CN1805228A - 原子分子稳频的脉冲染料激光器及其稳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子分子稳频的脉冲染料激光器，由脉冲泵浦激光器(1)、脉冲染料激光器(2)、分束镜(3)、原子或分子泡(4)、光电探测器(5)、延时器(6)、采样保持器(7)、模数转换器(8)、微处理器(9)、脉冲延时器(10)、步进电机(11)组成，涉及脉冲染料激光稳频，采用原子分子频率基准源进行鉴频和稳频，本发明还公开了该激光器的稳频方法，采用微处理器(9)对鉴频信号进行数据采集和处理，通过步进电机(11)经精密减速箱带动光栅偏转，调节激光频率，实现脉冲染料激光器(2)的原子分子稳频，且能对激光频率自动搜索、峰值锁定或频偏锁定，调节速度快，频率长期稳定无漂移，频率稳定精度高。

Description

原子分子稳频的脉冲染料激光器及其稳频方法

技术领域：

本发明涉及激光稳频，尤其涉及脉冲染料激光器的原子或分子跃迁频率基准的激光稳频。

背景技术：

染料激光器的原理是：外来的泵浦激光入射到染料激光器的染料池中，将染料分子从基态抽运到激发态，激发态原子由于受激辐射而产生荧光，再通过染料池两边的光栅和半反镜组成的光反馈谐振腔进行频率选择得到可调谐频率的输出激光。通过更换染料激光器的不同染料可以获得频率覆盖300～1100nm范围的激光。

在共振荧光激光雷达和差分吸收激光雷达中，都要求使用可调谐脉冲激光器，脉冲染料激光器就是其中最常用的一种。在这类激光雷达中，不尽要求脉冲染料激光器的波长能准确地调整到被探测原子分子的吸收波长上，而且要求它一经调定就长期稳定不变。后一要求通常很难达到。目前，在工程应用上，一般是采用在激光雷达工作过程中定期地对其输出波长进行人为的校正调整。校正调整越频繁，激光雷达探测精度越高。这种办法不尽非常麻烦，而且在两次校正调定之间，激光雷达的探测精度也会受到波长漂移的影响。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种原子分子稳频的脉冲染料激光器，该激光器采用一种原子分子频率基准源对输出脉冲染料激光进行鉴频和稳频。本发明的另一目的是：提供该激光器的稳频方法，该方法通过微处理器对鉴频信号进行数据采集、分析和处理，获得激光频率偏离的误差信号，通过反馈控制光栅转角，达到将脉冲染料激光器的输出频率长期稳定在原子分子频率基准的目的。而且稳频电路采用智能控制，而不采用通常的差分或锁相模拟电路控制，提高了稳频激光器的抗干扰能力和自动化程度，有利于提高它在共振荧光和差分吸收激光雷达中应用的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

(1)结构组成

原子分子稳频脉冲染料激光器由脉冲泵浦激光器、脉冲染料激光器、分束镜、原子或分子泡、光电探测器、延时器、采样保持器、模数转换器、微处理器、脉冲延时器、步进电机组成。

脉冲泵浦激光器的激光输出口正对脉冲染料激光器的激光输入口，在脉冲染料激光器输出光路中倾斜放置分束镜，在分束镜的反射光路中依次放置原子或分子泡和光电探测器，光电探测器的输出的鉴频信号连接到延时器，延时器的输出连接到采样保持器，采样保持器的输出连接到模数转换器，模数转换器的输出连接微处理器，微处理器的输出连接到步进电机，步进电机通过脉冲染料激光器的精密减速箱带动光栅偏转。脉冲泵浦激光器输出的同步脉冲连接到脉冲延时器，以保证数据采集和处理的同步性。

(2)稳频方法

分束镜的反射光照射到作为频率参考基准的原子或分子泡上，透过原子或分子泡的光强度随频率而变化，由光电探测器得到鉴频电信号，将该电信号送入延时器，经过放大和延时后送入采样保持器，将鉴频信号的极值信号变成了直流电压信号，然后送入模数转换器进行模数转换，将模拟鉴频信号转换成数字信号送入微处理器，微处理器对该信号进行处理，得到激光频率偏离的误差信号，以及步进电机的转动方向和步数，由此调节脉冲激光器中光栅的角度，从而达到改变脉冲染料激光器输出频率的目的。

微处理器对数字鉴频信号的处理方法的主程序包含：频率搜索模块、频率优化模块、频率锁定模块。其中频率搜索模块和频率优化模块中包含：频率调节子程序和数据采集子程序。

本程序先对系统初始化，然后进入“频率搜索”模块，找到与原子或分子共振的频率后，进入“频率优化”模块，将激光频率调节到原子或分子共振的鉴频曲线峰值，然后进入“频率锁定”模块，对激光频率进行监视，如果激光频率偏离设定范围，就进入“频率优化”模块。

频率搜索模块：通过控制步进电机转动带动光栅偏转，使激光频率扫描输出，不断读取模数转换器送来的反映鉴频信号的数据，当检测到信号强度达到预设值，就认为激光频率已在鉴频曲线范围内。

频率优化模块：通过控制步进电机转动，带动光栅偏转，使激光频率扫描输出，不断读取数据采集子程序送来的反映鉴频信号的数据，寻找鉴频信号的数据峰值所对应的步进电机位置，然后控制步进电机转动到此位置，使输出的激光频率对应于鉴频信号的最大值。

频率锁定模块：将激光频率锁定在鉴频曲线的峰值，或者根据要求将激光频率锁定在偏离峰值一固定值的频率上。实时监视输出频率，如果频率漂移超过预设值，就调用频率优化模块，进行优化调整。

数据采集子程序：由于脉冲染料激光器输出的脉冲功率存在抖动，为了减小单次数据造成的偶然误差，采取多次数据采集的平均值作为一个有效数据。

本发明的优点和效果：

利用原子分子跃迁谱线作为基准，采用微处理器进行信号处理和反馈控制，可自动将脉冲染料激光器的输出频率稳定在原子分子的跃迁频率上，而且能实现频偏锁定，智能性强，对激光频率的调节及时而又迅速，使得输出的激光频率长期稳、无漂移，稳频精度高、锁频时间长、抗环境干扰能力强，能很好的满足共振荧光雷达和差分吸收雷达的使用要求。

附图说明：

图1为原子分子稳频脉冲染料激光器结构示意图。

其中：1脉冲泵浦激光器、2脉冲染料激光器、3分束镜、4原子或分子泡、5光电探测器、6延时器、7采样保持器、8模数转换器、9微处理器、10脉冲延时器、11步进电机。

图2为信号时序图。

其中，202同步脉冲、204鉴频信号、205第一同步脉冲、206第二同步脉冲。

图3为原子或分子鉴频曲线图。

图4为主程序流程图。

图5为频率搜索模块流程图。

图6为频率优化模块流程图。

图7为频率锁定模块流程图。

图8为数据采集子程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

由图1可知，原子分子稳频脉冲染料激光器由脉冲泵浦激光器1、脉冲染料激光器2、分束镜3、原子或分子泡4、光电探测器5、延时器6、采样保持器7、模数转换器8、微处理器9、脉冲延时器10、步进电机11组成。

脉冲泵浦激光器1的激光输出口正对脉冲染料激光器2的激光输入口，在脉冲染料激光器2输出光路中倾斜放置分束镜3，在分束镜3的反射光路中依次放置原子或分子泡4和光电探测器5，光电探测器5的输出的鉴频信号204连接到延时器6，延时器6的输出连接到采样保持器7，采样保持器7的输出连接到模数转换器8，模数转换器8的输出连接微处理器9，微处理器9的输出连接到步进电机11，步进电机11通过脉冲染料激光器2的精密减速箱带动光栅偏转。脉冲泵浦激光器1输出的同步脉冲202连接到脉冲延时器10，脉冲延时器10输出两个同步脉冲：第一同步脉冲205连接到采样保持器7，第二同步脉冲206连接到模数转换器8。其中第一同步脉冲205的下降沿与鉴频信号204的峰值点对应，第二同步脉冲206上升沿要处于第一同步脉冲205下降沿之后。

原子分子稳频脉冲染料激光器的稳频方法：

(1)信号处理过程：

分束镜3的反射光照射到作为频率参考基准的原子或分子泡4上，透过原子或分子泡4的光强度随频率而变化，由光电探测器5得到鉴频电信号，将该电信号送入延时器6，经过放大和延时后送入采样保持器7，将鉴频信号的极值信号变成了直流电压信号，然后送入模数转换器8进行模数转换，将模拟鉴频信号转换成数字信号送入微处理器9，微处理器9对该信号进行处理，得到激光频率偏离的误差信号，以及步进电机11的转动方向和步数，由此调节脉冲激光器2中光栅的角度，从而达到改变脉冲染料激光器输出频率的目的。

(2)参数选取：

判别阈值W是指：激光频率与原子或分子泡4发生共振时能区别于噪声的鉴频信号强度。ΔP是鉴频曲线极大值的允许误差范围，ΔP越小稳频精度越高。

步进电动机11的最大步数M是指：步进电机11前进或后退M步时所产生的光栅偏转角大于因环境因素可能导致的光栅最大偏转角度，以保证步进电机前进或后退M步内，能找到原子或分子泡共振频率。

步进电动机11的优化步数N是指：在步进电机11前进或后退N步范围内，存在使激光频率与原子或分子泡发生共振的峰值点。

(3)软件

微处理器对数字鉴频信号的处理方法的主程序包含：频率搜索模块、频率优化模块、频率锁定模块。其中频率搜索模块和频率优化模块中包含：频率调节子程序和数据采集子程序。

本程序先进入“频率搜索”模块，对系统初始化，找到与原子或分子共振的频率后，进入“频率优化”模块，将激光频率调节到原子或分子共振的鉴频曲线峰值，然后进入“频率锁定”模块，将激光频率锁定在鉴频曲线的峰值，或者根据要求将激光频率锁定在偏离峰值一固定值的频率上，实时监视输出频率，如果激光频率偏离设定范围，就重新进入“频率优化”模块。

频率搜索模块：

(A)频率搜索模块的作用是：一方面通过控制步进电机11转动带动光栅偏转，使激光频率扫描输出，另一方面，不断读取模数转换器8送来的反映鉴频信号的数据，当信号强度达到预设值，就判断为找到了与原子或分子共振的激光频率。

(B)频率搜索模块的步骤：

a1、初始化，读取扫描步进电机11的最大扫描步数M和鉴频信号的判别阈值W，步进电机11初始位置后退M步；

b1、调用“数据采集”子程序；

c1、如果鉴频信号数据小于判别阈值W，步进电机11前进一步；

d1、若步进电机11的步数大于或等于2M，步进电机11返回到初始位置，报警并结束；

e1、跳转到步骤b1；

f1、如果鉴频信号数据大于或等于判别阈值W，返回；

频率优化模块：

(A)频率优化模块的作用是：通过控制步进电机11转动，带动光栅偏转，使激光频率在原子或分子共振曲线附近扫描输出，不断读取并保存数据采集子程序送来的反映鉴频信号的数据，寻找鉴频信号的数据极值所对应的步进电机位置，然后控制步进电机转动到此位置，使输出的激光频率对应于鉴频信号的最大值。

(B)频率优化模块的步骤：

a2、读取步进电机的优化步数N，进电机后退N步；

b2、调用“数据采集”子程序，保存鉴频数据和步进电机11步数，步进电机11前进一步；

c2、如果步进电机11的步数小于2N，跳转到步骤b2；

d2、步进电机11的步数大于或等于2N，取2N次采样结果的最大鉴频数据及其对应的步进电机11步数；

e2、控制步进电机11转动到鉴频数据最大的位置；

f2、返回。

频率锁定模块：

(A)频率锁定模块的作用是：将激光频率锁定在鉴频曲线的峰值，或者根据要求将激光频率锁定在偏离峰值一固定值的频率上。实时监视输出频率，如果频率漂移超过预设值，就调用频率优化模块，进行优化调整。

(B)频率锁定模块的步骤是：

a3、初始化，

b3、调用“数据采集”子程序，得到鉴频数据P_max；

c3、延时T1，

d3、如果不要求频偏锁定，跳转到步骤f3，如果要求频偏锁定，步进电机转动到所需频偏处，

e3、延时T2，步进电机回到峰值频率处，

f3、调用“数据采集”子程序，得到鉴频数据P_i；

g3、如果|P_max-P_i|≤ΔP，跳转到步骤c3，否则进入频率优化模块，

h3、跳转到b3。

数据采集子程序：

(A)数据采集子程序的作用是：读取模数转换的数据，并消除偶然误差。由于脉冲染料激光器输出的脉冲功率存在抖动，为了减小单次数据造成的偶然误差，首先循环读取多个数据，每次读取数据的时刻必须等待模数转换完毕后进行，然后去掉一个最大值和一个最小值，将剩余的有效数据取平均，作为一次数据采集的结果。

(B)数据采集子程序步骤：

a4、等到模数转换完成，读取一次鉴频数据P；

b4、如果读取次数小于Q，跳转到步骤a4；

c4、如果读取次数大于或等于Q，去掉最大值和最小值，取剩余的鉴频数据P的平均值，保存并返回。

其中Q为5～20的任意一个数。

Claims (2)

1、原子分子稳频脉冲染料激光器由脉冲泵浦激光器(1)、脉冲染料激光器(2)、分束镜(3)、原子或分子泡(4)、光电探测器(5)、延时器(6)、采样保持器(7)、模数转换器(8)、微处理器(9)、脉冲延时器(10)、步进电机(11)组成；其特征在于，脉冲泵浦激光器(1)的激光输出口正对脉冲染料激光器(2)的激光输入口，在脉冲染料激光器(2)输出光路中倾斜放置分束镜(3)，在分束镜(3)的反射光路中依次放置原子或分子泡(4)和光电探测器(5)，光电探测器(5)输出的鉴频信号连接到延时器(6)，延时器(6)的输出连接到采样保持器(7)，采样保持器(7)的输出连接到模数转换器(8)，模数转换器(8)的输出连接微处理器(9)，微处理器(9)的输出控制步进电机(11)的转动，步进电机(11)与脉冲染料激光器(2)的精密减速箱连接，带动光栅偏转，调节激光频率，进行稳频；脉冲泵浦激光器(1)输出的同步脉冲连接到脉冲延时器(10)，脉冲延时器(10)输出的第一同步脉冲连接到采样保持器(7)，第二同步脉冲连接到模数转换器(8)。

2、实现权利要求1所述的原子分子稳频脉冲染料激光器的稳频方法，其特征在于，该方法的步骤为：

a、频率搜索步骤，

b、频率优化步骤，

c、频率锁定步骤；

其中：频率搜索步骤a为：

a1、初始化，读取扫描步进电机(11)的最大扫描步数M和鉴频信号的判别阈值W，步进电机(11)初始位置后退M步，

b1、调用“数据采集”子程序，

c1、如果鉴频信号数据小于判别阈值W，步进电机(11)前进一步，

d1、若步进电机(11)的步数大于或等于2M，步进电机(11)返回到初始位置，报警并结束，

e1、跳转到步骤b1，

f1、如果鉴频信号数据大于或等于判别阈值W，返回；

其中：频率优化步骤b为：

a2、读取步进电机(11)的优化步数N，进电机后退N步，

b2、调用“数据采集”子程序，保存鉴频数据和步进电机(11)步数，步进电机(11)前进一步，

c2、如果步进电机(11)的步数小于2N，跳转到步骤b2，

d2、步进电机(11)的步数大于或等于2N，取2N次采样结果的最大鉴频数据及其对应的步进电机(11)步数，

e2、控制步进电机(11)转动到鉴频数据最大的位置，

f2、返回；

其中：频率锁定步骤c为：

a3、初始化，

b3、调用“数据采集”子程序，得到鉴频数据P_max；

c3、延时T1，

d3、如果不要求频偏锁定，跳转到步骤f3，如果要求频偏锁定，步进电机转动到所需频偏处，

e3、延时T2，步进电机回到峰值频率处，

f3、调用“数据采集”子程序，得到鉴频数据P_i；

g3、如果|P_max-P_i|≤ΔP，跳转到步骤c3，否则进入频率优化模块，

h3、跳转到b3。

步骤a、步骤b和步骤c所述的数据采集子程序的步骤为：

a4、等到模数转换完成，读取一次鉴频数据P，

b4、如果读取次数小于Q，跳转到步骤a4，

c4、如果读取次数大于或等于Q，去掉最大值和最小值，取剩余的鉴频数据P的平均值，保存并返回；

其中Q为5～20的任意一个数。

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