一计算机的程序流程图；
图3为本发明的第二计算机的程序流程图；
图中：外腔半导体激光器1、温度控制器2、电流驱动器3、光栅驱动器4、部分反射镜5、鉴频光路和电路模块6、第一计算机7、第二计算机8、第一数据采集卡9、第二数据采集卡10、激光应用任务的运行系统11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，计算机控制的激光器长期稳频装置包括外腔半导体激光器1、温度控制器2、电流驱动器3、光栅驱动器4、部分反射镜5、鉴频光路和电路模块6、第一计算机7、第二计算机8、第一数据采集卡9、第二数据采集卡10和激光应用任务的运行系统11；外腔半导体激光器1输入端口分别与温度控制器2输出端口、电流驱动器3输出端口、光栅驱动器4输出端口相连，外腔半导体激光器1输出激光束由部分反射镜5的激光束直射部分提供给激光应用任务的运行系统11，部分反射镜5的激光束反射部分输入到鉴频光路和电路模块6，鉴频光路和电路模块6的输出端口与第二数据采集卡10的输入端口相连，第二数据采集卡10的输出端口分别与温度控制器2输入端口、电流驱动器3输入端口、光栅驱动器4输入端口相连，第二数据采集卡10的总线端口与第二计算机8的总线端口相连接，第一数据采集卡9的输出端口与激光应用任务的运行系统11的输入端口相连，第一数据采集卡9的总线端口与第一计算机7的总线端口相连接，第一数据采集卡9的通信端口和第二数据采集卡10的通信端口相连接。
所述的第一计算机7和第二计算机8为通用微型计算机。所述的第一数据采集卡9和第二数据采集卡10为配有数模、模数转换器的数据采集卡。
计算机控制的激光器长期稳频方法的步骤如下：
1）第一计算机7执行激光应用任务的同时第二计算机8执行常规激光稳频程序，给应用任务提供持续稳定的激光源；
2）当第一计算机7执行完一次或多次完整的应用任务后，进入等待程序，同时通过第一数据采集卡9的通信端口与第二数据采集卡10的通信端口向第二计算机8发送信号，第一计算机7通知第二计算机8激光应用任务完成，要求第二计算机8进行激光器检测；
3）第二计算机8接到进行激光器检测的信号后，立刻停止常规稳频，转而启动检测程序：扫描光栅，得到以当前激光稳定工作点为中心，分别覆盖两边高频和低频方向各0-1GHz范围内的光谱信号，计算光谱的微分信号是否含有尖峰脉冲，从而检测其中是否含有跳模现象，并通过第二数据采集卡10调节激光器的电流和温度；
4）第二计算机8完成激光器检测程序后，恢复启动常规稳频，同时通过第二数据采集卡10的通信端口与第一数据采集卡9的通信端口向第一计算机7发送信号，第二计算机8通知第一计算机7：激光器检测程序完成，要求第一计算机7继续执行激光应用任务；
5）第一计算机7接到继续执行激光应用任务的信号后，立刻恢复执行激光应用任务；
6）第一计算机7、第二计算机8重复步骤1）到步骤5），保持光谱中一旦出现跳模就会立刻被消除，保持激光器长期不受跳模干扰，实现长期稳频。
外腔半导体激光器为商用的Littrow型结构的外腔半导体激光器，温度控制器、电流驱动器、光栅驱动器是其配套的控制电路、鉴频光路和电路模块为采用饱和吸收谱技术的光路和接受通过该光路的激光束的光电探测器、第一计算机、第二计算机都是通用微型计算机，第一数据采集卡、第二数据采集卡都是配备有数模、模数转换器的PCI型数据采集卡，它们分别插在第一计算机、第二计算机的主板上。
外腔半导体激光器输出光路由部分反射镜分出一大部分提供给应用任务，一小部分输入到鉴频光路和电路模块，模块中光电探测器输出的鉴频电信号输入第二数据采集卡，从而输入第二计算机。计算机输出控制信号通过第二数据采集卡分别控制温度控制器、电流驱动器、光栅驱动器，从而控制激光器的输出频率。这样第二计算机就可以根据接受的鉴频信号对激光器进行稳频。第一计算机通过第一数据采集卡控制应用任务如原子喷泉实验。第一计算机、第二计算机通过第一数据采集卡、第二数据采集卡之间的通信电缆进行通信。
本装置运行时，第一计算机执行原子喷泉过程的同时第二计算机执行常规PID稳频程序，将激光稳定在指定的饱和吸收峰处，给原子喷泉实验提供持续稳定的激光源。当第一计算机执行完一次或多次完整的原子喷泉过程后，通过通信线路向第二计算机发送信号，通知第二计算机：原子喷泉过程完成，可以进行扫描检测。第一计算机随即进入等待程序。第二计算机接到这道指令后，立刻停止常规PID稳频，转而启动单次光栅扫描程序，以当前稳频工作点为中心，覆盖两边数百MHz频率范围。计算得到的光谱信号的微分信号，检查其中是否含有尖峰脉冲，从而检查其中是否含有跳模现象，并计算跳模点与稳频工作点的相对位置，然后根据位置进行可能需要的电流调节以排除模跳模。最后，恢复启动常规PID稳频迅速锁定在此前解除锁定的饱和吸收峰处，同时通过通信线路通知第一计算机：跳模扫描检测程序完成，可以继续进行原子喷泉实验了。整个跳模扫描检测程序耗时仅0.1秒钟。就这样，两台计算机通过这种协调机制同步工作，不断循环进行下去。一旦发现光谱中出现跳模就立刻启动电流调节以及时排除它，从而实现长期稳频。这就是这种检测程序及其协调机制的运行原理。
本发明并不限于具体实施方式中所述的实例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，在不脱离权利要求书中所述本发明的精神和范围内，都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种计算机控制的激光器长期稳频装置，其特征在于包括外腔半导体激光器(1)、温度控制器(2)、电流驱动器(3)、光栅驱动器(4)、部分反射镜(5)、鉴频光路和电路模块(6)、第一计算机(7)、第二计算机(8)、第一数据采集卡(9)、第二数据采集卡(10)和激光应用任务的运行系统(11)；外腔半导体激光器(1)输入端口分别与温度控制器(2)输出端口、电流驱动器(3)输出端口、光栅驱动器(4)输出端口相连，外腔半导体激光器(1)输出激光束由部分反射镜(5)的激光束直射部分提供给激光应用任务的运行系统(11)，部分反射镜(5)的激光束反射部分输入到鉴频光路和电路模块(6)，鉴频光路和电路模块(6)的输出端口与第二数据采集卡(10)的输入端口相连，第二数据采集卡(10)的输出端口分别与温度控制器(2)输入端口、电流驱动器(3)输入端口、光栅驱动器(4)输入端口相连，第一数据采集卡(9)的输出端口与激光应用任务的运行系统(11)的输入端口相连，第二数据采集卡(10)的总线端口与第二计算机(8)的总线端口相连接，第一数据采集卡(9)的总线端口与第一计算机(7)的总线端口相连接，第一数据采集卡(9)的通信端口和第二数据采集卡(10)的通信端口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种计算机控制的激光器长期稳频装置，其特征在于所述的第一计算机(7)和第二计算机(8)为通用微型计算机。
3.根据权利要求1所述的一种计算机控制的激光器长期稳频装置，其特征在于所述的第一数据采集卡(9)和第二数据采集卡(10)为配有数模转换器和模数转换器的数据采集卡。
4.一种使用如权利要求1所述装置的计算机控制的激光器长期稳频方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)第一计算机(7)执行激光应用任务的同时第二计算机(8)执行常规激光稳频程序，给应用任务提供持续稳定的激光源；
2)当第一计算机(7)执行完一次或多次完整的应用任务后，进入等待程序，同时通过第一数据采集卡(9)的通信端口与第二数据采集卡(10)的通信端口向第二计算机(8)发送信号，第一计算机(7)通知第二计算机(8)激光应用任务完成，要求第二计算机(8)进行激光器检测；
3)第二计算机(8)接到进行激光器检测的信号后，立刻停止常规稳频，转而启动检测程序：扫描光栅，得到以当前激光稳定工作点为中心，分别覆盖两边高频和低频方向各0-1GHz范围内的光谱信号，计算光谱的微分信号是否含有尖峰脉冲，从而检测其中是否含有跳模现象，并通过第二数据采集卡(10)调节激光器的电流和温度；
4)第二计算机(8)完成激光器检测程序后，恢复启动常规稳频，同时通过第二数据采集卡(10)的通信端口与第一数据采集卡(9)的通信端口向第一计算机(7)发送信号，第二计算机(8)通知第一计算机(7)：激光器检测程序完成，要求第一计算机(7)继续执行激光应用任务；
5)第一计算机(7)接到继续执行激光应用任务的信号后，立刻恢复执行激光应用任务；
6)第一计算机(7)、第二计算机(8)重复步骤1)到步骤5)，保持光谱中一旦出现跳模就会立刻被消除，保持激光器长期不受跳模干扰，实现长期稳频。
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