CN104104007A - 激光腔外功率稳定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线偏振激光功率稳定技术，具体为一种激光腔外功率稳定装置及其方法。解决了目前激光稳定方法在稳定功率的同时不能保证频率稳定的技术问题。一种激光腔外功率稳定装置，包括激光器系统，激光器系统的出射光路上顺次设有第一λ/2波片和偏振分光器，偏振分光器的透射光路上顺次设有第二λ/2波片和声光调制器；所述偏振分光器的反射光路上设有光电探测器，光电探测器的信号输出端连接有一个内设基于labview的数据处理及PID控制程序的计算机控制单元；计算机控制单元的信号输出端与声光调制器的驱动调制端口相连接。本发明提供的装置以及方法能够实现确定线偏振的激光的高精度稳定控制，光路简单，易于调整；实现了对激光功率实时控制和显示。

Description

激光腔外功率稳定装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种线偏振激光功率稳定技术，特别是基于计算机输入输出卡以及程序实现的PID控制方法，能够实现激光系统的腔外功率稳定，具体为一种激光腔外功率稳定装置及其方法。

背景技术

激光技术在通信、医疗、工业制造和科研等众多领域具有广泛的应用。激光功率的稳定性是这些应用中的一个关键因素。通过负反馈系统调整激光器的谐振腔或直接调节驱动源可以实现光功率稳定。但是，传统的负反馈方法及装置在调节光功率的同时还会改变激光器的输出波长，在对激光功率和频率稳定性都有较高要求的情况并不能满足要求。因此迫切需要一种能够使激光功率以及频率均保持稳定输出的装置及方法。

发明内容

本发明为解决目前激光稳定方法在稳定功率的同时不能保证频率(波长)稳定的技术问题，提供一种激光腔外功率稳定装置及其方法。

本发明所述激光腔外功率稳定装置是采用以下技术方案实现的：一种激光腔外功率稳定装置，包括激光器系统，激光器系统的出射光路上顺次设有第一λ/2波片和偏振分光器，偏振分光器的透射光路上顺次设有第二λ/2波片和声光调制器；所述偏振分光器的反射光路上设有光电探测器，光电探测器的信号输出端连接有一个内设基于labview的数据处理及PID控制程序的计算机控制单元；计算机控制单元的信号输出端与声光调制器的驱动调制端口相连接。

本发明所述激光腔外功率稳定方法是采用以下技术方案实现的：一种激光腔外功率稳定方法，包括以下步骤：(a)激光器系统出射的激光经过第一λ/2波片后被偏振分光器分成两束偏振方向相互垂直的光，其中反射方向的激光被光电探测器转换成相应电信号后作为参考信号输入至计算机控制单元；透射方向的激光作为主输出激光经过第二λ/2波片后输入至声光调制器；计算机控制单元将参考信号与设定的输出光功率对应的电压值进行比较后产生误差信号，并将误差信号转换成有效电平控制信号输入至声光调制器的驱动调制端口，控制声光调制器输出的1级衍射光功率保持稳定。

本发明所述激光器系统是待稳定的激光系统，由第一λ/2波片以及偏振分光器获得两束偏振方向垂直的线偏振光，其中偏振分光器处的反射光作为光功率稳定的参考信号，透射光作为待稳定的主激光输出。第二λ/2波片用于调整线偏振光的方向，使得声光调制器获得较高的声光衍射效率，声光调制器对输入的激光进行调制，分成方向不同的“0”级和“1”级衍射光输出，“1”级衍射光的强度可以由声光调制器的驱动调制端口进行幅度控制。光电探测器探测经偏振分束器反射的激光，将光强信号转化为电信号，进入计算机控制单元，计算机控制单元完成数据采集，并利用内设的PID控制程序进行数据转换和误差信号生成，获得有效电平控制信号，输出到声光调制器的驱动调制端口，完成对主激光的功率输出控制。

所述的声光调制器驱动采用射频信号驱动声光调制晶体，PID控制程序产生的电压信号控制射频信号的幅度。

进一步的，所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁与设定的输出光功率对应的电压值进行比较，获得误差信号V₂，并通过变换公式得出输入至声光调制器驱动调制端口的有效电平控制信号V₃；所述变换公式为 $V_3=5.82706\×V_2^3+(-7.8548)\×V_2^2+4.52507\×V_2+2.4149.$

本发明所述的数据处理及PID程序模块是基于labview的控制程序编写。计算机控制单元在数据处理及PID程序程序的支持下将获得的误差信号转换成能够控制声光调制器驱动的电压值。变换公式中V₃是输入到声光调制器驱动的电压值，V₂是经过PID控制程序处理的误差信号。采用上述变换公式能够稳定的实现对声光调制器输出的1级光的功率控制。

进一步的，所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁变换为相应的功率值I并显示出来，所述变换公式为

$I=3.57535\×V_1^2+8.91149\×V_1+0.07.$

计算机控制单元将与光功率对应的输入电压值V₁转变成光功率值在labview前面板实时显示，变换公式中I是实际光功率，V₁是采集到光功率对应的电压值。采用上述公式可以得到非常精确的光功率值。

本领域技术人员在阅读本申请文件后，可以很容易的编写出相应软件。

所述的两个变换公式是经过大量的实验以及数据拟合才得到的，能够非常准确的控制声光调制器输出的激光功率以及光功率的准确显示。

本发明所述的声光调制器输出“0”级和“1”级激光的功率比与声光调制器驱动输入的射频信号幅度成线性关系，射频信号的幅度越大，一级光的比重就越大。“0”级光被引导进入垃圾池，“1”级用作实验使用(如图1所示)。

本发明所述的偏振分束器之前的第一二分之一波片能够使大部分激光透过偏振分束器作为光功率稳定后的输出，小部分反射光作为探测光用作监视光功率的变化。

本发明所述的第二二分之一波片可使声光调制器有较高的效率，同时产生偏振确定的激光输出。

本发明所述的基于labview的PID控制程序，将与PC连接的PCI-1742U数据输入输出卡采集到的电压信号与设定的标准值比较，通过PID控制模块处理得到误差信号，再与标准值叠加后输出到声光调制器驱动的调幅端形成光功率稳定负反馈信号。

本发明利用较高衍射效率的声光调制器增加光功率稳定的范围；使用基于labview的PID控制程序控制声光调制器调幅端电压值驱动声光调制器，达到稳定光功率的目的。图3为使用本发明所述功率稳定装置前后功率(电压值)的变化情况对比图，由图中可以看出，在使用本装置前，激光器的功率值变化幅度很大，而在使用本装置后，激光器的功率值保持持续稳定。

本发明的有益效果如下：本发明提供的激光腔外功率稳定装置以及方法能够实现确定线偏振的激光的高精度稳定控制，光路简单，易于调整；利用声光调制器的衍射效率特性实现光功率大波动范围内的稳定，且激光频率不会产生变化；计算机控制单元将采集到的信号输入到基于labview的数据采集与PID控制程序，实现了对激光功率实时控制和显示。

附图说明

图1本发明所述装置的结构示意图。

图2计算机控制单元处理信号的工作原理框图。

图3使用本发明所述装置前后激光功率的对比图。

1-激光器系统，2-第一λ/2波片，3-第二λ/2波片，4-偏振分光器，5-声光调制器，6-光电探测器，7-计算机，8-数据输入输出采集卡。

具体实施方式

一种激光腔外功率稳定装置，包括激光器系统1，激光器系统1的出射光路上顺次设有第一λ/2波片2和偏振分光器4，偏振分光器4的透射光路上顺次设有第二λ/2波片3和声光调制器5；所述偏振分光器4的反射光路上设有光电探测器6，光电探测器6)的信号输出端连接有一个内设基于labview的数据处理及PID控制程序的计算机控制单元；计算机控制单元的信号输出端与声光调制器5的驱动调制端口相连接。

所述计算机控制单元包括计算机7以及内置于计算机7的PCI-1742U数据输入输出卡8；所述光电探测器6的信号输出端与数据输入输出卡8的信号输入端相连接，数据输入输出卡8的信号输出端与声光调制器5的驱动调制端口相连接。

一种激光腔外功率稳定方法，包括以下步骤：(a)激光器系统1出射的激光经过第一λ/2波片2后被偏振分光器4分成两束偏振方向相互垂直的光，其中反射方向的激光被光电探测器6转换成相应电信号后作为参考信号输入至计算机控制单元；透射方向的激光作为主输出激光经过第二λ/2波片3后输入至声光调制器5；计算机控制单元将参考信号与设定的输出光功率对应的电压值进行比较后产生误差信号，并将误差信号转换成有效电平控制信号输入至声光调制器5的驱动调制端口，控制声光调制器5输出的1级衍射光功率保持稳定。

所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁与设定的输出光功率对应的电压值进行比较，获得误差信号V₂，并通过变换公式得出输入至声光调制器5驱动调制端口的有效电平控制信号V₃；所述变换公式为 $V_3=5.82706\×V_2^3+(-7.8548)\×V_2^2+4.52507\×V_2+2.4149.$

所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁变换为相应的功率值I并显示出来，所述变换公式为 $I=3.57535\×V_1^2+8.91149\×V_1+0.07.$

本发明所述的数据处理及PID程序模块是基于labview的控制程序编写。其工作原理框图如图2所示。首先，数据输入输出卡获得的参考信号进入输入模块a，经过数据变换模块b后将光功率显示在labview程序的前面板，同时与程序中给定的输出光功率设定值进行比较后产生误差信号，进入PID程序c经过比例、积分、微分控制过程，获得反馈信号，再经过数据转换模块d获得有效的声光调制器调制电平信号，送入输入输出模块e到声光调制器驱动的调幅端，驱动声光调制器来控制光功率变化。

本发明所述的数据转换模块b的作用是将与光功率对应的输入电压值转变成光功率值在labview前面板实时显示，数据变换的公式为 $I=3.57535\×V_1^2+8.91149\×V_1+0.07,$ 其中I是实际光功率，V₁是采集到光功率对应的电压值，将V₁程序中设定的待输出的设定光功率所对应的电压值进行比较获得误差信号。

数据转换模块d的作用是将PID程序获得的信号转换成转变成能够控制声光调制器驱动的电压值。数据变换的公式为 $V_3=5.82706\×V_2^3+(-7.8548)\×V_2^2+4.52507\×V_2+2.4149,$ 其中V₃是输入到声光调制器驱动的电压值，V₂是经过PID控制程序处理的误差信号。PCI-1742U数据输入输出卡高速精确的采集变化的光功率，实现了对激光功率实时控制和显示。

Claims (5)

1.一种激光腔外功率稳定装置，包括激光器系统(1)，其特征在于，激光器系统(1)的出射光路上顺次设有第一λ/2波片(2)和偏振分光器(4)，偏振分光器(4)的透射光路上顺次设有第二λ/2波片(3)和声光调制器(5)；所述偏振分光器(4)的反射光路上设有光电探测器(6)，光电探测器(6)的信号输出端连接有一个内设基于labview的数据处理及PID控制程序的计算机控制单元；计算机控制单元的信号输出端与声光调制器(5)的驱动调制端口相连接。

2.如权利要求1所述的激光腔外功率稳定装置，其特征在于，所述计算机控制单元包括计算机(7)和内置于计算机(7)的PCI-1742U数据输入输出卡(8)。

3.一种采用如权利要求1所述激光腔外功率稳定装置对激光功率进行稳定的方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)激光器系统(1)出射的激光经过第一λ/2波片(2)后被偏振分光器(4)分成两束偏振方向相互垂直的光，其中反射方向的激光被光电探测器(6)转换成相应电信号后作为参考信号输入至计算机控制单元；透射方向的激光作为主输出激光经过第二λ/2波片(3)后输入至声光调制器(5)；计算机控制单元将参考信号与设定的输出光功率对应的电压值进行比较后产生误差信号，并将误差信号转换成有效电平控制信号输入至声光调制器(5)的驱动调制端口，控制声光调制器(5)输出的1级衍射光功率保持稳定。

4.如权利要求3所述的激光腔外功率稳定方法，其特征在于，所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁与设定的输出光功率对应的电压值进行比较，获得误差信号V₂，并通过变换公式得出输入至声光调制器(5)驱动调制端口的有效电平控制信号V₃；所述变换公式为 $V_3=5.82706\×V_2^3+(-7.8548)\×V_2^2+4.52507\×V_2+2.4149.$

5.如权利要求3或4所述的激光腔外功率稳定方法，其特征在于，所述计算机控制单元将接收到的参考信号V₁变换为相应的功率值I并显示出来，所述变换公式为 $I=3.57535\×V_1^2+8.91149\×V_1+0.07.$