CN109473868A - 一种用于cpt原子钟的vcsel温度点扫描方法及系统 - Google Patents

一种用于cpt原子钟的vcsel温度点扫描方法及系统 Download PDF

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陈星�
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Abstract

本发明公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统，包括采集VCSEL实时温度的温度采集单元、调节VCSEL的温度控制单元、采集VCSEL波长的光谱仪以及主控单元；所述主控单元用于通过所述温度控制单元调节所述VCSEL的温度，通过所述温度采集单元采集VCSEL的实时温度，并通过所述光谱仪采集所述VCSEL的波长，确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度，本发明还公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法，本发明可实现VCSEL温度点的快速、方便扫描。

Description

一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法及系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域。更具体地，涉及一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法及系统。
背景技术
CPT原子钟是基于原子的相干布居囚禁原理而设计的一种新型原子钟，量子部分不需要微波谐振腔，是目前唯一实现芯片化的原子钟。由于其具有体积小、功耗低、启动快等优点，在高精度导航、制导和通信等方面具有非常广阔的应用前景。
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)是CPT原子钟的重要组成部分，CPT原子钟实现原子能级鉴频需要先锁定VCSEL的波长。在工作温度点一定的情况下，VCSEL的波长和工作电流大小成正比；在工作电流一定的情况下，VCSEL波长与工作温度点成正比。因为器件自身硬件和原理限制，工作电流变化的范围有限，所以锁定VCSEL波长往往通过调节工作温度点来实现。传统VCSEL工作温度点扫描方法为：设定与波长成正比关系的温度点，通过主控芯片实现控温，压控VCSEL电流实现波长扫频，人工观测扫频结果。因为VCSEL自身硬件限制，扫频宽度有限，需要多次修改控温点，即主控芯片需要多次编译、下载程序，造成VCSEL温度点的扫描耗时长，而且需人工多次下载程序和观察数据。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法，实现VCSEL温度点的快速、方便扫描。本发明的另一个目的在于提供一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统，包括采集VCSEL实时温度的温度采集单元、调节VCSEL的温度控制单元、采集VCSEL波长的光谱仪以及主控单元；
所述主控单元用于通过所述温度控制单元调节所述VCSEL的温度，通过所述温度采集单元采集VCSEL的实时温度，并通过所述光谱仪采集所述VCSEL的波长，确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。
优选地，所述主控单元具体用于控制所述温度控制单元向所述VCSEL输出多个调节信号，以使所述VCSEL的温度从第一预设温度到第二预设温度递进上升。
优选地，所述预定波长为795nm。
优选地，所述温度采集单元包括第一控制单元和模数转换器；
所述第一控制单元用于控制所述模数转换器采集所述VCSEL的实时温度，所述模数转换器用于将所述实时温度传输至所述主控单元。
优选地，所述温度控制单元包括第二控制单元和数模转换器；
所述第二控制单元用于接收所述主控单元的温度控制信号，并根据所述温度控制信号得到调节电压并将所述数字调节电压传输至所述数模转换器；
所述数模转换器用于将所述数字调节电压转换为模拟调节电压，并将所述模拟调节电压传输至VCSEL以调节所述VCSEL的温度。
本发明还公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法，包括：
调节所述VCSEL的温度；
采集VCSEL实时温度；
采集VCSEL波长；
确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。
优选地，所述调节所述VCSEL的温度具体包括：
向所述VCSEL输出多个调节信号，使所述VCSEL的温度从第一预设温度到第二预设温度递进上升。
优选地，所述预定波长为795nm。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法。
本发明还公开了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，
该程序被处理器执行时实现如上所述方法。
本发明的有益效果如下：
本发明通过主控单元控制温度控制单元不断调节VCSEL的温度，并通过温度采集单元采集VCSEL的实时温度以及通过光谱仪采集VCSEL的波长，通过得到的VCSEL的实时温度与对应的波长，可通过预设的VCSEL波长确定需要调节控制的VCSEL温控温度，从而可解决VCSEL波长扫描耗时长，需人工向主控芯片多次编译、下载新的控制程序的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统一个具体实施例的结构图。
图2示出本发明一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统一个具体实施例的应用流程图。
图3示出本发明一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法一个具体实施例的流程图。
图4示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统。如图1所示，本实施例中，VCSEL温度点扫描系统包括采集VCSEL实时温度的温度采集单元、调节VCSEL的温度控制单元、采集VCSEL波长的光谱仪以及主控单元。
所述主控单元用于通过所述温度控制单元调节所述VCSEL的温度，通过所述温度采集单元采集VCSEL的实时温度，并通过所述光谱仪采集所述VCSEL的波长，确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。主控单元控制温度控制单元不断调节VCSEL的温度，并通过温度采集单元采集VCSEL的实时温度以及通过光谱仪采集VCSEL的波长，通过得到的VCSEL的实时温度与对应的波长，可通过预设的VCSEL波长确定需要调节控制的VCSEL温控温度，从而可解决VCSEL波长扫描耗时长，需人工向主控芯片多次编译、下载新的控制程序的问题。
在优选的实施方式中，所述主控单元具体用于控制所述温度控制单元向所述VCSEL输出多个调节信号，以使所述VCSEL的温度从第一预设温度到第二预设温度递进上升。通过向温度控制单元发出多个调节信号可控制VCSEL的温度连续变化，简化温控温度的检测过程。例如，第一预设温度可为30℃，第二预设温度可为80℃，温度递进上升的时间间隔和递进量可以恒定，例如时间间隔可为5秒，递进量可为0.2℃。
在优选的实施方式中，所述预定波长为795nm。VCSEL在常温下输出波长在795±2nm范围内，可选择795nm为预定波长，以保证VCSEL的正常工作状态。
在优选的实施方式中，所述温度采集单元包括第一FPGA芯片和模数转换器ADC。所述第一控制单元用于控制所述模数转换器ADC采集所述VCSEL的实时温度，所述模数转换器ADC用于将所述实时温度传输至所述主控单元。
在优选的实施方式中，所述温度控制单元包括第二FPGA芯片和数模转换器DAC。所述第二控制单元用于接收所述主控单元的温度控制信号，并根据所述温度控制信号得到调节电压并将所述数字调节电压传输至所述数模转换器DAC；所述数模转换器DAC用于将所述数字调节电压转换为模拟调节电压，并将所述模拟调节电压传输至VCSEL以调节所述VCSEL的温度。
VCSEL内置TEC，可根据输入电压制热或制冷，实现温控。因此，主控单元可向数模转换器DAC输出温度控制信号，数模转换器DAC可将数字的温度控制信号转换为模拟的温度控制信号，通过该模拟量可使内置的TEC控制VCSEL的温度。
在优选的实施方式中，所述温度采集单元和所述温度控制单元可设置在电路板上。其中，第一控制单元和第二控制单元集成在一个主控芯片中实现，该主控芯片可采用设置有PID温控程序的FPGA芯片或单片机。该电路板上进一步可设置VCSEL热插拔插座，用于固定VCSEL。
在优选的实施方式中，所述主控单元为计算机，所述电路板上可设置串口接口，电路板通过串口接收可与计算机实现信号连接，计算机通过串口可向电路板发送控制信号并接收电路板传输的数据。
在优选的实施方式中，光谱仪的检测探头正对VCSEL，检测探头与VCSEL的距离d(cm)可根据VCSEL和光谱仪的参数确定。
如图2所示，本实施例的VCSEL温度点扫描系统在具体应用时，主控单元将PID温控程序形成温度控制信号传输至单片机或FPGA中，单片机或FPGA下载好程序后，VCSEL插在电路板对应插座位置上，光谱仪开启，然后该电路板电源开启，开始VCSEL温度点扫描，通过光谱仪得到的VCSEL波长和实时温度会记录和显示在计算机上。
当VCSEL温度从30℃逐渐递增到80℃后，人工观察和对比VCSEL波长数据和VCSEL温度数据，找出795nm时VCSEL的温度点，得出用于CPT原子钟的VCSEL的温控温度。
最终根据上述温控温度，将该VCSEL安装到CPT原子钟上，选择加热或者制冷方式对VCSEL温度进行控制，确保VCSEL工作在该最优温度点上，则VCSEL波长为实验最佳值，能实现CPT原子钟的原子吸收谱锁定。
根据本发明的另一方面，本实施例还公开了一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法。如图3所示，本实施例中，所述VCSEL温度点扫描方法包括：
S100：调节所述VCSEL的温度；
S200：采集VCSEL实时温度；
S300：采集VCSEL波长；
S400：确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。
由于该方法解决问题的原理与以上系统类似，因此本方法的实施可以参见系统的实施，在此不再赘述。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由客户端执行的方法，或者，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由服务器执行的方法。
下面参考图4，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。
如图4所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口606。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描系统，其特征在于，包括采集VCSEL实时温度的温度采集单元、调节VCSEL的温度控制单元、采集VCSEL波长的光谱仪以及主控单元；
所述主控单元用于通过所述温度控制单元调节所述VCSEL的温度，通过所述温度采集单元采集VCSEL的实时温度，并通过所述光谱仪采集所述VCSEL的波长，确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。
2.根据权利要求1所述的VCSEL温度点扫描系统，其特征在于，所述主控单元具体用于控制所述温度控制单元向所述VCSEL输出多个调节信号，以使所述VCSEL的温度从第一预设温度到第二预设温度递进上升。
3.根据权利要求1所述的VCSEL温度点扫描系统，其特征在于，所述预定波长为795nm。
4.根据权利要求1所述的VCSEL温度点扫描系统，其特征在于，所述温度采集单元包括第一控制单元和模数转换器；
所述第一控制单元用于控制所述模数转换器采集所述VCSEL的实时温度，所述模数转换器用于将所述实时温度传输至所述主控单元。
5.根据权利要求1所述的VCSEL温度点扫描系统，其特征在于，所述温度控制单元包括第二控制单元和数模转换器；
所述第二控制单元用于接收所述主控单元的温度控制信号，并根据所述温度控制信号得到调节电压并将所述数字调节电压传输至所述数模转换器；
所述数模转换器用于将所述数字调节电压转换为模拟调节电压，并将所述模拟调节电压传输至VCSEL以调节所述VCSEL的温度。
6.一种用于CPT原子钟的VCSEL温度点扫描方法，其特征在于，包括：
调节所述VCSEL的温度；
采集VCSEL实时温度；
采集VCSEL波长；
确定预定波长下VCSEL的实时温度为所述VCSEL的温控温度。
7.根据权利要求6所述的VCSEL温度点扫描方法，其特征在于，所述调节所述VCSEL的温度具体包括：
向所述VCSEL输出多个调节信号，使所述VCSEL的温度从第一预设温度到第二预设温度递进上升。
8.根据权利要求6所述的VCSEL温度点扫描方法，其特征在于，所述预定波长为795nm。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6-8任一项所述方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，
该程序被处理器执行时实现如权利要求6-8任一项所述方法。
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