CN103414099A - 一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统 - Google Patents

一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统 Download PDF

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一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，是利用法拉第旋光效应稳定激光器输出光强的一种闭环控制光强稳定系统，包括光路系统和闭环控制系统。光路系统由激光器、起偏器、法拉第旋光器、检偏器、消偏振分光棱镜组成。闭环控制系统由光电探测器，PID控制器，法拉第旋光器驱动电路组成。光电探测器接收消偏振分光棱镜分出的一束光，通过光电转换将其转换对应电压信号作为PID控制器的输入。PID控制器将控制信号送到法拉第旋光器驱动电路。法拉第旋光器驱动电路为法拉第旋光器内线圈提供驱动电流，该电流改变线圈内磁场，继而改变偏振光偏振面偏转角，最终稳定光强。

Description

一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统
技术领域
本发明涉及一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，适用于提高激光器发出的激光的光强稳定性。可以有效避免电源波动、温度起伏、光电流不稳等干扰引起的的激光器输出光强起伏，尤其在需要使用的激光为完全线偏振光时，可以有效抵抗光学器件的振动带来线偏振光的光强起伏。
背景技术
二十一世纪，光电测量技术快速发展，利用激光作为光源进行精密测量技术取得了长足进步。随着对测量精度的要求越来越高，对激光光强的稳定性的要求也日益提高，在激光器使用过程中各种噪声均会引起激光器发出的激光光强发生起伏。在以往的研究中如用于近红外光谱学的光强度控制，公开（公告）号CN101686821公布了一种通过光检测器及闭环控制来稳定驱动光源控制电流的方法；一种光强度调节器则使用了纯光学的手段，利用偏振分束器、偏振旋转器、法拉第旋转反射镜以及相位调制器通过法拉第旋转反射镜的非互异性进行了光强度的调节与稳定。还有一些研究人员展开了对激光器输出功率控制电路的研究，通过的一定控制理论对激光输出功率的高精度控制进而稳定激光器的发出的激光的光强。激光器光强稳定技术目前已经有了很大发展，目前的方法及理论多数集中在通过集成电路来控制激光器的光电流或者激光器的输出功率，硬件实现复杂，且不能有效抵抗光学器件振动干扰。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，利用该光强稳定系统，可以提高激光器发出的激光光强的稳定性。
本发明的技术解决方案：一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，包括：光路系统、闭环控制系统；所述光路系统包括激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3检偏器4和消偏振分光棱镜5。闭环控制系统包括光电探测器6、PID控制器7、法拉第旋光器驱动电路8。
所述光路系统的激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3、检偏器4、消偏振分光棱镜5的光轴处于同一直线上，其在光学平台上的安装次序从左至右依次为激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3、检偏器4、消偏振分光棱镜5。激光器发出的激光经由起偏器变为完全线偏振光，然后经过法拉第旋光器中的法拉第晶体进行偏振面的调整，再经过光轴与起偏器成45度的检偏器射出。消偏振分光棱镜对检偏器射出的激光进行能量等分，光束一作为稳定的激光提供给后续仪器使用，光束二作为反馈信号用来进行PID控制。
所述闭环控制系统的光电探测器6将光束二的光强信号转换为电压信号，并将该信号传送到PID控制器7，用于进行比例、微分、积分运算。PID控制器7输出的控制量传送到法拉第旋光器驱动电路8。法拉第旋光器驱动电路8将该控制量转换为相应的电流用于驱动法拉第旋光器3的线圈。法拉第旋光器3由法拉第晶体，螺线管及全铝制机械零件组成，所有机械零件包括用于存放法拉第晶体的晶体套，用于缠绕螺线管的线圈桶，起到保护作用的保护桶，及用来与光学平台相连接的底座。
本发明的原理是：利用起偏器将激光器发出的激光变为完全线偏振光，将检偏器与起偏器的光轴形成45度夹角，则在无闭环控制时，激光经过起偏器后形成的线偏振光与检偏器光轴夹角为45度。利用消偏振分光棱镜经激光分成两束，光束二的光强信息转换为电压信息后作为PID控制器的反馈信号。在干扰发生时光束一和光束二输出的激光均会发生起伏。此时PID控制器通过比例、微分、积分运算输出控制量，经过法拉第旋光器驱动电路转换为电流提供给法拉第旋光器的线圈，线圈产生与该电流对应的磁场，在磁场的作用下经过起偏器后形成的偏振光在经过法拉第旋光器时偏振面会发生改变，该偏振面的偏转角用来补偿因各种扰动导致的光强变化，从而稳定光束一的光强。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用简单的光路系统及闭环控制系统，通过PID控制原理来实现激光器输出光强的稳定。可以有效应对各种激光器的噪声，如电源波动、温度起伏、光电流不稳及在实验或工作中光学平台受到外界振动影响引起的光强起伏等。较之前只能抑制一种或有限几种噪声的光强稳定方案有了很大提高，尤其在光学系统受到外界振动干扰时可以有效抑制光学元件的振动带来的对激光器输出激光光强的干扰。
附图说明
图1为本发明的总体原理图；
图2为本发明的闭环控制系统原理图；
图3为本发明的法拉第旋光器机械结构剖面图；
图4为本发明的法拉第旋光器驱动电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：光路系统和闭环控制系统；所述光路系统包括激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3、检偏器4、消偏振分光棱镜5；所述闭环控制系统系统包括光电探测器6、PID控制器7、法拉第旋光器驱动电路8。以光学实验平台为平台搭建本系统。所述光路系统的激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3、检偏器4、消偏振分光棱镜5的光轴处于同一直线上，其在光学平台上的安装次序从左至右依次为激光器1、起偏器2、法拉第旋光器3、检偏器4、消偏振分光棱镜5。激光器发出的激光经由起偏器变为完全线偏振光，然后经过法拉第旋光器中的法拉第晶体进行偏振面的调整，再经过光轴与起偏器成45度的检偏器射出。消偏振分光棱镜对检偏器射出的激光进行能量等分，光束一作为稳定的激光提供给后续仪器使用，光束二作为反馈信号用来进行PID控制。
如图2所示，本发明闭环控制系统输入跟踪电压为稳定的光强经光电探测器后对应的电压值，输出电压为经过PID和法拉第旋光器调制的光强经光电探测器后对应的电压值。PID控制器由DSP28335编程设计实现。光电探测器输出反馈电压信号作为PID控制器的输入。PID控制器将控制信号送到法拉第旋光器驱动电路。法拉第旋光器驱动电路为法拉第旋光器内线圈提供驱动电流，该电流改变线圈内磁场，继而改变偏振光偏振面偏转角，最终稳定光强。
如图3所示，本发明法拉第旋光器由法拉第晶体14，线圈15及全铝制机械零件组成。所有机械零件包括用于存放法拉第晶体的晶体套10，用于缠绕螺线管的线圈桶11，起到保护作用的保护桶13，及用来与光学平台相连接的底座16。法拉第晶体14的尺寸为直径2cm、长度2.8cm。晶体套10的内径为3cm，内安装八个用来固定法拉第晶体14的螺钉12。将法拉第晶体14通过螺钉12固定在晶体套10内，并将其组装到线圈桶11中，在线圈桶11上缠绕2000匝直径为5mm的漆包铜芯线绕成线圈15。用保护桶13保护线圈桶11，并将保护桶13通过固定环9与底座连接便于在光学平台上安装。
本发明的PID控制器采用DSP芯片，将光电探测器探测到的光束二的电压值经过DSP的模数转换功能转换成数字信号，由DSP进行比例、积分、微分运算，并根据运算结果输出相应的控制电压，并将该控制电压生成相应的PWM波用于驱动法拉第旋光器。
如图4所示，本发明法拉第旋光器驱动电路主要由4个大功率晶体管（Q1、Q2、Q3、Q4），4个稳压二级管（D1、D2、D3、D4）构成H桥驱动电路，并采用PWM脉宽调制技术调节法拉第旋光器内线圈电流大小及方向。对角线上的大功率晶体管Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组。线圈工作时，只允许对角线上的一组大功率晶体管为打开状态。PID控制器输出的电压量，经过PWM生成器，输出两路互补PWM波（PWMA、PWMB）。PWMA、PWMB经过光耦隔离输出的OP_PWMA、OP_PWMB决定H桥4个晶体管的打开与关断时间及顺序，从而调节法拉第旋光器内线圈电流大小及方向。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，其特征在于包括：光路系统，闭环控制系统；所述光路系统包括激光器（1）、起偏器（2）、法拉第旋光器（3）、检偏器（4）、消偏振分光棱镜（5）；所述闭环控制系统系统包括光电探测器（6）、PID控制器（7）、法拉第旋光器驱动电路（8）；
所述光路系统包括激光器（1）、起偏器（2）、法拉第旋光器（3）、检偏器（4）和消偏振分光棱镜（5）的光轴位于同一直线上，激光器（1）发出的激光依次经过起偏器（2）、法拉第旋光器（3）、检偏器（4）、消偏振分光棱镜（5）后分成两束，光束一作为稳定的激光供后续仪器使用，光束二作为反馈信号使用；起偏器（2）与检偏器（4）之间的光轴夹角调整为45度；
所述闭环控制系统包括光电探测器（6），将光束二的光强信号转换为电压量，并传送到PID控制器（7），PID运算器（7）运算后输出的控制量经过法拉第旋光器驱动电路（8）转换成电流，提供给法拉第旋光器内的线圈。
2.根据权利要求1所述的一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，其特征在于：所述法拉第旋光器（3）由法拉第晶体，线圈及全铝制机械零件组成；所有机械零件包括用于存放法拉第晶体的晶体套；用于缠绕线圈的线圈桶；起到保护作用的保护桶；及用来与光学平台相连接的底座。
3.根据权利要求1所述的一种基于法拉第旋光效应的光强稳定系统，其特征在于：所述法拉第旋光器驱动电路（8）由大功率晶体管构成H桥驱动电路，并采用PWM脉宽调制技术调节法拉第旋光器内线圈电流大小及方向。
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