CN107328558A - 一种测定激光器整体结构特征频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定激光器整体结构特征频率的方法，需要激励发生子系统、激光器饱和吸收稳频子系统、数据采集子系统共同实现。首先激光器饱和吸收稳频子系统将激光器输出频率锁定在K原子某一超精细能级饱和吸收峰上；然后激励发生子系统中的函数发生器控制全频喇叭产生声波，对激光器外壳施加从低频到高频扫频激励；同时数据采集子系统在触发模式下用NI板卡和接线盒采集光电探测器的输出电压；分析数据时，在某些频率附近的电压值具有峰型线型，这些频率中心点就是激光器整体结构的特征频率。本方法能够在各种实际工作环境中精确测定激光器整体结构的特征频率，为超高灵敏原子惯性、磁场测量的实验结果误差分析提供支持。

Description

一种测定激光器整体结构特征频率的方法
技术领域
本发明涉及激光器检测的技术领域，具体涉及一种测定激光器整体结构特征频率的方法，适用于在误差分析时，需要知道激光器整体结构特征频率的相关光学实验。
背景技术
随着国民经济的发展，半导体激光器在工业生产和实验研究方面获得了极大的关注和应用，特别是近年来，激光器作为原子物理实验的关键设备，为我们通过光与原子的相互作用去认识原子的特性，研究量子传感技术，操纵原子提供了可靠的技术手段。半导体激光器工作时要求频率和功率保持稳定。
激光器工作时受到的噪声干扰是多个频率的信号的综合。如果噪声中包含激光器整体结构的共振频率，激光器输出频率的稳定性就会受到干扰。在实验结果的误差分析和故障排查中，处于共振频率的噪声产生的干扰是一个不可忽略的重要因素。
激光器本身是一个由众多精密部件组装而成的复杂的光机电集成系统，共振是其中的机械结构部分的特性。目前对于机械结构的特征频率的测定主要方法有：用软件建模，设置参数和条件，进行仿真分析；按照结构的连接方式构建数学模型，结合实验进行参数识别等方法。如果机械结构非常的精密、复杂，现有方法面临着模拟实际不同的工作环境时准确选取参数比较困难等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有的测定机械结构特征频率的方法应用在激光器上面临的不足，提出一种测定激光器整体结构特征频率的方法，能够在真实的工作环境下测定激光器的特征频率，操作简单，结果可靠。
本发明的技术解决方案是：一种测定激光器整体结构特征频率的方法，该方法利用的装置包括激励发生子系统、激光器饱和吸收稳频子系统、数据采集子系统，其中，激励发生子系统利用函数发生器产生控制信号，输入到全频喇叭上产生扫频声压，作用于激光器整体结构上；激光器饱和吸收稳频子系统通过光电探测器产生对应于稳定频率的电压信号，用作检测激光器整体结构特征频率的敏感源；数据采集子系统用NI板卡和接线盒高速采集光电探测器输出的模拟电压信号；
在激励发生子系统中，函数发生器产生频率从低到高线性变化的正弦扫频电压信号，控制全频喇叭，设置成手动触发模式，使激励信号频率与信号采集系统采集到的电压保持同步；
激光器饱和吸收稳频子系统采用K原子的超精细能级饱和吸收峰作为稳频点，对应稳定的电压信号，在此基础上由激光器对激励信号的频域响应来分析激光器整体结构的特征频率；
数据采集子系统中，函数发生器产生的触发脉冲控制NI接线盒同步采集光电探测器输出的电压信号；在某些频率附近的电压值具有峰型线型，这些频率中心点就是激光器整体结构的特征频率。
本发明的原理在于：一种测定激光器整体结构特征频率的方法，由激励产生子系统1、激光器饱和吸收稳频子系统2、数据采集子系统3共同实现，其中激励发生子系统1中函数发生器11输出幅值恒定、频率线性变化的电压扫描信号，控制全频喇叭13产生对应频率的声压，作用于激光器外壳，对激光器的整体结构进行激振。其中，激光器饱和吸收稳频子系统2包括激光器21、隔离器22、二分之一波片23、偏振分光棱镜(PBS)24、透射玻璃片27、K原子气室26、反射镜25、光电探测器28、示波器29；激光器21发出激光，经过隔离器22，二分之一波片23和PBS24配合使用可以调整PBS24的分光比，透射玻璃片27和反射镜25保持经过气室26的来回光路重叠，光电探测器28接收扫频时饱和吸收谱线对应的光信号并转换成电压信号，示波器29用于监视波形，辅助稳频。其中，数据采集子系统由NI板卡32和接线盒31构成，结合LabVIEW模拟电压采集程序33，高速采集光电探测器的电压信号，采集方式设置成触发采集模式，由函数发生器11给出的触发信号进行控制。扫频完成之后，停止采集数据，并截取需要的长度的信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了一种在实际的工作环境中测定激光器整体结构特征频率的方法，以前未有专利对此问题提出解决方案。
(2)本发明没有像现有技术从建模做起，而是利用饱和吸收稳频的稳定的电压信号做敏感源，在不同的频率的激励下，通过记录电压信号的变化来确定共振频率，方案简单，可靠性高。
综上，本发明的这种测定激光器整体结构共振频率的方法，给出了一种可以在实际的工作环境下精确测定激光器整体结构特征频率的方法，可以为实验结果的误差分析提供支持。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图中附图标记含义为：1为激励发生子系统，2为吸收稳频子系统，3为数据采集子系统，11为函数发生器，12为10欧姆的电阻，13为全频喇叭，21为激光器，22为隔离器，23为二分之一波片，24为偏振分光棱镜(PBS)，25为反射镜，26为K原子气室，27为透射玻璃片，28为光电探测器，29为示波器，31为接线盒，32为NI板卡，33为计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明公布了一种测定激光器整体结构特征频率的方法，利用的装置由激励发生子系统1、激光器饱和吸收稳频子系统2和数据采集子系统3共同实现，其中激励发生子系统产生激励电压信号控制全频喇叭13，全频喇叭13产生对应的升压激励激光器整体结构；激光器饱和吸收稳频子系统2产生对应于稳定频率的电压信号，用作测量的敏感源；激光器饱和吸收稳频子系统2包括激光器21、隔离器22、二分之一波片23、偏振分光棱镜(PBS)24、透射玻璃片27、K原子气室26、反射镜25、光电探测器28、示波器29；激光器21发出激光，经过隔离器22，二分之一波片23和PBS24配合使用可以调整PBS24的分光比，透射玻璃片27和反射镜25保持经过K原子气室26的来回光路重叠，光电探测器28接收扫频时饱和吸收谱线对应的光信号并转换成电压信号，示波器29用于监视波形，辅助稳频。数据采集子系统由NI板卡32和接线盒31构成，高速采集数据。具体操作步骤如下：
步骤一：打开激光器21控制系统，将激光器21的输出频率稳定在K原子的一个超精细能级的饱和吸收峰对应的频率上，检验稳频的效果(微调PZT的偏置，或敲击光学平台)，如果失锁或者频率不稳，应调节锁频模块直至频率稳定性良好。
步骤二：频率可靠锁定之后，搭建激励系统。如图1所示，将函数发生器11通过一个10欧姆的电阻12和一个4Ω3W的全频喇叭13连接在一起，全频喇叭13固定在正对激光器外壳的位置，函数发生器11设置成sweep扫频模式，扫频初始频率800Hz，结束频率3000Hz，扫描时间120秒，扫频方式为Linear，触发模式设置为Manual手动触发模式，信号边沿选择方波脉冲方波上升沿。波形设置为sin正弦波形，幅值设置为Vpp＝4V。点亮输出通道的Output按钮。按下trigger按钮，听小喇叭是否发出了频率不断升高的声音。如果有，系统设置完成；如果没有，检查接线和设置是否有误，直到函数发生器的输出正常。
步骤三：频率锁定可靠，激励发生子系统1调试通过后，搭建数据采集子系统并测试。如图1所示，光电探测器28的输出信号接到接线盒31的采集通道1，差分接入模式，函数发生器11后面的第4个BNC口接入到接线盒31的外部触发信号接收口，选择方波脉冲的上升沿开始触发，采集通道1的电压信号。然后设定函数发生器11输出2Hz～5Hz，5秒，100mVpp的正弦扫频信号作为检测信号，检测数据采集子系统3是否能够正常采集数据。如果测试通过，进行下一步，如果测试不通过，检查程序和接线是否有误，直至触发采集功能正确实现，数据能够完整记录。
步骤四：数据采集子系统3调试通过后，函数发生器的设置成步骤一的参数，计算机33程序中的采样率设置为8KS/s。按下trigger按钮，开始采集数据。扫频结束后，停止采集数据。截取对应扫频范围的数据长度，做出频率-电压曲线。从步骤四的开始进行重复，做若干组实验。在某些频率点附近，其电压值会有峰型特征，中心点便是激光器整体结构在激振方向上的特征频率。
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 (1)

1.一种测定激光器整体结构特征频率的方法，其特征在于：该方法利用的装置包括激励发生子系统(1)、激光器饱和吸收稳频子系统(2)、数据采集子系统(3)，其中，激励发生子系统(1)利用函数发生器(11)产生控制信号，输入到全频喇叭(13)上产生扫频声压，作用于激光器整体结构上；激光器饱和吸收稳频子系统(2)通过光电探测器(28)产生对应于稳定频率的电压信号，用作检测激光器整体结构特征频率的敏感源；数据采集子系统(3)用NI板卡(32)和接线盒(31)高速采集光电探测器输出的模拟电压信号；
在激励发生子系统(1)中，函数发生器(11)产生频率从低到高线性变化的正弦扫频电压信号，控制全频喇叭(13)，设置成手动触发模式，使激励信号频率与信号采集系统采集到的电压保持同步；
激光器饱和吸收稳频子系统(2)采用K原子的超精细能级饱和吸收峰作为稳频点，对应稳定的电压信号，在此基础上由激光器(21)对激励信号的频域响应来分析激光器整体结构的特征频率；
数据采集子系统(3)中，函数发生器(11)产生的触发脉冲控制NI接线盒(31)同步采集光电探测器(28)输出的电压信号；在某些频率附近的电压值具有峰型线型，这些频率中心点就是激光器整体结构的特征频率。
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