CN102629731B - 一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光器波长和功率同时稳定控制的方法，公开一种用该方法构成的激光器波长和功率同时稳定的控制装置，建立波长监控回路和功率监控回路，装置信号处理器对激光器波长和输出功率的控制均采用比例积分控制方法（PIC），通过比例积分控制流程对激光器波长和功率的同时监控，以及独立和综合控制，克服已有技术波长控制精度低，稳频控制电路复杂、实用性差以及不能同时稳定激光器的波长和输出功率的缺陷。本发明激光器波长和功率同时稳定的控制装置具有结构简单，高精度、低噪声，易于实现的特点，应用本发明的方法及其装置，为应用与光学精密测量领域的多种类型激光器提供一种简单实用的频率和功率同时稳定的激光光源。<b />

Description

一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法及其控制装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及光学测量的稳定激光器光源，尤其涉及一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法及其基于该方法的激光器波长和功率同时稳定的控制装置。

背景技术

光波的参数有振幅或功率、频率或波长、相位、偏振等，这些都可能是随时间的变化量。在光测量技术中，光波的某些参数被作为参考或尺度，对被测物进行对比测量。在许多场合，如光通讯、激光精加工、精确测量、细微分析、显示等方面，对光波长、频率、和光功率都有一定的应用需求。

目前，绝大多数光学精密测量中需要频率和功率稳定的激光光源。绝大多数激光器光源都会受环境因素的影响而存在频率漂移或功率波动，或两者皆有的问题。所述环境因素包括环境温度的变化，激光器所加电流的变化，激光器增益介质老化，还包括输出光学元件的性能变化。目前绝大多数光测激光光源都由于上述不稳定的因素，而直接影响其光测精度。

激光器的种类繁多。按激光器工作物质的种类不同分为：固体激光器，气体激光器，液体激光器，半导体激光器，自由电子激光器等。固体激光器和液体染料激光器主要采用光泵式激光激励方式；气体激光器主要采用气体放电激励方式；半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励。显然，用于光学测量的激光器类型不同，所需要激光光源的频率和功率稳定装置也不相同。这就增加了解决激光光源的频率和功率稳定的技术难度。

已有技术的美国专利号US7471710，名称为“窄线宽半导体激光器”的发明专利，采用电流反馈和鉴频器来控制和稳定半导体激光器频率。激光器采用电流反馈来稳频，电流反馈稳频会带来输出功率的波动，存在半导体激光器频率稳定差的缺陷。已有技术的中国专利申请号200810071793，名称为“一种单纵模激光器的稳频装置”的发明专利，通过温度控制模块、温度探测元件和温度反馈电路来改变工作电流，补偿激光器频率漂移，提高激光器的波长稳定性，但存在激光器的波长稳定性的控制精度欠佳以及不能同时提高激光器的功率稳定的缺陷。另一项中国专利申请号200620098150，名称为“一种基于气体吸收线的稳频激光器”的发明专利，采用参考气体室及温度补偿来稳定激光器的波长。还有一项中国专利申请号01136575，名称为“光纤光栅外腔半导体激光器的稳频装置及其稳频方法” 的发明专利， 公开一种光纤光栅外腔半导体激光稳频装置，包括由激光器及其温度控制器和电流源组成的激光光源，由乙炔气体吸收室构成的鉴频器；由光探测器，锁相放大器和信号源和高压驱动源组成的伺服反馈控制器。其鉴频器采用的是气体吸收室，激光器稳频控制采用了复杂的高压驱动的伺服装置和锁相放大器。存在采用温度反馈控制来稳定激光器波长控制精度低、稳频控制电路复杂、实用性差的缺陷。上述已有技术，对激光器输出功率的波动都没有进行控制，都存在不能同时控制与提高激光器功率稳定性的缺陷。

本专利技术中，提出了激光器波长漂移和功率波动同时监测以及采用双监控回路的控制方法，可以同时稳定地控制激光器的输出波长和功率。

发明目的

本发明的目的是克服已有技术存在的上述缺陷，提出一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法，其核心是建立了一种简单有效的激光器波长和功率控制装置，通过该装置的波长监控器和功率监控器对波长和输出功率同时进行检测，波长监控器和功率监控器的两个输出信号同时经过放大和滤波后，由装置信号处理器作监控处理，处理结果分别送波长控制器和功率控制器，控制激光器实现波长和功率的同时稳定。本发明同时公开一种激光器波长和功率同时稳定的控制装置，该装置的构成包括光学隔离器、光学分束器、波长控制器、功率控制器、波长监控器、功率监控器、信号放大与滤波单元、信号采集单元、信号处理器及其人机交互界面。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。

一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、跟踪激光器波长的漂移；

通过波长监控回路跟踪激光器波长的漂移；激光器的信号处理器与以波长监控器为主要部件构成波长监控回路，信号处理器控制波长监控回路及跟踪激光器波长的漂移；

步骤二、同时跟踪激光器输出功率的波动；

通过功率监控回路跟踪激光器输出功率的波动；激光器的信号处理器与以功率监控器为主要部件构成功率监控回路，信号处理器控制功率监控回路和功率控制单元，跟踪激光器输出功率的波动；

步骤三、同时检测激光器的波长和输出功率；

通过光束分束器将激光光束分束后形成一个输出光束和两个监测光束，将两个监测光束同时送到波长监控器和功率监控器，对监测光束进行波长和输出功率检测，得到与激光器波长漂移和输出功率波动相关的两个输出信号；

步骤四、对激光器波长漂移和输出功率波动相关输出信号作限定带宽、稳定幅度和减噪处理；

同时将与激光器波长漂移和输出功率波动相关的两个输出信号分别进行放大和滤波，用以限定两个输出信号的带宽、稳定信号的幅度，减少噪声干扰；

步骤五、同时形成波长和功率两监控回路的反馈控制信号；

由信号处理器采集和处理经过放大和滤波的波长漂移信号和输出功率波动信号，形成波长监控回路和功率监控回路的两路控制信号；

步骤六、基于比例积分控制法（PIC）同时对激光器的波长和功率实行稳定控制和调整；

将波长监控回路和功率监控回路形成的两路控制信号对应送给波长控制器和功率控制器，信号处理器基于比例积分控制法（PIC）同时对激光器的波长和输出功率实施控制，用以实现激光器的波长和功率同时稳定控制和调整。

所述的方法，其在于所述步骤六的比例积分控制法（PIC），对激光器波长和输出功率的（PIC）控制，包括：

（1）定义波长监控回路和功率监控回路的基本线性和动态特性均不随时间变化；

（2）对波长控制回路和功率控制回路分别初始化设置比例系数Kp和积分系数Ki，并确定波长和功率稳定的相应参考值：

1）根据波长控制器或功率控制器的响应特性、光束分束器的分光比、放大与滤波单元的放大增益、滤波带宽的参数值，确定并调整PIC的比例系数Kp和积分系数Ki；

2）根据PIC的比例系数Kp确定与光束分束器分光比和电压放大增益相关的参考值；根据积分系数Ki确定与滤波带宽和放大增益相关的参考值；；

（3）将波长监控回路采集到的数据和对应的波长参考值进行比较，得到一个波长监控回路比较差值；

（4）与（3）同时将功率监控回路采集到的数据和对应的功率参考值进行比较，得到一个功率监控回路比较差值；

（5）信号处理器按照输入的两路监控回路的比较差值，计算得到两路监控回路新的反馈控制输入值；

（6）信号处理器同时将两路新反馈控制输入值对应送到波长监控回路和功率监控回路，同时执行比例控制和积分控制；

（7）判断激光器波长监控回路及功率监控回路的输出信号值，是否同时达到或者保持在对应的波长参考值和功率参考值。若未同时达到或者保持在参考值，返回执行（3）～（6），波长监控回路和功率监控回路同时执行比例控制和积分控制，使波长监控回路和功率监控回路的输出信号同时达到或者保持在参考值；若同时达到或者保持在参考值，转（8）；

（8）连续执行波长和输出功率稳定控制，激光器的波长监控回路和功率监控回路同时通过基于PIC的控制，其波长和输出功率同时获得准确和稳定的控制。

（9）将两路反馈控制输入数据存入信号处理器的稳定性控制数据库，通过查表给偏差映射得到积分控制数据，加快积分输出的累积进程，使比例积分控制过程更为快捷。

比例控制及时迅速。只要检测出监控回路有相应偏差产生，信号处理器PIC控制模块的比例控制器立即产生控制作用。信号处理器PIC控制模块的积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。通过比例积分控制作用快速消除余差。

所述的方法构成的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，该控制装置组成包括光学隔离器、光学分束器、波长控制器、功率控制器、波长监控器、功率监控器、信号放大与滤波单元、信号采集单元、信号处理器及其人机交互界面；

波长监控器、信号处理器和波长控制器构成波长监控回路，功率监控器、信号处理器和功率控制器构成功率监控回路；

激光器谐振腔的输出通过光束分束器与监控和控制装置相连接；

激光器谐振腔的输出主光束经光学隔离器后与光束分束器相连接，光束分束器从输入的主光束中取出一小部分光束，分成两路监测光束对应送到波长监控回路和功率监控回路，光束分束器输出端分别与波长监控器输入端和功率监控器输入端相连，波长监控器和功率监控器的输出端对应连接一个放大与滤波单元的输入端，二个放大与滤波单元输出端经信号采集连接信号处理器，信号处理器的两个输出信号端对应连波长控制器和功率控制器的控制端，波长漂移和功率波动信号经信号处理器PIC处理并转化为相应的控制信号后再送波长控制器和功率控制器，波长控制器输出端与激光器谐振腔相连，而功率控制器输出端与光学隔离器的输入端相连。

所述的激光器的波长和功率同时稳定的控制装置，其在于所述波长监控器由带有温控结构的光学干涉仪以及光电探测器组成，光学干涉仪置于温控结构内，光学干涉仪连接光电探测器，波长监控器不受环境变化的影响，用于提高抑制设置带宽内的波长漂移的稳定性。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述波长监控器由带有温控的气体吸收盒或光栅、以及光电探测器组成，气体吸收盒或光栅连接光电探测器，波长监控器不受环境变化的影响，用于提高抑制设置带宽内的波长漂移的稳定性。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述波长控制器为一种输出外加物理条件改变激光器波长的部件；外加物理条件包括控制增益介质温度或控制电压或控制电流或改变谐振腔腔镜的反射波长，构成多种形式波长控制器，适用于多种不同类型的激光器。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述功率监控器由光电探测器组成，用于将功率波动信号转变为电压控制信号，其输出经由功率监控回路送到功率控制器；

所述功率监控器还包括一个驱动控制器；驱动控制器的输入端连接控制信号端，其输出端连接功率监控器的控制端，用于实现对功率监控器的控制信号驱动。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述多种波长控制器包括外加物理条件为改变增益介质的温度或电流的半导体激光器波长控制器、外加物理条件为外加电压的固体激光器波长控制器、外加物理条件为外加电压或温度的光纤激光器波长控制器；控制装置上波长控制器的配置根据不同类型的激光器选择接入。

外加电压或电流可以改变激光器的波长，例如，对于大多数半导体激光器，外加电流可以直接改变激光器的波长，改变增益介质的温度亦可改变激光器的波长；对于固体激光器，通过外加电压受电压控制的电致伸缩材料（PZT）可以改变激光器的腔长，微调激光器的波长；对于光纤激光器，通过受外加电压控制的PZT可以改变输出反射镜的波长，或通过改变温度来调节输出反射镜的波长也可改变激光器输出的波长。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述功率控制器为电压可控的衰减器，由外加的电压改变电压可控的衰减器的透过率，随着外加电压的升高，该衰减器的透射损耗增大。反之，光路的衰减随之减少。

所述的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，其在于所述信号处理器为一个单片机，单片机将采集的波长漂移信号和功率信号与预设的参考信号值进行比较，再经放大和滤波后送到相应的控制单元；所述单片机的型号为MCS51或MSP430。

本发明控制装置建立波长监控回路和功率监控回路，装置信号处理器对激光器波长和输出功率的控制均采用比例积分控制方法（PIC），通过比例积分控制流程对激光器波长和功率的同时监控，以及独立和综合控制，克服已有技术波长控制精度低，稳频控制电路复杂、实用性差以及不能同时稳定激光器的波长和输出功率的缺陷。本发明激光器波长和功率同时稳定的控制装置具有结构简单，高精度、低噪声，易于实现的特点，应用本发明的方法及其装置，为光学测量领域的多种类型激光器提供一种简单实用的频率和功率同时稳定的激光光源。

本发明的实质性效果：

1、本发明提出的一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法，可以控制激光器实现波长和功率的同时稳定。

2、本发明提出的激光器波长和功率同时稳定的控制装置结构简单，同时对两个监控回路输出信号进行限定带宽、稳定幅度和减少噪声干扰处理，易于实现。

3、本发明控制装置克服已有技术中激光器波长稳定性的控制精度低的缺陷，基于波长监控回路和功率监控回路，均采用比例积分控制方法PIC对激光器波长和功率的同时监控，对波长监控回路和功率监控回路两路信号实施独立和综合控制，实现对激光器波长和功率高精度同步稳定。

4、本发明方法及其装置的对激光器波长和功率同时控制的精度好，波长监控器不受环境温度变化影响，比例积分及时迅速，控制速度快。

5、本发明控制装置上波长控制器的配置根据不同类型的激光器选择接入，适用于半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等多种激光器。

附图说明

图1 激光器波长与功率双控制回路构成原理示意框图。

图2a为本发明一种激光器波长和功率同时稳定的控制装置原理构成示意框图；

图2a中： 21—激光器光路部分、211—激光器谐振腔、212—第1光学隔离器、213—光束分束器、214—第2光学隔离器、22—激光器信号处理部分、221—信号处理器、222—信号采集单元、223—人机界面单元、23—波长监控回路、231—波长监控器、232—放大与滤波单元、233—波长控制器、24—功率监控回路、241—功率监控器、242—放大与滤波单元、243—驱动控制器、244—功率控制器。

图2b为本发明的另一种激光器波长和功率同时稳定的控制装置原理构成示意框图；

图2b中：25—激光器光路部分、26—功率监控回路、244—功率控制器。

图3为本发明实施例单频半导体激光器波长和功率同时稳定控制装置的系统构成框图。

图4为本发明实施例固体激光器波长和功率同时稳定控制装置的系统结构框图。

图5为本发明实施例光纤激光器波长和功率同时稳定控制装置的系统结构框图。

图6为本发明实施例1.55 um半导体分布反馈式（DFB）激光器波长和功率同时稳定控制装置的光路结构示意图；

图6中：61—半导体DFB激光器，62—聚焦透镜， 63—光隔离器，64—第1分束片，65—可变衰减器，66—光隔离器，67—第2分束片，68—第1光电探测器，69—波长监控器，691—气体吸收盒或干涉仪或光栅，692—第2光电探测器。

具体实施方法

图1给出本发明激光器波长与功率双控制回路构成原理示意框图。如图1示，激光器的输出光束中分出一小部分光束送波长监控回路和功率监控回路，激光器波长监控回路的主要部件包括波长监测器和波长控制器，激光器功率监控回路的主要部件包括功率监测器和功率控制器，两路监控回路相应的输出信号经激光器的信号处理器处理后，反馈到激光器，实现激光波长和功率的同时稳定。

下面通过实施例并结合附图对本发明技术方案作进一步的详细说明。

实施例1

图2a为本发明一种激光器波长和功率双控制回路构成示意框图。如图2a所示，带有波长和功率同时稳定控制装置的激光器控制结构中，激光器波长和功率同时稳定的控制装置由包括激光器谐振腔211、第1光学隔离器212、光束分束器213和第2光学隔离器214的激光器光学部件21，包括信号采集单元222、信号处理器221和人机界面223的激光器信号处理部分22，包括波长监控器231、放大与滤波单元232和波长控制器233以及信号采集222和信号处理器221的波长监控回路23，以及包括功率监控器241、放大与滤波单元242、驱动控制器243和功率控制器244以及信号采集222和信号处理器221的功率监控回路24组成。

激光器的光束分束器213的两路监控光束的输出同时接入波长监控回路23和功率监控回路24的输入端。波长监控回路23的放大与滤波单元232输出连接信号处理单元22，波长监控回路23的波长控制器233输出连接激光器谐振腔211控制端。功率监控回路24的驱动控制器243输出连接功率控制器244的控制端。激光器波长与功率的同时稳定由两个独立的监控回路来实现。相对于激光器谐振腔而言，波长监控回路23构成波长功率稳定控制的内环，功率监控回路24构成波长功率稳定控制的外环。波长监控回路23稳定工作时，激光器的波长将会得到锁定，但激光器谐振腔的输出光功率可能会受到影响而发生波动。在谐振腔外部的功率监控回路24继而独立工作来稳定激光器输出光的功率。功率控制回路24稳定工作时，激光器的功率将会得到锁定。两个监控回路都稳定工作时，控制装置便实现了激光器波长和功率同时稳定的控制。

第1光学隔离器212和第2光学隔离器214为常规保偏光隔离器，光学隔离器1连接于激光器谐振腔211输出端，用于防止后级的散射光向前进入谐振腔。光学隔离器2连接于功率控制器244输出端，用于防止后级的散射光向前进入功率控制器，用于提高激光器谐振腔输出光信号的抗噪性能。

光束分束器213为介质膜分束片或光纤耦合器，光束分束器213将激光器谐振腔211输出激光并经光学隔离器1的输出光分出一小部分，同时送给波长监控回路23和功率监控回路24，两个监控回路分别对激光器的波长的漂移和功率的波动实施监控。光束分束器213的分束比控制范围为1.0%-10%，同时保持激光器输出光的偏振态。

波长控制器233为一种输出外加物理条件改变激光器波长的部件。外加物理条件包括控制增益介质温度或控制电压或控制电流或控制腔内模式的损耗系数。

功率控制器244为电压控制的可变衰减器，其透过率受外加电压控制。随着外加电压的升高，透过率下降，激光器输出功率下降。由此可以通过调节外加电压达到稳定激光器输出功率的目的。

激光器波长与功率的同时稳定由两个独立的控制环路来实现。独立双环路具体的控制关系如下：

(1)

(2)

在上式中，Dl为所需的波长偏移量，DP为所需的功率偏移量，Y ₁为波长控制器输入量，Y ₂为功率控制器244的输入量，K ₁₁和K ₂₁为波长监控回路23和功率监控回路24的波长控制系数，K ₂₂为功率监控回路24的功率控制系数。波长的控制为独立过程，只受到波长控制器233的影响，与外环的功率控制器无关。只要调节波长控制器233输入量Y ₁就可获得所需的波长偏移量。功率的调节则与内环的波长控制器有关，当波长进行调节时，外环的功率监控回路24会受到影响，因此，为达到功率的稳定，需要考虑波长控制器233和功率控制器244的共同作用。为满足所需的功率偏移量DP，在进行波长偏移而调节Y ₁时，还要再加上功率控制器244的输入量Y ₂的调节。信号处理器通过PIC控制处理，快速完成Y ₁和Y ₂调节，使波长偏移量Dl和功率偏移量DP同时满足与波长参考值和功率参考值的比较判定要求，本发明控制装置就可实现激光器波长和功率同时稳定的控制。

在激光器上配置波长监控器231、波长控制器233与激光器的信号处理器部分构成波长监控回路，产生所需的波长控制信号，由波长控制器233输出，控制激光器谐振腔211输出的激光波长，达到激光器输出波长稳定的目的。

在激光器外配置功率监控器241、驱动控制器243、功率控制器244与激光器的信号处理部分构成功率监控回路23，产生所需的功率控制信号经驱动控制器243，然后送功率控制器244，控制激光器的光功率输出，达到激光器输出功率稳定的目的。

实施例2

图2b为本发明的另一种激光器波长和功率同时稳定的综合回路控制装置构成示意框图。如图2b所示，激光器波长和功率同时稳定的控制装置由包括激光器谐振腔211、光学隔离器212、光束分束器213和光学隔离器215的激光器光学部件25，包括信号采集单元222、信号处理器221和人机界面223的信号处理单元，包括波长监控器231、放大与滤波单元232和波长控制器233以及信号采集222和信号处理器221的波长监控回路23，以及包括功率监控器241、放大与滤波单元242和功率控制器244以及信号采集222和信号处理器221的功率监控回路24组成。

与图2a实施例1不同之处在于，图2b中激光器波长的控制与功率的控制是由相互关联的波长监控回路23和功率监控回路24实现综合控制。激光器谐振腔的波长调谐会受到功率调节的影响。激光器波长与功率的同时稳定由下式决定：

(3)

(4)

Dl为所需的波长偏移量，DP为所需的功率偏移量，Y ₁为波长控制器233的输入量，Y ₂为功率控制器244的输入量，K ₁₁和K ₁₂为波长控制器233的输入量的控制系数，K ₂₁和K ₂₂为功率控制器的输入量的控制系数。由于

是非奇异矩阵，根据所需的就可以求出，再通过PIC控制处理即可实现波长和功率的同时稳定控制了。

通过波长监控器221和功率监控器241对激光器的波长和输出功率同时进行检测，得到波长和输出功率两个输出信号。同时对这两个输出信号进行放大和滤波，用于稳定信号幅度，减少背景噪声干扰。经过放大和滤波后输出的反映波长和功率的信号由信号处理器处理，与预设的参考信号进行比较，再通过PIC方法形成控制信号。信号处理器将控制信号分别送波长控制器23和功率控制器244，采用对激光器波长和输出功率的PIC控制方法，可实现激光器波长和功率的同时稳定控制和调整。

实施例3

本发明实施例3是单频半导体激光器波长和功率同时稳定控制装置，其系统结构框图如图3所示。对于单频半导体激光器（包括半导体DFB激光器，半导体DBR激光器，半导体外腔激光器等），波长控制器通过控制外加驱动电流，即改变增益介质的注入电流实现激光器波长的微调。半导体激光器也可通过调节温度来控制其激光波长，但温度调控的速度远慢于电流调控的速度。图3所示的结构是采用了通过注入电流控制激光器的输出波长。半导体激光器波长与功率的同时稳定由两个独立的控制环路来实现。半导体激光器的波长稳定由控制驱动电流来实现，功率稳定由外接的电压可控衰减器来实现。驱动电流稳定波长时所引起的功率变化由外环的可变衰减器补偿。

波长监控器由带有温控的气体吸收盒、或光学干涉仪、或光栅再以及光电探测器组成。激光器的输出光束由分束器取出小部分，在转换为平行光后送入带有温控的气体吸收盒、或光学干涉仪、或光栅，透射光由光电探测器接收。根据激光波长的范围，光电探测器为硅探测器或锗探测器或铟镓砷等探测器。激光器波长的变化通过气体吸收盒、或光学干涉仪、或光栅以及光电探测器后即可转换为电流或电压强度的变化。波长监控器用于监测激光器输出波长随的工作环境的变化，并将其变化的数据传送给中央处理器完成处理和对激光器波长的调整控制，实现激光器输出波长对环境变化的不敏感。

 对于半导体激光器，功率控制器为通过输出外加电压给电压可控的衰减器，通过控制外加电压改变电压可控的衰减器的光透过率，实现对激光器功率的控制与调整。随着外加电压的升高，电压可控的衰减器的器件透射损耗增大，激光器最终的输出光功率随之减小。所述功率监控器为一种光电探测器。根据激光波长的范围，光电探测器为硅探测器或锗探测器或铟镓砷等探测器，用于将输入的光信号转化为控制功率控制器的电流或电压信号。功率监控器输入口通过光束分束器连接到激光器输出口，功率监控器的输出经信号放大和滤波后连接到功率控制器的控制端（或通过模数转换后连接中央处理单元，经过信号处理后再通过数模转换器控制功率控制器），可实现对激光器输出光功率的稳定控制。

信号放大与滤波单元包括自动增益放大器和低通滤波器，放大器的增益和带宽需要根据被测量的变化范围和变化速度来设定。

信号采集单元包括信号采集部件和模数转换部件，完成信号采集和信号模数转换。通常中央信号处理器配置有模数转换器，直接将模拟信号转化为数字信号后由处理器进行处理。

信号处理器为单片机或微处理器，将采集单元采集到的经放大和滤波的信号（对应波长漂移量和功率波动量）与相应的预设信号值进行比较和处理，按前述PIC控制过程的要求，送到相应的控制单元（即前述的Y ₁和Y ₂）。通过PIC就可实现波长和功率的稳定控制。单片机完成上述过程的信号判断、处理和控制，单片机型号如MCS51、MSP430等。

人机界面指完成人机交互的显示器和输入键盘，使用人可根据要求设定激光器波长、功率和其它预设信号值。

实施例4

本发明实施例固体激光器波长和功率同时稳定控制装置的系统结构框图如图4所示。对于大多数固体激光器，激光器谐振腔的波长改变可通过PZT微调腔内的滤波片，而功率的稳定可通过电压控制的可变衰减器来实现。在大多数的单频固体激光器中，谐振腔包括激光晶体，高反射镜，激光输出耦合镜。为实现单频运转，需在谐振腔内插入滤波片、干涉滤光片等元件，其透过率与波长有关；或插入透明的晶片，通过改变谐振腔的腔长来微调腔纵模，进而微调输出的激光波长。具体的波长调节方式如下：波长控制器输出外加电压给PZT，通过受外加电压控制的PZT来改变干涉滤光片和晶片的位置或角度，进而调节与波长有关的腔损耗或激光器的腔长，实现对激光器波长的微调。激光器谐振腔的波长改变可通过PZT微调腔内的滤光片，而功率的稳定可通过电压控制的可变衰减器来实现。

波长监控器由带有温控的气体吸收盒、或光学干涉仪、或光栅再以及光电探测器组成。激光器的输出光束由分束器取出小部分，在转换为平行光后送入带有温控的气体吸收盒、或光学干涉仪或光栅，透射光由光电探测器接收。光电探测器为硅探测器或锗探测器或铟镓砷等探测器。

对于固体激光器，功率控制器为通过输出外加电压给电压可控的可变衰减器。所述功率监控器为一种光束分束器加上光电探测器。功率监控器的输出通过模数转换后连接信号处理单元，经过信号处理后再通过数模转换器和驱动控制器控制可变衰减器，实现对激光器输出光功率的稳定控制。

实施例5

本发明实施例光纤激光器波长和功率同时稳定控制装置的系统结构框图，如图5所示。常用的单频光纤激光器包括光纤DFB激光器，光纤DBR激光器，光纤环形腔激光器等。对于光纤激光器，输出激光的波长调谐可通过改变用作反射镜的光纤光栅的波长、或改变插在腔内干涉滤光片的透射峰等实现，而这些可通过调节光纤光栅的温度或使用受外加电压控制的PZT拉伸光栅来实现。激光器谐振腔的波长改变是通过PZT微调腔内的光纤光栅，而功率的稳定同样可通过电压控制的可变衰减器来实现。

波长监控器由带有温控的气体吸收盒、光学干涉仪或光栅再以及光电探测器组成。激光器的输出光束由分束器取出小部分光，在转换为平行光后送入带有温控的气体吸收盒、或光学干涉仪或光栅，透射光由光电探测器接收。根据激光波长的范围，光电探测器为硅探测器或锗探测器或铟镓砷等探测器。激光器波长的变化通过气体吸收盒、或光学干涉仪或光栅以及光电探测器后即可转换为电流或电压强度的变化。波长监控器用于监测激光器输出波长随工作环境的变化，并将其变化的数据传送给中央处理器完成处理和对激光器波长的调整控制，实现激光器输出波长对环境变化的不敏感。

功率控制器为通过输出外加电压给电压可控的衰减器，外加电压改变电压可控的衰减器的光透过率，实现对激光器功率的控制与调整。所述功率监控器为一种光电探测器。光电探测器为硅探测器或锗探测器或铟镓砷或铟镓砷磷等探测器。功率监控器的输出信号处理过程与实施例4过程类似相同，即将光功率的控制通过将输入的光信号转化为控制功率控制器的电流或电压信号来实现。

实施例6

本发明实施例的一种带激光器波长和功率同时稳定控制装置的激光器的光路构成框图，如图6所示。实施例的激光器波为波长1.55 um半导体分布反馈式激光器(DFB激光器)，带激光器波长和功率同时稳定控制装置对波长和功率同时进行稳定性控制。1.55 um半导体DFB激光器波长和功率同时稳定控制装置的光路结构包括：半导体DFB激光器61，聚焦透镜62，光隔离器63，第1光束分束片64，可变衰减器65，光隔离器66，第2光束分束片67，第1光电探测器68，波长监控器69，气体吸收盒或干涉仪或光栅691，第2光电探测器692。

该控制装置的波长控制器采用注入电流来控制单频半导体激光器的波长。该控制装置的功率控制器为可变衰减器65，由可变衰减器来控制激光器的输出功率。

波长监控器69采用的是结构较为简单的法布里干涉仪691加上光电探测器692，安装在带有温度制冷器的铟钢底座上。功率监控器采用光电探测器68，安装在同一铟钢底座上。

第1光束分束器64的分光比为98:2；第2光束分束器67的分光比为70:30。

光学隔离器63和66防止背向反射和散射光进入和干扰激光器谐振腔61和波长监控器69及功率监控器68。

波长监控回路包括光束分束片64、波长监控器69、放大和滤波器、信号处理器及波长控制器，波长控制器由激光器电流驱动器构成。波长监控器69的波长监控输出信号经放大和滤波器、信号处理器及波长控制器，由波长控制器输出电流控制信号到激光器谐振腔61。此波长监控回路的带宽设计为100 kHz。频率从直流到100 kHz以内的波长漂移均可被抑制。

功率监控回路包括分束片67、功率监控器68、放大与滤波器、信号处理器及功率控制器，功率控制器由电压控制的可变衰减器65构成。功率监控器68的功率监控输出信号经放大和滤波器、信号处理器及驱动控制器，由驱动控制器输出电压控制信号到可变衰减器65。功率监控回路的带宽设计为1 kHz。频率从直流到1 kHz以内的功率波动均可被抑制。

激光器输出功率范围：10～100 mW。

采用仿真实验设备对未采用稳定控制装置的波长1.55 um单频半导体DFB激光器作仿真实验，得到波长、功率同时稳定控制的结果如下表1所示：

表1

激光器稳定性	短期（<10s）	长期（>24小时）
			激光器波长漂移	>1.0 pm	>10 pm
激光器功率波动	> 1%	> 3%

采用仿真实验设备对采用带激光器波长和功率同时稳定控制装置的波长1.55 um单频半导体DFB激光器作仿真实验，得到波长、功率同时稳定控制的结果如下表2所示：

表2

激光器稳定性	短期（<10s）	长期（>24小时）
			激光器波长漂移	< 0.5 fm	<0.4 pm
激光器功率波动	< 0.1%	< 0.4%

从上述仿真实验结果显而易见：采用带激光器波长和功率同时稳定控制装置的波长1.55 um单频半导体DFB激光器的波长和功率稳定性，得到大幅度提高，完全可以满足为光学精密测量领域的多种类型激光器提供一种简单实用的频率和功率同时稳定的激光光源的需求。

本发明的保护范围，并非局限于本发明描述的实施例。只要各种变化在所附权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的实例均在保护之列。

Claims (4)

1.一种激光器波长和功率同时稳定的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、跟踪激光器波长的漂移；

通过波长监控回路跟踪激光器波长的漂移；激光器的信号处理器与以波长监控器为主要部件构成波长监控回路，信号处理器控制波长监控回路跟踪激光器波长的漂移；

步骤二、同时跟踪激光器输出功率的波动；

通过功率监控回路跟踪激光器输出功率的波动；激光器的信号处理器与以功率监控器为主要部件构成功率监控回路，信号处理器控制功率监控回路和功率控制器，跟踪激光器输出功率的波动；

步骤三、同时检测激光器的波长和输出功率；

通过光束分束器将激光分光束同时送到波长监控器和功率监控器，同时对激光分光束进行波长和输出功率检测，得到与激光器波长漂移和输出功率波动相关的两个输出信号；

其特征在于还包括：

步骤四、对激光器波长漂移和输出功率波动相关输出信号作限定带宽、稳定幅度和减噪处理；

同时将与激光器波长漂移和输出功率波动相关的两个输出信号分别进行放大和滤波，用以限定两个输出信号的带宽、稳定信号的幅度，减少噪声干扰；

步骤五、同时形成波长和功率两监控回路的反馈控制信号；

由信号采集单元采集、由信号处理器处理经过放大和滤波的波长漂移信号和输出功率波动信号，形成波长监控回路和功率监控回路的两路控制信号；

步骤六、基于比例积分控制法(PIC)同时对激光器的波长和功率实行稳定控制和调整；

将波长监控回路和功率监控回路形成的两路控制信号对应送给波长控制器和功率控制器，信号处理器基于比例积分控制法(PIC)同时对激光器的波长和输出功率实施控制，用以实现激光器的波长和功率同时稳定控制和调整；

所述比例积分控制法同时对波长与功率实行稳定控制的方法包括：

方法1)激光器波长与功率的同时稳定由两个独立的控制环路来实现，独立双环路具体的控制关系如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=K_{11}\&CenterDot;Y_1& \left(1\right)\\ \mathrm{\&Delta;P}=K_{21}\&CenterDot;Y_1+K_{22}\&CenterDot;Y_2& \left(2\right)\end{array}\right.$

在上式中，Δλ为所需的波长偏移量，ΔP为所需的功率偏移量，Y₁为波长控制器输入量，Y₂为功率控制器的输入量，K₁₁和K₂₁为波长监控回路和功率监控回路的波长控制系数，K₂₂为功率监控回路的功率控制系数；波长的控制为独立过程，只受到波长控制器的影响，与外环的功率控制器无关；只要调节波长控制器输入量Y₁就可获得所需的波长偏移量；功率的调节则与内环的波长控制器有关，当波长进行调节时，外环的功率监控回路会受到影响，因此，为达到功率的稳定，需要考虑波长控制器和功率控制器的共同作用；为满足所需的功率偏移量ΔP，在进行波长偏移而调节Y₁时，还要再加上功率控制器的输入量Y₂的调节；信号处理器通过比例积分控制法控制处理，快速完成Y₁和Y₂调节，使波长偏移量Δλ和功率偏移量ΔP同时满足与波长参考值和功率参考值的比较判定要求，就可实现激光器波长和功率同时稳定的控制；

方法2)激光器波长的控制与功率的控制是由相互关联的波长监控回路和功率监控回路实现综合控制，激光器谐振腔的波长调谐会受到功率调节的影响；激光器波长与功率的同时稳定由下式决定：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=K_{11}\&CenterDot;Y_1+K_{12}\&CenterDot;Y_2& \left(3\right)\\ \mathrm{\&Delta;P}=K_{21}\&CenterDot;Y_1+K_{22}\&CenterDot;Y_2& \left(4\right)\end{array}\right.$

在上式中，Δλ为所需的波长偏移量，ΔP为所需的功率偏移量，Y₁为波长控制器的输入量，Y₂为功率控制器的输入量，K₁₁和K₁₂为波长控制器的输入量的控制系数，K₂₁和K₂₂为功率控制器的输入量的控制系数； $\left(\begin{array}{cc}{K}_{11}& K_{12}\\ K_{21}& K_{22}\end{array}\right)$ 是非奇异矩阵，根据所需的 $\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}\\ \mathrm{\&Delta;P}\end{array}\right)$ 就可以求出 $\left(\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right),$ 再通过比例积分控制法控制处理即可实现波长和功率的同时稳定控制。

2.根据权利要求1所述的方法构成的激光器的波长和功率同时稳定控制装置，该控制装置组成包括光学隔离器、光束分束器、波长控制器、功率控制器、波长监控器、功率监控器、信号采集单元、信号处理器，其特征在于，该控制装置组成包括信号放大与滤波单元及人机交互界面；

波长监控器、信号处理器和波长控制器构成波长监控回路，功率监控器、信号处理器和功率控制器构成功率监控回路；

激光器谐振腔的输出通过光束分束器与控制装置相连接；

激光器谐振腔的输出主光束经光学隔离器后与光束分束器相连接，光束分束器输出端分别与波长监控器输入端和功率监控器输入端相连，波长监控器和功率监控器的输出端对应连接一个放大与滤波单元的输入端，二个放大与滤波单元输出端经信号采集单元连接信号处理器，信号处理器的两个输出信号端对应连波长控制器和功率控制器的控制端，波长控制器输出端与激光器谐振腔相连，而功率控制器输出端与光学隔离器的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的激光器波长和功率同时稳定的控制装置，其特征在于，所述波长监控器由带有温控结构的光学干涉仪以及光电探测器组成，光学干涉仪置于温控结构内，安装在带有温度制冷器的铟钢底座上，功率监控器安装在同一铟钢底座上，光学干涉仪连接光电探测器，波长监控器不受环境变化的影响，用于提高抑制设置带宽内的波长漂移的稳定性。

4.根据权利要求3所述的激光器波长和功率同时稳定的控制装置，其特征在于，所述功率监控器由光电探测器组成，功率监控器安装在同一带有温度制冷器的铟钢底座上，用于将功率波动信号转变为电压控制信号，其输出经由功率监控回路送到功率控制器；

所述功率监控器还包括一个驱动控制器；驱动控制器的输入端连接功率监控器的控制信号端，其输出端连接功率监控器的控制端，用于实现对功率监控器的控制信号驱动。