專利名稱：計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器的穩(wěn)頻，尤其涉及一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置及其方法。
背景技術(shù)：
外腔半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻技術(shù)在量子光學(xué)、冷原子物理等實驗和工程領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，是實現(xiàn)精密測量的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通激光二極管的長期穩(wěn)頻已經(jīng)實現(xiàn)，但是外腔半導(dǎo)體激光器由于存在外部光學(xué)反饋，穩(wěn)頻需要通過溫度、電流和光柵控制實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。對于外腔半導(dǎo)體激光器中所用的激光管是無消反射膜情況，長期鎖頻更是困難，因為跳模的干擾是一個主要障礙。目前抑制跳模實現(xiàn)長期穩(wěn)頻的常用方法是，使用出射端面鍍了一層消反射膜的激光二極管、在激光器控制電路增加電流前饋功能并與光柵按比例聯(lián)合調(diào)節(jié)，這樣能擴展激光器無跳模連續(xù)調(diào)諧范圍，在一定程度上緩解跳模的干擾、延緩跳模出現(xiàn)的時機，但并不能從根本上消除跳模，這就使得激光器很難在數(shù)天時間以上保持穩(wěn)定。還有一種具備在發(fā)生跳模頻率失鎖后自動恢復(fù)穩(wěn)定的功能的激光器控制方法及其裝置，它并不能抑制跳模，只是因為有自動恢復(fù)功能而實現(xiàn)了長期穩(wěn)頻，但不時發(fā)生的跳模失鎖仍然會干擾應(yīng)用實驗的正常進行，而且此方法及其裝置要求激光光譜形態(tài)非常簡單，當(dāng)光譜形態(tài)比較復(fù)雜時，自動恢復(fù)的準(zhǔn)確度就大大降低了。綜上，目前國內(nèi)沒有一種抑制跳模而實現(xiàn)長期穩(wěn)頻的激光器控制方法及其裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有的激光器穩(wěn)頻方法及其裝置不能長期抑制跳模從而不能長期穩(wěn)頻的困難，提供一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置及其方法。計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置包括外腔半導(dǎo)體激光器、溫度控制器、電流驅(qū)動器、光柵驅(qū)動器、部分反射鏡、鑒頻光路和電路模塊、第一計算機、第二計算機、第一數(shù)據(jù)采集卡、第二數(shù)據(jù)采集卡和激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)；外腔半導(dǎo)體激光器輸入端口分別與溫度控制器輸出端口、電流驅(qū)動器輸出端口、光柵驅(qū)動器輸出端口相連，外腔半導(dǎo)體激光器輸出激光束由部分反射鏡的激光束直射部分提供給激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)，部分反射鏡的激光束反射部分輸入到鑒頻光路和電路模塊，鑒頻光路和電路模塊的輸出端口與第二數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口分別與溫度控制器輸入端口、電流驅(qū)動器輸入端口、光柵驅(qū)動器輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡的總線端口與第二計算機的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口與激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)的輸入端口相連，第一數(shù)據(jù)采集卡的總線端口與第一計算機的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡的通信端口和第二數(shù)據(jù)采集卡的通信端口相連接。所述的第一計算機和第二計算機為通用微型計算機。所述的第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡為配有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集卡。
計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻方法的步驟如下
1)第一計算機執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的同時第二計算機執(zhí)行常規(guī)激光穩(wěn)頻程序，給應(yīng)用任務(wù)提供持續(xù)穩(wěn)定的激光源；
2)當(dāng)?shù)谝挥嬎銠C執(zhí)行完一次或多次完整的應(yīng)用任務(wù)后，進入等待程序，同時通過第一數(shù)據(jù)采集卡的通信端口與第二數(shù)據(jù)采集卡的通信端口向第二計算機發(fā)送信號，第一計算機通知第二計算機激光應(yīng)用任務(wù)完成，要求第二計算機進行激光器檢測；
3)第二計算機接到進行激光器檢測的信號后，立刻停止常規(guī)穩(wěn)頻，轉(zhuǎn)而啟動檢測程序 掃描光柵，得到以當(dāng)前激光穩(wěn)定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各O-IGHz范圍內(nèi)的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈沖，從而檢測其中是否含有跳?，F(xiàn)象，并通過第二數(shù)據(jù)采集卡調(diào)節(jié)激光器的電流和溫度；
4)第二計算機完成激光器檢測程序后，恢復(fù)啟動常規(guī)穩(wěn)頻，同時通過第二數(shù)據(jù)采集卡的通信端口與第一數(shù)據(jù)采集卡的通信端口向第一計算機發(fā)送信號，第二計算機通知第一計算機激光器檢測程序完成，要求第一計算機繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；
5)第一計算機接到繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的信號后，立刻恢復(fù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；
6)第一計算機、第二計算機重復(fù)步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現(xiàn)跳模就會立刻被消除，保持激光器長期不受跳模干擾，實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。本發(fā)明的有益效果是，在同步信號的協(xié)調(diào)下，計算機控制激光器能在不影響應(yīng)用任務(wù)的正常進行的情況下定期檢查光譜并抑制跳模，實現(xiàn)激光器長期穩(wěn)頻，并且結(jié)構(gòu)簡單， 不用對原有激光器及其光路做任何改動。


圖1為計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的第一計算機的程序流程圖3為本發(fā)明的第二計算機的程序流程圖中外腔半導(dǎo)體激光器1、溫度控制器2、電流驅(qū)動器3、光柵驅(qū)動器4、部分反射鏡5、 鑒頻光路和電路模塊6、第一計算機7、第二計算機8、第一數(shù)據(jù)采集卡9、第二數(shù)據(jù)采集卡 10、激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)11。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。如圖1所示，計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置包括外腔半導(dǎo)體激光器1、溫度控制器2、電流驅(qū)動器3、光柵驅(qū)動器4、部分反射鏡5、鑒頻光路和電路模塊6、第一計算機7、 第二計算機8、第一數(shù)據(jù)采集卡9、第二數(shù)據(jù)采集卡10和激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)11 ；外腔半導(dǎo)體激光器1輸入端口分別與溫度控制器2輸出端口、電流驅(qū)動器3輸出端口、光柵驅(qū)動器4輸出端口相連，外腔半導(dǎo)體激光器1輸出激光束由部分反射鏡5的激光束直射部分提供給激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)11，部分反射鏡5的激光束反射部分輸入到鑒頻光路和電路模塊6，鑒頻光路和電路模塊6的輸出端口與第二數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡10的輸出端口分別與溫度控制器2輸入端口、電流驅(qū)動器3輸入端口、光柵驅(qū)動器4輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡10的總線端口與第二計算機8的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡9的輸出端口與激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)11的輸入端口相連，第一數(shù)據(jù)采集卡9的總線端口與第一計算機7的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡9的通信端口和第二數(shù)據(jù)采集卡10的通信端口相連接。所述的第一計算機7和第二計算機8為通用微型計算機。所述的第一數(shù)據(jù)采集卡 9和第二數(shù)據(jù)采集卡10為配有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集卡。 計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻方法的步驟如下
1)第一計算機7執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的同時第二計算機8執(zhí)行常規(guī)激光穩(wěn)頻程序，給應(yīng)用任務(wù)提供持續(xù)穩(wěn)定的激光源；
2)當(dāng)?shù)谝挥嬎銠C7執(zhí)行完一次或多次完整的應(yīng)用任務(wù)后，進入等待程序，同時通過第一數(shù)據(jù)采集卡9的通信端口與第二數(shù)據(jù)采集卡10的通信端口向第二計算機8發(fā)送信號，第一計算機7通知第二計算機8激光應(yīng)用任務(wù)完成，要求第二計算機8進行激光器檢測；
3)第二計算機8接到進行激光器檢測的信號后，立刻停止常規(guī)穩(wěn)頻，轉(zhuǎn)而啟動檢測程序掃描光柵，得到以當(dāng)前激光穩(wěn)定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各 O-IGHz范圍內(nèi)的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈沖，從而檢測其中是否含有跳模現(xiàn)象，并通過第二數(shù)據(jù)采集卡10調(diào)節(jié)激光器的電流和溫度；
4)第二計算機8完成激光器檢測程序后，恢復(fù)啟動常規(guī)穩(wěn)頻，同時通過第二數(shù)據(jù)采集卡10的通信端口與第一數(shù)據(jù)采集卡9的通信端口向第一計算機7發(fā)送信號，第二計算機8 通知第一計算機7 激光器檢測程序完成，要求第一計算機7繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；
5)第一計算機7接到繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的信號后，立刻恢復(fù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；
6)第一計算機7、第二計算機8重復(fù)步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現(xiàn)跳模就會立刻被消除，保持激光器長期不受跳模干擾，實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。外腔半導(dǎo)體激光器為商用的Littrow型結(jié)構(gòu)的外腔半導(dǎo)體激光器，溫度控制器、 電流驅(qū)動器、光柵驅(qū)動器是其配套的控制電路、鑒頻光路和電路模塊為采用飽和吸收譜技術(shù)的光路和接受通過該光路的激光束的光電探測器、第一計算機、第二計算機都是通用微型計算機，第一數(shù)據(jù)采集卡、第二數(shù)據(jù)采集卡都是配備有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的PCI型數(shù)據(jù)采集卡，它們分別插在第一計算機、第二計算機的主板上。外腔半導(dǎo)體激光器輸出光路由部分反射鏡分出一大部分提供給應(yīng)用任務(wù)，一小部分輸入到鑒頻光路和電路模塊，模塊中光電探測器輸出的鑒頻電信號輸入第二數(shù)據(jù)采集卡，從而輸入第二計算機。計算機輸出控制信號通過第二數(shù)據(jù)采集卡分別控制溫度控制器、 電流驅(qū)動器、光柵驅(qū)動器，從而控制激光器的輸出頻率。這樣第二計算機就可以根據(jù)接受的鑒頻信號對激光器進行穩(wěn)頻。第一計算機通過第一數(shù)據(jù)采集卡控制應(yīng)用任務(wù)如原子噴泉實驗。第一計算機、第二計算機通過第一數(shù)據(jù)采集卡、第二數(shù)據(jù)采集卡之間的通信電纜進行通
fn °本裝置運行時，第一計算機執(zhí)行原子噴泉過程的同時第二計算機執(zhí)行常規(guī)PID穩(wěn)頻程序，將激光穩(wěn)定在指定的飽和吸收峰處，給原子噴泉實驗提供持續(xù)穩(wěn)定的激光源。當(dāng)?shù)谝挥嬎銠C執(zhí)行完一次或多次完整的原子噴泉過程后，通過通信線路向第二計算機發(fā)送信號，通知第二計算機原子噴泉過程完成，可以進行掃描檢測。第一計算機隨即進入等待程序。第二計算機接到這道指令后，立刻停止常規(guī)PID穩(wěn)頻，轉(zhuǎn)而啟動單次光柵掃描程序，以當(dāng)前穩(wěn)頻工作點為中心，覆蓋兩邊數(shù)百MHz頻率范圍。計算得到的光譜信號的微分信號，檢查其中是否含有尖峰脈沖，從而檢查其中是否含有跳?，F(xiàn)象，并計算跳模點與穩(wěn)頻工作點的相對位置，然后根據(jù)位置進行可能需要的電流調(diào)節(jié)以排除模跳模。最后，恢復(fù)啟動常規(guī) PID穩(wěn)頻迅速鎖定在此前解除鎖定的飽和吸收峰處，同時通過通信線路通知第一計算機 跳模掃描檢測程序完成，可以繼續(xù)進行原子噴泉實驗了。整個跳模掃描檢測程序耗時僅0. 1 秒鐘。就這樣，兩臺計算機通過這種協(xié)調(diào)機制同步工作，不斷循環(huán)進行下去。一旦發(fā)現(xiàn)光譜中出現(xiàn)跳模就立刻啟動電流調(diào)節(jié)以及時排除它，從而實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。這就是這種檢測程序及其協(xié)調(diào)機制的運行原理。

本發(fā)明并不限于具體實施方式
中所述的實例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出其他的實施方式，在不脫離權(quán)利要求書中所述本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置，其特征在于包括外腔半導(dǎo)體激光器(1)、 溫度控制器(2)、電流驅(qū)動器(3)、光柵驅(qū)動器(4)、部分反射鏡(5)、鑒頻光路和電路模塊 (6)、第一計算機(7)、第二計算機(8)、第一數(shù)據(jù)采集卡(9)、第二數(shù)據(jù)采集卡(10)和激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)(11);外腔半導(dǎo)體激光器(1)輸入端口分別與溫度控制器(2)輸出端口、 電流驅(qū)動器(3)輸出端口、光柵驅(qū)動器(4)輸出端口相連，外腔半導(dǎo)體激光器(1)輸出激光束由部分反射鏡(5)的激光束直射部分提供給激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)(11)，部分反射鏡 (5)的激光束反射部分輸入到鑒頻光路和電路模塊(6)，鑒頻光路和電路模塊(6)的輸出端口與第二數(shù)據(jù)采集卡(10)的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡(10)的輸出端口分別與溫度控制器(2)輸入端口、電流驅(qū)動器(3)輸入端口、光柵驅(qū)動器(4)輸入端口相連，第一數(shù)據(jù)采集卡(9)的輸出端口與激光應(yīng)用任務(wù)的運行系統(tǒng)(11)的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡(10)的總線端口與第二計算機(8)的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡(9)的總線端口與第一計算機(7)的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡(9)的通信端口和第二數(shù)據(jù)采集卡 (10)的通信端口相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置，其特征在于所述的第一計算機(7)和第二計算機(8)為通用微型計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置，其特征在于所述的第一數(shù)據(jù)采集卡(9)和第二數(shù)據(jù)采集卡(10)為配有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集卡。
4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻方法，其特征在于它的步驟如下1)第一計算機(7)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的同時第二計算機(8)執(zhí)行常規(guī)激光穩(wěn)頻程序， 給應(yīng)用任務(wù)提供持續(xù)穩(wěn)定的激光源；2)當(dāng)?shù)谝挥嬎銠C(7)執(zhí)行完一次或多次完整的應(yīng)用任務(wù)后，進入等待程序，同時通過第一數(shù)據(jù)采集卡(9 )的通信端口與第二數(shù)據(jù)采集卡(10 )的通信端口向第二計算機(8 )發(fā)送信號，第一計算機(7)通知第二計算機(8)激光應(yīng)用任務(wù)完成，要求第二計算機(8)進行激光器檢測；3)第二計算機(8)接到進行激光器檢測的信號后，立刻停止常規(guī)穩(wěn)頻，轉(zhuǎn)而啟動檢測程序掃描光柵，得到以當(dāng)前激光穩(wěn)定工作點為中心，分別覆蓋兩邊高頻和低頻方向各 O-IGHz范圍內(nèi)的光譜信號，計算光譜的微分信號是否含有尖峰脈沖，從而檢測其中是否含有跳?，F(xiàn)象，并通過第二數(shù)據(jù)采集卡(10)調(diào)節(jié)激光器的電流和溫度；4)第二計算機(8)完成激光器檢測程序后，恢復(fù)啟動常規(guī)穩(wěn)頻，同時通過第二數(shù)據(jù)采集卡(10)的通信端口與第一數(shù)據(jù)采集卡(9)的通信端口向第一計算機(7)發(fā)送信號，第二計算機(8)通知第一計算機(7)激光器檢測程序完成，要求第一計算機(7)繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；5)第一計算機(7)接到繼續(xù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)的信號后，立刻恢復(fù)執(zhí)行激光應(yīng)用任務(wù)；6)第一計算機(7)、第二計算機(8)重復(fù)步驟1)到步驟5)，保持光譜中一旦出現(xiàn)跳模就會立刻被消除，保持激光器長期不受跳模干擾，實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計算機控制的激光器長期穩(wěn)頻裝置及其方法。鑒頻光路和電路模塊的輸出端口與第二數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口分別與溫度控制器、電流驅(qū)動器、光柵驅(qū)動器的輸入端口相連，第二數(shù)據(jù)采集卡的總線端口與第二計算機的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡的總線端口與第一計算機的總線端口相連接，第一數(shù)據(jù)采集卡的通信端口和第二數(shù)據(jù)采集卡的通信端口相連接。在兩臺計算機定期發(fā)送同步信號的協(xié)調(diào)下，第二計算機在給激光穩(wěn)頻期間，第一計算機完成激光應(yīng)用任務(wù)；第一計算機在暫停應(yīng)用任務(wù)期間，第二計算機檢查并抑制激光器跳模；從而在不影響應(yīng)用任務(wù)激光頻率穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實時檢查并抑制跳模，實現(xiàn)長期穩(wěn)頻。
文檔編號H01S5/0687GK102185251SQ201110090598
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者徐周翔, 陸璇輝, 黃凱凱 申請人:浙江大學(xué)