CN103972783B - 外控制式的紫外激光功率稳定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外控制式的紫外激光功率稳定系统，主要解决现有激光功率稳定系统稳定性低的问题。其包括紫外激光光源系统(1)、紫外环境控制室(2)、电光调制器(22)、取样器(26)、光学斩波器(3)、滤光片(4)、光电前放模块(5)、反馈控制模块(6)、电光调制驱动器(7)和激光光功率检测器(8)；紫外激光光源系统输出功率待稳定的紫外激光，并通过电光调制器、取样器、斩波器和滤光片后垂直照射到光电探测器上产生电信号；该电信号通过反馈控制模块产生反馈信号，以控制电光调制驱动器调节电光调制器稳定紫外激光的光功率。本发明稳定性高，适用于250nm‑400nm波段的紫外激光功率稳定。

Description

外控制式的紫外激光功率稳定系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体地说是一种利用信号反馈机制，对紫外激光功率实现稳定控制的光电系统，主要用于实现对紫外激光器输出的光功率的高精度稳定。

技术背景

紫外激光在科研、工业、军事、医疗等众多领域具有广泛的应用，紫外激光功率的稳定性是这些应用中的一个关键因素。在实际使用中，紫外激光器受到电源电流波动、腔镜、激光模式跳变和环境温度变化等因素影响时，将导致激光器输出功率的波动，也就是激光器输出功率的不稳定。不管什么原因引起的激光功率变化，反映在输出光束上是一个合成的效果，即光功率无规律的起伏。紫外激光器作为这些领域中的重要光源，维持它的功率稳定性尤其重要。因此，需要研制一套可以实时调控紫外激光器的控制系统。

目前，国内在基于激光腔外控制的激光功率稳定方面较新的应用，参见《高精度激光束功率稳定器的研究》(姚和军等，计量学报，2000)一文，该文献对基于激光腔外功率稳定控制方法在原理及电路设计上都做出了详细阐述。该方法对工作波长为632.8nm的He-Ne激光器，具有较高的稳定度。但普遍存在的不足之处是其针对632.8nm的可见激光做出稳定，不适应于紫外激光；光路细节处理不够严谨，当激光在空间中传输时，常常会因为光学元件上的瑕疵或空气中的灰尘而散射，未能对散射进行有效处理；未能对光电探测环境进行有效控制，使测量不够精确，暗电流、噪声等受环境影响较大；电信号处理过程繁琐，噪声大。为此，需要研制相应的稳定控制系统，来提高紫外激光器输出功率的稳定性和精度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种外控制式的紫外激光功率稳定系统，以实现250nm-400nm的紫外激光功率的稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.一种外控制式的紫外激光功率稳定系统，包括:

紫外激光光源，用于产生连续型紫外激光并校准激光光路，输入给起偏器；

起偏器，用于将紫外激光的圆偏振态调节为线偏振态，并输入给检偏器；

检偏器，用于检验紫外激光的线偏振态的偏振方向，并把此线偏振态的紫外激光输出给滤光片；

滤光片，用于衰减线偏振态的紫外激光，并输入到光电前放模块；

光电前放模块，用于对线偏振态的紫外激光依次进行光电转换、放大电信号和还原有效信号，并将该有效信号传输到反馈控制模块；

反馈控制模块，用于实现电信号的运算处理，处理后的电信号输出到电光调制驱动器，以输出调节参数，实现对电光调制驱动器的实时调节；

其特征在于，还包括

紫外环境控制室，用于实时调节控制线偏振态的紫外激光传输环境，实现线偏振态的紫外激光的稳定传输；

电光调制器，用于调节控制线偏振态的紫外激光的光功率；

1/4波片，用于使紫外激光相位延迟π/2，

空间滤波器，用于消除系统杂散光；

取样器，用于将线偏振态的紫外激光分为两路，且第一路传输到激光光功率检测器，第二路传输到光学斩波器；

光学斩波器，用于调制线偏振态的紫外激光，使该线偏振态的紫外激光具有特定频率。

二.利用上述系统进行紫外激光功率稳定的方法，包括如下步骤：

(1)开启全固态激光器，输出功率待稳定的紫外激光，待激光器稳定工作后，开启校准激光器，输出可见激光；

(2)调节系统光路，使功率待稳定的紫外激光与可见激光的光线重合，再关闭校准激光器；

(3)将起偏器、电光调制器、1/4波片、检偏器、空间滤波器、取样器按照从左至右的顺序固定在紫外环境控制室中，并将紫外环境控制室抽成真空，以实时调节紫外激光传输环境；

(4)功率待稳定的紫外激光光束依次通过起偏器、电光调制器、1/4波片、检偏器、空间滤波器和取样器后，分为反射和透射两路光束，并将反射路光束传输到激光光功率检测器，将透射路光束传输到光学斩波器；

(5)设定光学斩波器的斩波频率，并调整光学斩波器的位置，使透射路光束垂直通过该光学斩波器；

(6)调制后的透射路光束垂直照射在紫外探测器表面进行光电转换，输出模拟电流信号给前置放大器，将其光电转换后的模拟电流信号进行放大，选频电路从放大后的模拟电流信号中选出无噪声的有效信号，然后通过检波电路还原为直流电信号输出给A/D模拟数字转换器；

(7)A/D模拟数字转换器通过FPGA电路的控制对直流电信号采样，并通过单片机模块将采样数据发送给人机交互界面，以显示当前紫外激光的光功率参数，同时人机交互界面将输入功率微调参数传输给单片机模块；

本发明具有以下优点：

1)本发明由于采用紫外激光光源系统，提出了一种以可见激光光路代替紫外激光光路的光路校准方法，通过调整全固态激光器反射镜和校准激光器反射镜位置，达到两路光路共轴，不仅保证了校准精度，而且实现了可见激光对紫外激光的稳定调节；

2)本发明由于采用紫外环境控制室，实时控制光路系统的环境，不仅为光路提供了真空环境和可控温度，而且保证了紫外激光的稳定传输；

3)本发明由于采用电光调制器调节紫外激光光功率，实现了紫外激光的光功率高精度稳定；

4)本发明由于采用空间滤波器将完美的同轴平行光束聚焦于一点，使其恰好可以通过空间滤波器内部的针孔，可有效的改善系统的解析度，去除光束中所含分布于空间中的光杂讯成分；

5)本发明由于采用光学斩波器、选频电路和检波电路将功率待稳定紫外光信号调制成具有特定频率的紫外光信号并锁定，因而能使经过光电转换后的有效电信号在噪声信号中过滤出来，同时也保证了测量环境不受周围环境的干扰，提高了紫外激光的稳定精度；

6)本发明由于采用人机交互界面，显示当前紫外激光光功率，增强了系统的可读性。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是用本发明进行紫外激光功率稳定的实现流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，本发明的紫外激光功率稳定系统，包括紫外激光光源1、紫外环境控制室2、起偏器21、电光调制器22、1/4波片23、检偏器24、空间滤波器25、取样器26、光学斩波器3、滤光片4、光电前放模块5、反馈控制模块6、电光调制驱动器7和激光光功率检测器8。其中：

所述紫外激光光源1，其包括全固态激光器11、全固态激光反射镜12、校准激光器13、校准激光反射镜14和光阑15。

本实例中使用的全固态激光器11功率为30毫瓦，其发出波长为266nm的紫外激光，且紫外激光的光功率波动范围为1％。由于266nm的紫外激光不被人眼所识别，因此，将校准激光器13输出的可见激光在校准激光反射镜14表面反射，全固态激光器11输出的紫外激光在全固态激光反射镜12表面反射后通过校准激光在校准激光反射镜13上的反射点，校准激光器13的光路与全固态激光器11的光路将在光阑15的开口处重合。通过调节校准激光器13的光路结构，以精确控制功率待稳定紫外激光的入射到光阑15的角度和位置，调节完毕后，固定好所有光学元件并关闭校准激光器。

所述紫外环境控制室2，其内部从左至右依次放置起偏器21、电光调制器22、1/4波片23、检偏器24、空间滤波器25和取样器26。

所述起偏器21，采用美国Thorlabs公司的WP25M-UB，但不局限于此型号。用于调节紫外激光的偏振态，其将紫外激光光源1输出的圆偏振态的紫外激光调节为线偏振态，并传输给1/4波片23，通过该1/4波片23，线偏振态的紫外激光相位将延迟π/2，检偏器24检测相位延迟π/2后的线偏振态紫外激光的偏振方向，通过使用1/4波片23和微调检偏器24方向，使电光调制器22工作在最佳线性区。该电光调制器22和检偏器24分别采用美国Thorlabs公司的铌酸锂电光调制器系列和WP25M-UB，但不局限于此型号。

所述空间滤波器25，采用美国Edmund公司的#57-739，但不局限于此型号。利用其内部的凸透镜将通过检偏器24后的光束聚焦于一点，使其恰好可以通过空间滤波器25内部的针孔，有效消除系统杂散光，使紫外激光稳定传输，且通过针孔的紫外激光将传输到取样器26。

所述取样器26，采用美国Thorlabs公司的BSW20，但不局限于此型号。BSW20采用直径为1英寸的紫外熔融石英分束镜，用于将空间滤波器输出的紫外激光光束分为透射和反射两路光束，且透射、反射的分束比为1:1，其中透射路光束作为输出光，用激光光功率检测器8测量其光功率值，反射路光束输出到光学斩波器3。

所述光学斩波器3，采用英国Scitec公司的Model-300CD，但不局限于此型号。该光学斩波器3按照设定的斩波值对取样器26输出的反射路光束进行调制，并将调制后的紫外激光输出到滤光片4。

所述的滤光片4，放置于光电前放模块5的前面，用于衰减光学斩波器3调制后的紫外激光的光强。

所述光电前放模块5，放置于紫外环境控制室2的右下方，其包括紫外探测器51、前置放大器52、选频电路53和检波电路54；

通过滤光片4的衰减光垂直照射在紫外探测器51表面，该紫外探测器51将衰减后的紫外激光光信号转换为模拟电流信号并输入给前置放大器52，前置放大器52将模拟电流信号放大为模拟电压信号后输出到选频电路53，该选频电路53从放大后的模拟电流信号中选出无噪声的有效信号并输入到检波电路54，检波电路54将无噪声的有效信号近似还原为直流信号。

所述反馈控制模块6，放置在紫外环境控制室2的左下方，其包括A/D模拟数字转换器62、FPGA电路61、单片机系模块63和人机交互界面64。

FPGA电路61控制A/D模拟数字转换器62对检波电路54输出的直流信号进行采样，以输出数字信号给单片机模块63，单片机模块63将采样数据发送给人机交互界面64，以输出显示当前紫外激光功率参数。同时，单片机模块63对模拟数字转换器62输出的数字信号和人机交互界面64输入的功率微调参数进行处理，并将处理结果形成反馈信号控制电光调制驱动器7调节电光调制器22；

参照图2，本发明利用上述系统对紫外激光功率进行稳定调节的步骤如下：

步骤1，调节紫外激光光源的光路：

开启全固态激光器11，输出功率待稳定的紫外激光，待激光器稳定工作后，开启校准激光器13，输出可见激光，调节全固态激光反射镜12和校准激光器反射14，使功率待稳定的紫外激光与可见激光的光线重合后，让功率待稳定的紫外激光垂直通过光阑15，关闭校准激光器13。

步骤2，设定紫外激光的传输环境：

在紫外环境控制室2内按照从左到右的顺序依次放置起偏器21、电光调制器22、1/4波片23、检偏器24、空间滤波器25和取样器26。

调节起偏器21、电光调制器22、1/4波片23和检偏器24位置并固定，以使电光调制器22的工作状态在最佳线性区；

调节空间滤波器25和取样器26位置并固定，使紫外激光分束为反射和透射两路光束，且将反射路光束传输到激光光功率检测器8，将透射路光束传输到光学斩波器3；

密闭紫外环境控制室2，并将紫外环境控制室2抽成真空，以实时调节紫外激光传输环境。

步骤3，设置透射路光束的频率：

开启光学斩波器3，设定其斩波频率为2khz并调节好位置，待光学斩波器3稳定工作后，把透射路光束的频率调制成斩波频率。

步骤4，对透射路光束进行光电转换及信号还原：

在紫外探测器51前固定滤光片4并开启前置放大器52，将衰减后的透射路光束垂直照射在紫外探测器51表面，以进行光电转换并输出模拟电流信号给前置放大器52；

前置放大器52将光电转换的模拟电流信号进行放大，并输出模拟电压信号给选频电路53，该选频电路53锁定模拟电压信号以去除噪声信号，并将此模拟电压信号传输给检波电路54；

检波电路54将模拟电压信号有效还原为直流信号，并输出给A/D模拟数字转换器61。

步骤5，显示紫外激光的光功率参数

通过FPGA电路61控制A/D模拟数字转换器62，对检波电路54输出的直流信号进行数据采样，并将采样后的数字信号传输给单片机模块63，单片机模块63发送该数字信号到人机交互界面64，以显示当前紫外激光的光功率参数。

步骤6，通过反馈控制，稳定紫外的输出功率：

单片机模块63接收采样后的数据和人机交互界面64输入的功率微调参数进行运算处理，处理后的结果形成反馈信号，通过该反馈信号控制电光调制驱动器7调节电光调制器22，以实现紫外功率的稳定。

Claims (7)

1.一种外控制式的紫外激光功率稳定系统，包括：

紫外激光光源(1)，用于产生连续型紫外激光并校准激光光路，输入给起偏器；

起偏器(21)，用于将紫外激光的圆偏振态调节为线偏振态；

检偏器(24)，用于检验紫外激光的线偏振态的偏振方向，并把此线偏振态的紫外激光输出给滤光片；

滤光片(4)，用于衰减线偏振态的紫外激光，并输入到光电前放模块(5)；

光电前放模块(5)，用于对线偏振态的紫外激光依次进行光电转换、放大电信号和还原有效信号，并将该有效信号传输到反馈控制模块(6)；

反馈控制模块(6)，用于实现电信号的运算处理，处理后的电信号输出到电光调制驱动器(7)，以输出调节参数，实现对电光调制驱动器(7)的实时调节；

电光调制驱动器(7)，用于根据反馈控制模块(6)电信号输出调节参数，实时调节电光调制器(22)；

激光光功率检测器(8)，用于根据输出光测量其光功率值；

其特征在于，还包括

紫外环境控制室(2)，用于实时调节控制线偏振态的紫外激光传输环境，实现线偏振态的紫外激光的稳定传输；

电光调制器(22)，用于调节控制线偏振态的紫外激光的光功率；

1/4波片(23)，用于使紫外激光相位延迟π/2，

空间滤波器(25)，用于消除系统杂散光；

取样器(26)，用于将线偏振态的紫外激光分为两路，且反射路传输到激光光功率检测器(8)，透射路传输到光学斩波器(3)；

光学斩波器(3)，用于调制线偏振态的紫外激光，即按照设定的斩波值对取样器(26)输出的反射路光束进行调制，使该线偏振态的紫外激光具有特定频率，并将调制后的紫外激光输出到滤光片4；

所述起偏器(21)、电光调制器(22)、1/4波片(23)、检偏器(24)、空间滤波器(25)和取样器(26)从左至右依次紧密排列，固定在紫外环境控制室(2)内。

2.根据权利要求1所述的紫外激光功率稳定系统，其特征在于，紫外激光光源(1)，由波长为266nm的全固态激光器(11)、全固态激光反射镜(12)、校准激光器(13)、校准激光反射镜(14)和光阑(15)组成；

校准激光器(13)输出的可见激光在校准激光反射镜(14)表面反射，全固态激光器(11)输出的紫外激光在全固态激光反射镜(12)表面反射后通过校准激光在校准激光反射镜(14)上的反射点，输入到光阑(15)，通过该光阑(15)将紫外激光的光斑大小调节为2mm²。

3.根据权利要求1所述的紫外激光功率稳定系统，其特征在于，所述的紫外环境控制室(2)为长方形结构体，左侧设有可供操作的开口，以调节光路系统结构。

4.根据权利要求1所述的紫外激光功率稳定系统，其特征在于，所述的光电前放模块(5)，包括紫外探测器(51)、前置放大器(52)、选频电路(53)和检波电路(54)；紫外探测器(51)将调制后的紫外激光光信号转换为交流电信号，并输入给前置放大器(52)进行信号放大；放大后的信号通过选频电路(53)锁定后输入给检波电路(54)，将其还原为直流电信号。

5.根据权利要求1所述的紫外激光功率稳定系统，其特征在于，所述的反馈控制模块(6)，其包括A/D模拟数字转换器(62)、FPGA电路(61)、单片机系模块(63)和人机交互界面(64)：

A/D模拟数字转换器(62)，用于对光电前放模块(5)输出的模拟电流信号进行采样，并输入给FPGA电路(61)；

FPGA电路(61)，接收A/D模拟数字转换器(62)获得的数字信号，并将数字信号输入给单片机模块(63)进行稳流处理；

单片机模块(63)，用于处理数字信号并将处理结果形成反馈控制信号输出给电光调制驱动器(7)，以调节电光调制器(22)，实现紫外激光功率的稳定；同时单片机模块(63)向人机交互界面(64)发送显示指令，使其显示当前紫外激光的光功率参数。

6.根据权利要求5所述的紫外激光功率稳定系统，其特征在于，所述的A/D模拟数字转换器(62)，采用低噪声处理电路，并放置在屏蔽盒中。

7.一种利用权利要求1所述系统进行紫外激光功率稳定的方法，包括如下步骤：

1)通过紫外激光光源(1)输出可见激光，该紫外激光光源(1)，由波长为266nm的全固态激光器(11)、全固态激光反射镜(12)、校准激光器(13)、校准激光反射镜(14)和光阑(15)组成，校准激光器(13)输出的可见激光在校准激光反射镜(14)表面反射，全固态激光器(11)输出的紫外激光在全固态激光反射镜表面(12)反射后通过校准激光在校准激光反射镜(14)上的反射点，输入到光阑(15)，通过该光阑(15)将紫外激光的光斑大小调节为2mm²；

2)调节系统光路，使功率待稳定的紫外激光与可见激光的光线重合，再关闭校准激光器(13)；

3)将起偏器(21)、电光调制器(22)、1/4波片(23)、检偏器(24)、空间滤波器(25)、取样器(26)按照从左至右的顺序固定在紫外环境控制室(2)中，并将紫外环境控制室(2)抽成真空，以实时调节紫外激光传输环境；

4)功率待稳定的紫外激光光束依次通过起偏器(21)、电光调制器(22)、1/4波片(23)、检偏器(24)、空间滤波器(25)和取样器(26)后，分为反射和透射两路光束，并将反射路光束传输到激光光功率检测器(8)，将透射路光束传输到光学斩波器(3)；

5)设定光学斩波器(3)的斩波频率，并调整光学斩波器(3)的位置，使透射路光束垂直通过该光学斩波器(3)；

6)通过光电前放模块(5)输出直流电信号，该光电前放模块(5)包括紫外探测器(51)、前置放大器(52)、选频电路(53)和检波电路(54)，即调制后的透射路光束垂直照射在紫外探测器(51)表面进行光电转换，输出模拟电流信号给前置放大器(52)，将其光电转换后的模拟电流信号进行放大，选频电路(53)从放大后的模拟电流信号中选出无噪声的有效信号，然后通过检波电路(54)还原为直流电信号输出给反馈控制模块(6)；

7)通过反馈控制模块(6)产生反馈信号稳定紫外激光的光功率，该反馈控制模块(6)包括FPGA电路(61)、A/D模拟数字转换器(62)、单片机模块(63)和人机交互界面(64)，即A/D模拟数字转换器(62)通过FPGA电路(61)的控制对直流电信号采样，并通过单片机模块(63)将采样数据发送给人机交互界面(64)，以显示当前紫外激光的光功率参数，同时人机交互界面(64)将输入功率微调参数传输给单片机模块(63)；单片机模块(63)对采样后的数据和人机交互界面(64)输入的功率微调参数进行运算处理，形成反馈信号，通过该反馈信号控制电光调制驱动器(7)调节电光调制器(22)，以稳定紫外激光的光功率。