CN104502867A - 用于cpt磁力仪系统的vcsel激光管参数自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，首先在稳定原子气室温度的基础上，通过步进增加激光管的驱动电流并探测光强，确定扫描电流的范围；然后在初始工作温度基础上增加激光管温度步进，重复扫描三角波驱动电流和全范围搜寻吸收谱线；当首次读取到吸收谱线后，利用调节电流精确锁定在当前工作温度条件下的吸收谱线处电流值，并微调温度步进，调整吸收谱线到最佳位置；最后记录当前的激光管工作参数，完成整个VCSEL激光管参数自动调节过程。采用本发明的激光管参数自动调节方法，方便了VCSEL激光管的测试及工作参数的设置，提高了工作效率和整机性能。

Description

用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法

技术领域

本发明涉及VCSEL激光管的参数自动调节方法，属于磁场测量领域。

背景技术

磁场测量可用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。用于磁场测量的传统磁力仪包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪等。但是目前上述磁力仪在体积、功耗、测量范围和精度方面都存在令人不满意的地方，比如磁通门磁力仪的探头部分多由在高磁导率的磁芯上缠绕线圈制作而成，体积和重量较大、测量精度偏低；质子旋进磁力仪耗电量大，只能进行低带宽间断测量；光泵磁力仪虽然具有较高的灵敏度和响应频率，但其探头体积较大；超导量子干涉磁力仪必需的低温制冷系统使得其结构复杂，体积庞大。近几年，随着量子光学和原子操控技术的发展，基于相干粒子数捕获(Coherent Population Trapping，CPT)效应的原子干涉磁力仪通过检测激光与原子作用后的透射光谱来实现对磁场的测量，有望解决磁测量技术目前发展的难题。垂直腔表面发射半导体激光管(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是CPT磁力仪中的一个重要组成部分，而VCSEL的波长受工作温度和工作电流的影响，因此，选择适当的温度和电流以获得CPT磁力仪正常工作所需的激光波长是十分重要的。

虽然VCSEL激光管具有体积小、光束方向性好、动态调制频率高、响应比较迅速等特点，但是由于个体差异性的存在，每个VCSEL激光管所需设置的工作温度和工作电流并不相同，目前针对CPT磁力仪系统，在进行磁场测量之前一般采用手动调节VCSEL激光管参数的方式，这种方式效率低，需要多次调试参数尝试，并且最终得到的参数也不一定是最佳参数。因此，急需一种VCSEL激光管参数的自动调节方法。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，能够实现激光管参数的自动调节，提高了工作效率。

本发明的技术解决方案：用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，步骤如下：

(1)建立包括VCSEL激光管、光学镜片、原子气室、光电探测器、信号采集电路、核心处理器、VCSEL激光管驱动电路和原子气室温控电路的CPT磁力仪系统，其中VCSEL激光管、光学镜片、原子气室和光电探测器位于同一轴线上；

(2)核心处理器通过原子气室温控电路使原子气室稳定工作在预先设定的温度下；

(3)核心处理器通过VCSEL激光管驱动电路以初始值0、步进值ΔI为VCSEL激光管施加扫描电流，并在每次扫描电流作用下接收信号采集电路输出的光强信号，当在某个扫描电流Ix作用下，核心处理器接收到的光强信号大于上一个扫描电流作用下的光强信号时，取Ix为VCSEL激光管电流驱动值的下限Imin，得到VCSEL激光管扫描电流的范围为[Imin，Imax]，其中Imax为VCSEL激光管的最大限制电流值；

(4)核心处理器通过VCSEL激光管驱动电路在[Imin，Imax]范围内向VCSEL激光管施加三角波驱动电流，同时设置VCSEL激光管的温度为Tmin，Tmin为VCSEL激光管规定的初始工作温度；

(5)在三角波驱动电流和当前温度作用下，核心处理器接收信号采集电路输出的光强信号，并在该光强信号中寻找吸收谱线，如果发现吸收谱线，则将当前温度记为Tx，执行步骤(7)；否则，执行步骤(6)；

(6)为VCSEL激光管的温度增加ΔT，执行步骤(5)；

(7)核心处理器读取该吸收谱线对应的电流值I，并判断I是否为0.8Imax，如果不是，进入步骤(8)；否则，记录当前的激光管工作温度Tx、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管的参数自动调节；

(8)核心处理器对施加给VCSEL激光管的温度Tx进行微调，直到在某温度下，核心处理器在信号采集电路输出的光强信号中寻找到吸收谱线，并且该吸收谱线对应的电流I＝0.8Imax，记录当前的激光管工作温度、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管的参数自动调节。

所述步骤(3)中ΔI的范围为0.05mA≤ΔI≤0.1mA。

所述步骤(6)中ΔT的范围为0.05°≤ΔT≤0.1°。

本发明与现有方法相比的优点在于：

(1)传统CPT磁力仪系统在进行磁场测量之前都是通过手动方法首先调节VCSEL激光管参数，然后基于调好的参数进行磁场测量，本发明基于CPT磁力仪系统实现了VCSEL激光管参数自动调节，相比传统方法中的手动调节，极大方便了VCSEL激光管的测试及工作参数的设置，提高了工作效率；

(2)利用本发明的方法，通过软件实现对激光管的参数的自动调节，能够找到VCSEL激光管的最优工作温度和工作电流条件，使得CPT磁力仪系统在VCSEL激光管最优工作温度和工作电流条件下，整机性能更稳定。

附图说明

图1是本发明CPT磁力仪系统的结构示意图；

图2是本发明的VCSEL激光管电流控制电路框图；

图3是本发明的参数自动调节方法流程图。

具体实施方式

本发明所提出的VCSEL激光管参数自动调节方法所基于的CPT磁力仪系统结构示意图如图1所示，由VCSEL激光管101，光学镜片102、原子气室103，光电探测器104，信号采集电路105、核心处理器106、VCSEL激光管驱动电路107和原子气室温控电路108组成。其中VCSEL激光管101、光学镜片102、原子气室103和光电探测器104位于同一轴线上。

VCSEL激光管101采用具有内部集成半导体热电制冷调节器(TEC)和负温度系数热敏电阻(NTC)的激光管，因此方便控制激光管的工作温度。TEC是一个可以自由控制加热或者制冷的芯片，控制端由外接的电流来控制是加热还是制冷。NTC是一个负温度系数的热敏电阻，利用恒流源芯片REF200产生一个电流，流经热敏电阻从而在NTC输入端产生一个电压，此电压就是热敏电阻的电压，通过测量电压值就能得到此时热敏电阻的阻值。NTC阻值随温度变化公式为：

$R=\frac{10}{e^{[3892\·(\frac{1}{298K}-\frac{1}{T_{\mathrm{op}}})]}}$

由上式可以反推出此时激光管的工作温度。

利用VCSEL激光管101产生的激光束，通过光学镜片102调整强度后，与原子气室103内的原子相互作用。原子气室103内封装铷原子和缓冲气体，提供测量磁场的干涉介质。其后，由光电探测器104接收带有磁场信息的光信号，并把光信号转化为电信号，供信号采集电路105获取。信号采集电路105由模拟-数字转换电路构成，转换后的数字信号输入到核心处理器106，进行信息处理。

原子气室103需要在恒定温度下工作，这是因为当温度过低时，其中的铷原子为固态并且几乎都贴附在气室壁上，导致相互作用原子极少，使得光全部透过，从而不能满足产生CPT共振的条件。当温度过高时，由于光被原子气室收得过于强烈导致CPT共振信号很小，很难被观测到。核心处理器106通过原子气室温控电路108实现对原子气室103的温度控制。在本实施例中，原子气室温控电路108使用陶瓷加热片实现加热，其温度检测使用LM335温度检测芯片(具有10mV/K的检测精度)配合恒定200uA电流源LM334。由核心处理器106采样原子气室103温度，然后调整加热片加热电压，在55℃±1℃范围内默认为温度稳定状态，不改变加热电压，维持前一状态的加热电压；若低于该温度区间，则需要加大加热电压；若高于该温度区间，则需要减小加热电压。

VCSEL激光管驱动电路107包括温度控制和电流控制两部分。

在具体实施例中，温度控制通过采集VCSEL激光管的NTC端处的电压，推导出当前温度，并与核心处理器106中的设定温度进行比较，对偏差值采用PID控制后，通过数字-模拟转换器输出调节VCSEL激光管的TEC电流信号，再经过TECA0372运放完成电流放大，以驱动TEC实现温度控制。

在具体实施例中，VCSEL激光管的电流控制原理框图如图2所示。扫描电流电路采用反向比例放大电路，由16位数字-模拟转换器201输出幅值连续可调的电压，并通过后续的电压-电流转换电路转换为VCSEL激光管的驱动电流，该部分所控制的电流范围为0～2.2mA。电压-电流转换电路包括三部分，第一部分是电压求和放大电路203，将扫描电流按比例进行求和放大；第二部分是PI控制器电路204；第三部分是AD623仪表放大器205，将电流采样电阻206上的电压信号放大作为电流闭环反馈回路。

本发明所提出的VCSEL激光管参数自动调节方法就是在稳定原子气室103温度的基础上，在激光管温度和电流的最大可调范围内，分阶段进行电流扫描、温度步进和精确调整，以便得到最佳的工作参数。

本发明方法首先在稳定原子气室温度的基础上，通过步进增加激光管的驱动电流并探测光强，确定扫描电流的范围；然后在初始工作温度基础上增加激光管温度步进，重复扫描三角波驱动电流和全范围搜寻吸收-谱线；当首次读取到吸收-谱线后，利用调节电流精确锁定在当前工作温度条件下的吸收-谱线处电流值，并微调温度步进，调整吸收-谱线到最佳位置；最后记录当前的激光管工作参数，完成整个VCSEL激光管参数自动调节过程。采用本发明的激光管参数自动调节方法，方便了VCSEL激光管的测试及工作参数的设置，提高了工作效率和整机性能。

在所建立的CPT磁力仪系统的基础上，具体自动调节步骤如图3所示，包括步骤301到步骤311，在调节开始之前，根据所测试VCSEL激光管的技术指标，在核心处理器106中设置VCSEL激光管的测试参数范围，包括最大限制电流Imax和电流步进ΔI，初始工作温度Tmin、最高工作温度Tmax及温度步进ΔT；

步骤301：核心处理器106通过原子气室温控电路108为原子气室103加热，使原子气室103稳定工作在预先设定的温度下。

步骤302：核心处理器106通过VCSEL激光管驱动电路107以初始值0、步进值ΔI(ΔI取0.05mA)为VCSEL激光管101施加扫描电流。施加的时间间隔：当核心处理器106收到上一次扫描电流作用下信号采集电路105输出的光强信号后，核心处理器106为VCSEL激光管101施加增加ΔI后的电流，以此类推；

核心处理器106在每次扫描电流作用下接收信号采集电路105输出的光强信号(电压信号)，当在某个扫描电流Ix作用下，核心处理器106接收到的光强信号大于上一个扫描电流作用下的光强信号时，取Ix为VCSEL激光管101电流驱动值的下限Imin，得到VCSEL激光管101扫描电流的范围为[Imin，Imax]，其中Imax为VCSEL激光管101的最大限制电流值；

步骤303：核心处理器106通过VCSEL激光管驱动电路107初始化激光管工作温度为T，T的初始值为VCSEL激光管101规定的初始工作温度Tmin(Tmin一般为25度)，在保持温度不变的情况下，在[Imin，Imax]范围内向VCSEL激光管(101)施加三角波驱动电流。

步骤304：在三角波驱动电流和温度T作用下，核心处理器106接收信号采集电路105输出的光强信号，并在该光强信号中全范围扫描吸收谱线，如果发现吸收谱线，则令Tx＝T,执行步骤306；否则，执行步骤305。

步骤305：增加温度步进ΔT(ΔT取0.5^。)，执行步骤304。

步骤306：核心处理器106读取该吸收谱线对应的电流值I，并将VCSEL激光管101的温度锁定在Tx处，执行步骤307；

步骤307：核心处理器106判断I是否在最佳位置附近(一般可取为0.8Imax)，如果不是，进入步骤308；否则，记录当前的激光管工作温度Tx、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管101的参数自动调节；

步骤308：微调激光管温度，核心处理器106在每一个温度下接收信号采集电路105输出的光强信号，并在该光强信号中扫描吸收谱线，当找到吸收谱线时，判断该吸收谱线对应的电流I，如果I不等于0.8Imax，重复步骤308，直到I＝0.8Imax；如果I＝0.8Imax，记录当前的激光管工作温度、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管101的参数自动调节。

调节好的温度可以通过上传到计算机、液晶屏显示或记录到非易失存储器等，以备后续磁场测量使用。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立包括VCSEL激光管(101)、光学镜片(102)、原子气室(103)、光电探测器(104)、信号采集电路(105)、核心处理器(106)、VCSEL激光管驱动电路(107)和原子气室温控电路(108)的CPT磁力仪系统，其中VCSEL激光管(101)、光学镜片(102)、原子气室(103)和光电探测器(104)位于同一轴线上；

(2)核心处理器(106)通过原子气室温控电路(108)使原子气室(103)稳定工作在预先设定的温度下；

(3)核心处理器(106)通过VCSEL激光管驱动电路(107)以初始值0、步进值ΔI为VCSEL激光管(101)施加扫描电流，并在每次扫描电流作用下接收信号采集电路(105)输出的光强信号，当在某个扫描电流Ix作用下，核心处理器(106)接收到的光强信号大于上一个扫描电流作用下的光强信号时，取Ix为VCSEL激光管(101)电流驱动值的下限Imin，得到VCSEL激光管(101)扫描电流的范围为[Imin，Imax]，其中Imax为VCSEL激光管(101)的最大限制电流值；

(4)核心处理器(106)通过VCSEL激光管驱动电路(107)在[Imin，Imax]范围内向VCSEL激光管(101)施加三角波驱动电流，同时设置VCSEL激光管(101)的温度为Tmin，Tmin为VCSEL激光管(101)规定的初始工作温度；

(5)在三角波驱动电流和当前温度作用下，核心处理器(106)接收信号采集电路(105)输出的光强信号，并在该光强信号中寻找吸收谱线，如果发现吸收谱线，则将当前温度记为Tx，执行步骤(7)；否则，执行步骤(6)；

(6)为VCSEL激光管(101)的温度增加ΔT，执行步骤(5)；

(7)核心处理器(106)读取该吸收谱线对应的电流值I，并判断I是否为0.8Imax，如果不是，进入步骤(8)；否则，记录当前的激光管工作温度Tx、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管(101)的参数自动调节；

(8)核心处理器(106)对施加给VCSEL激光管(101)的温度Tx进行微调，直到在某温度下，核心处理器(106)在信号采集电路(105)输出的光强信号中寻找到吸收谱线，并且该吸收谱线对应的电流I＝0.8Imax，记录当前的激光管工作温度、吸收谱线对应的电流值I以及激光管驱动电流扫描范围[Imin，Imax]，完成VCSEL激光管(101)的参数自动调节。

2.根据权利要求1所述的用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，其特征在于：所述步骤(3)中ΔI的范围为0.05mA≤ΔI≤0.1mA。

3.根据权利要求1所述的用于CPT磁力仪系统的VCSEL激光管参数自动调节方法，其特征在于：所述步骤(6)中ΔT的范围为0.05°≤ΔT≤0.1°。