專利名稱：基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于毫秒量級的激光脈沖控制技術，具體涉及一種基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法。
背景技術：
原子光頻標中原子態(tài)的制備和探測通常采用拉比(Rabi)脈沖的方法，此方法需要獲得毫秒量級的激光脈沖，通過控制激光脈沖的時序從而實現(xiàn)離子的激光冷卻和鐘躍遷探測。通常有兩種器件獲得激光脈沖，一種是聲光調(diào)制器，即聲光開關；另一種是機械開關。 前者的反應速度非?？欤ǔＴ?微秒以下，但關光前后的消光比通常只能達到20-30dB，； 后者的反應速度比前者慢，通常需要1毫秒左右，甚至更長，但是消光比高，通?？梢缘竭_ 50到60dB以上。在實驗上，由于時序中泄漏的光會產(chǎn)生交流斯塔克效應，從而造成光頻移， 影響頻標的不確定度。特別是冷卻光用的功率較大，影響非常明顯。因此，通常的方法是聲光調(diào)制器和機械開光結合使用，已達到好的消光比，但是這無法解決開關速度問題。目前實驗上產(chǎn)生脈沖時序的方法是基于Labview編寫的計算機程序，利用軟件時鐘同步各個脈沖的起始和結束，同時通過數(shù)字模擬(D/A)板卡控制聲光調(diào)制器和機械開關的打開和關斷。 這種方法的優(yōu)點是Labview為圖形化編程軟件，對編程人員的要求比較低。缺點在于程序運行速度慢，若需要控制的激光束比較多的情況下，時序的總長度很難壓縮得很短。例如我們研制的囚禁冷卻單離子光頻標中，實驗中需要利用波長為397nm、866nm、8Mnm和的四路激光。其中397nm和854nm激光的脈沖長度需要控制在2-3毫秒，8Mnm激光的脈沖長度控制在1毫秒，7 !!激光的脈沖長度希望控制在6-7毫秒?？偟拿}沖周期控制在 10ms。之所以要求729nm激光脈沖時間長，是因為它的是時間長短決定了得到的躍遷譜線的傅里葉極限線寬。脈沖時間越長，傅里葉極限線寬越窄，得到的鐘躍遷頻率越準確。但同時729nm激光脈沖又不能太長，有三個原因一是受限于激光器本身的時間相干性，激光的線寬越窄，相干時間越長。根據(jù)目前的情況，一般控制在6-7ms比較合適。二是過長的時間會給整機帶來光頻移。三是反饋的伺服時間變長，無法得到短時間的頻率穩(wěn)定度?？偟拿}沖周期控制在10毫秒以內(nèi)，這樣才能盡量壓縮頻標鎖定之后的反饋時間，從而可以得到短時間內(nèi)的頻標穩(wěn)定度指標。若是采用基于Labview的控制程序并且AD板進行器件的控制，達不到實驗的要求。此外，傳統(tǒng)的控制時序中，7 !!光脈沖的使能時間只占整個時序的30-40%。有效時間(duty time)不高，影響了時序的效率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術在解決獲得激光脈沖問題時的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，從而解決上述問題。本發(fā)明的技術方案是種基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，它是利用單片機輸出脈沖信號，控制聲光調(diào)制器上所加射頻信號的開和關，以控制激光通過聲光調(diào)制器的開關，從而實現(xiàn)激光脈沖時序產(chǎn)生；同時，采用激光兩次通過聲光調(diào)制器的方法，提高激光斬斷之后的隔離度。在激光兩次通過聲光調(diào)制器過程中，單片機輸出脈沖信號，控制聲光調(diào)制器上所加射頻信號的開和關。所述激光兩次通過聲光調(diào)制器是激光束第一次通過聲光調(diào)制器后，利用反射鏡再次通過聲光調(diào)制器。所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于所述單片機輸出脈沖信號是通過單片機內(nèi)部以晶振作為時鐘進行定時計數(shù)，實現(xiàn)輸出方波單片機的晶體震蕩器經(jīng)過12分頻后獲得的一個脈沖源。單片機輸出脈沖信號時，用外部高穩(wěn)時鐘控制單片機的時間同步，所述外部高穩(wěn)時鐘是原子鐘。單片機通過220V交流轉5V直流電路直接給單片機供電。單片機輸出四路方波脈沖信號，第一路方波脈沖信號控制第一聲光調(diào)制器開關與第一激光疊加，第二方波脈沖信號控制第二聲光調(diào)制器開關與第二激光疊加和第三激光疊加，第三路方波脈沖信號控制第三聲光調(diào)制器開關與第四激光疊加；實現(xiàn)單片機對激光脈沖時序產(chǎn)生的控制。第四路方波脈沖信號控制第四聲光調(diào)制器開關與熒光采集脈沖疊加，實現(xiàn)激光的輸出控制和對熒光采集脈沖的控制。半導體激光器輸出的激光為連續(xù)光，而頻標中對于離子鐘躍遷的探測需要脈沖激光，從而消除光頻移。因此需要通過光學器件將連續(xù)光斬斷成脈沖光。研究人員通常利用聲光調(diào)制器或者是機械開關實現(xiàn)以上目的。其中，聲光調(diào)制器的反應(上升沿和下降沿)時間很快，通常在1μ s以下，但是消光比不高，通常只有20_30dB ；而機械開關的消光比很高，通?？梢赃_到60dB以上，但是反應時間比較慢，通常在ms量級。因此，通常的辦法是將聲光調(diào)制器和機械開關一起使用，但是這無法解決速度慢的問題，從而帶來死時間，降低開關的效率。我們提出激光兩次通過聲光調(diào)制器的方法解決此問題，即激光來回兩次通過同一聲光調(diào)制器，這樣可以獲得60dB的消光比。同時，由于光路較短，而光的傳播速度為3X108m/s， 因此光兩次傳播的時間造成的延時可以忽略，從而可以將開關時間控制在1微秒以下。這樣達到了既有效地提高了消光比又保持了快速開關速度的目的。本發(fā)明控制系統(tǒng)簡單。


圖1激光脈沖時序產(chǎn)生控制示意圖。圖2時序控制系統(tǒng)示意圖。圖3 220V交流轉5V直流電路示意圖。圖4激光脈沖時序示意圖。圖5四路方波產(chǎn)生控制流程示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，激光脈沖時序產(chǎn)生控制系統(tǒng)，包括激光系統(tǒng)，由第一激光1、第二激光 2、第三激光3、第四激光4，以及熒光采集脈沖5，四路激光的波長是397nm、866nm、8Mnm和 729nm ；其中397nm和854nm激光的脈沖長度需要控制在2-3毫秒，8Mnm激光的脈沖長度控制在1毫秒，激光的脈沖長度希望控制在6-7毫秒。總的脈沖周期控制在10ms。與四路激光及熒光采集脈沖相對用的由第一聲光調(diào)制器6，第二聲光調(diào)制器7，第三聲光調(diào)制器8，第四聲光調(diào)制器9 ；第一激光1兩次進入第一聲光調(diào)制器6，產(chǎn)生第一激光脈沖時序脈沖；激光兩次通過聲光調(diào)制器是激光束第一次通過聲光調(diào)制器后，利用反射鏡再次通過聲光調(diào)制器。第二激光2兩次進入第二聲光調(diào)制器7，產(chǎn)生第二激光脈沖時序脈沖；第三激光3兩次進入第二聲光調(diào)制器7，產(chǎn)生第三激光脈沖時序脈沖；第四激光4兩次進入第三聲光調(diào)制器8，產(chǎn)生第四激光脈沖時序脈沖；四個聲光調(diào)制器的射頻信號的開和關控制由時序控制單元實現(xiàn)。時序控制單元如圖1、2所示，包括單片機供電電路10 ；單片機控制系統(tǒng)11，單片機12，驅(qū)動模塊模塊13和高穩(wěn)態(tài)時鐘14。單片機供電電路10是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的獨立供電系統(tǒng)，用于提供穩(wěn)定輸出的標準電壓。單片機是5V供電，因此該實驗用220V交流轉5V直流電路供電。該供電系統(tǒng)直接與時序系統(tǒng)電路板連接，為單片機供電電路如圖3所示，它是一個橋式整流穩(wěn)壓電路。所述單片機控制系統(tǒng)11是單片機信號輸出電路系統(tǒng)，是單片機能完成相應功能， 并輸出信號。該電路以LED燈作為指示，可直接通過觀察燈的亮滅判斷單片機是否輸出時序。由于時序控制多路激光，可用多個LED燈觀測信號，每個燈觀測一路時序，直觀明了。方案是在單片機I/O輸出口前安裝LED燈，用于觀測。所述單片機12是時序系統(tǒng)核心，這里運用的是51系列單片機，根據(jù)情況不同，可更換芯片，芯片用于編寫程序控制時序的輸出。所述驅(qū)動模塊模塊13是時序控制系統(tǒng)與聲光調(diào)制器連接的驅(qū)動裝置，目的是減小輸出阻抗，這里是用于降低單片機信號輸出阻抗，使時序輸入聲光調(diào)制器時聲光調(diào)制器能夠被驅(qū)動，控制裝置正常運行。該驅(qū)動電路可用一個涉及跟隨器完成，基本連接方式是， 以一個NPN三極管為中心，基極接一個50ΚΩ的電位器，再接單片機信號輸出端，也即驅(qū)動系統(tǒng)輸入端；集電極接12V直流電源，射極接1ΚΩ電位器再接地；射極端引出一個輸出端口，即驅(qū)動系統(tǒng)輸出端。所述高穩(wěn)態(tài)時鐘14是本專利的重要組成，為單片機時序輸出提供精準時鐘，以達到國際穩(wěn)定度要求。該處的高穩(wěn)態(tài)時鐘即為原子鐘晶振，是整個系統(tǒng)工作的時鐘，使時序按要求有效輸出，保證時序輸出精準。時序中產(chǎn)生的方波信號通過D/A轉換，控制聲光調(diào)制器上所加射頻信號的開和關，以控制激光通過聲光調(diào)制器的開和關，從而達到實現(xiàn)激光脈沖的目的。對聲光調(diào)制器的開關控制，傳統(tǒng)上是通過Labview編寫的計算機程序，利用軟件時鐘來控制程序輸出的高低電平，通過數(shù)字模擬(D/A)板輸出信號控制聲光調(diào)制器的開關。該方法的缺點是程序運行速度慢，不利于短脈沖的實現(xiàn)和控制。我們采用微處理器輸出脈沖信號，同時用外部高穩(wěn)時鐘控制微處理器的時間同步問題。單片機內(nèi)部以晶振作為時鐘進行定時計數(shù)，可實現(xiàn)輸出方波單片機的晶體震蕩器經(jīng)過12分頻后獲得的一個脈沖源 (機器周期)。晶振的頻率是很準確的，所以這個計數(shù)脈沖的時間間隔也很準。由于本實驗要確保時鐘的高穩(wěn)定性，故在此我們引入高精度原子鐘作為外部高穩(wěn)時鐘。但是僅僅是時鐘穩(wěn)并不能保證輸出方波的穩(wěn)定，時鐘的穩(wěn)定與供電系統(tǒng)也有很大的關系，運用傳統(tǒng)的USB 接口給單片機供電會很大程度的影響時鐘的穩(wěn)定，因此，本專利添加了一個220V交流轉5V 直流電路直接給單片機供電，這樣就解決了 USB供電不穩(wěn)問題。利用該脈沖信號控制加于聲光調(diào)制器的射頻信號的高與低。由于微處理器的控制是用C語言編寫，編程容易，調(diào)試速度快，可讀性好，控制非常精確，反應速度較快，因此可以實現(xiàn)聲光調(diào)制器的快速開關。又由于此處四路方波由同一時鐘TO控制，解決了時序信號因各自較小抖動而不同步的問題，將時序信號的輸出誤差控制在盡可能小得范圍內(nèi)。方波輸出后，通過數(shù)字模擬(D/A)板將數(shù)字信號轉化成模擬信號，進而控制聲光調(diào)制器的開關。但是由于聲光調(diào)制器本身負載很大， 在此與時序控制系統(tǒng)直接連接無法帶動運行，為了解決這個問題，在此基礎上，加一個射極跟隨器，已解決負載過大問題，又不影響電壓輸出，這樣整個裝置就能正常工作。實驗中需要利用四路激光，其激光脈沖時序見圖4。而本實驗中主要利用單片機輸出相關時序加于四路連續(xù)激光及熒光采集上，以實現(xiàn)產(chǎn)生激光脈沖的目的。第一激光1的脈沖長度希望控制在7ms。第二激光2和第三激光3的脈沖的時間控制在3ms左右。由于第二激光2和第三激光3時序一樣，這里用同一可編程時序脈沖進行控制。熒光采集也許一路方波控制，采集時間為ans。這樣，總的脈沖時間控制在10毫秒以內(nèi)。圖4為四路激光及熒光采集要求的時序脈沖本專利由單片機產(chǎn)生的四路方波，其示波器顯示波形如圖4。其方波按順序分別加于激光，第一路方波脈沖信號與激光1疊加，第二路方波脈沖信號與激光2和3疊加，第三路方波脈沖信號與激光4疊加，第四路方波脈沖信號與熒光采集脈沖疊加。以如圖所示方波即可實現(xiàn)單片機對時序的控制，通過D/A轉換從而進一步控制激光的輸出和對熒光采集脈沖的控制。該程序用單片機中的一個定時器控制四路方波的輸出，通過調(diào)節(jié)相應的占空比， 使方波按一定的高低電平要求輸出，計數(shù)器溢出時方波電平會跳變。完成一個周期電平跳變后，時序回到起點重新開始電平跳變。第一路方波以高電平起始，其他三路起始為低電平。程序流程描述如下，如圖5:程序初始化，定義程序相關變量并賦值，程序起始計時，第一、第二路和第四路方波電平均跳變并計數(shù)，第四路方波計數(shù)首先溢出，電平負跳變并計數(shù)，第一、二路方波繼續(xù)保持現(xiàn)電平計數(shù)，第三路方波在第四路方波電平負跳變時計數(shù)溢出，發(fā)生電平正跳變，并開始計數(shù)，然后第一，二，三路計數(shù)同時溢出，電平均跳變并計數(shù)。緊接著第一、二、四路計數(shù)溢出，電平跳變并計數(shù)，第四路計數(shù)溢出，電平負并計數(shù)，第一、二路方波繼續(xù)保持現(xiàn)電平計數(shù)，第三路方波在第四路方波電平負跳變時計數(shù)溢出，電平正跳變并計數(shù)，然后第一，二，四路計數(shù)同時溢出，電平跳變并計數(shù)。如此重復。
權利要求
1.一種基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，它是利用單片機輸出脈沖信號，控制聲光調(diào)制器上所加射頻信號的開和關，以控制激光通過聲光調(diào)制器的開關，從而實現(xiàn)激光脈沖時序產(chǎn)生；同時，激光兩次通過聲光調(diào)制器，提高激光斬斷之后的隔離度。
2.如權利要求1所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于所述單片機輸出脈沖信號是通過單片機內(nèi)部以晶振作為時鐘進行定時計數(shù)，實現(xiàn)輸出方波單片機的晶體震蕩器經(jīng)過12分頻后獲得的一個脈沖源。
3.如權利要求2所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于單片機輸出脈沖信號時，用外部高穩(wěn)時鐘控制單片機的時間同步。
4.如權利要求3所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于所述外部高穩(wěn)時鐘是原子鐘。
5.如權利要求1或2或3所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于單片機通過220V交流轉5V直流電路直接給單片機供電。
6.如權利要求1或2或3所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于單片機輸出四路方波脈沖信號，第一路方波脈沖信號控制第一聲光調(diào)制器開關與第一激光疊加，第二方波脈沖信號控制第二聲光調(diào)制器開關與第二激光疊加和第三激光疊加，第三路方波脈沖信號控制第三聲光調(diào)制器開關與第四激光疊加；實現(xiàn)單片機對激光脈沖時序產(chǎn)生的控制。
7.如權利要求6所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于第四路方波脈沖信號控制第四聲光調(diào)制器開關與熒光采集脈沖疊加，實現(xiàn)激光的輸出控制和對熒光采集脈沖的控制。
8.如權利要求1所述基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法，其特征在于所述激光兩次通過聲光調(diào)制器是激光束第一次通過聲光調(diào)制器后，利用反射鏡再次通過聲光調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單離子光頻標的激光脈沖時序產(chǎn)生控制方法。它是利用單片機輸出脈沖信號，以控制激光通過聲光調(diào)制器的開關，從而實現(xiàn)激光脈沖時序產(chǎn)生。同時，采用激光兩次通過聲光調(diào)制器的方法，提高激光斬斷之后的隔離度。從而可以將開關時間控制在1微秒以下。這樣達到了既有效地提高了消光比又保持了快速開關速度的目的。
文檔編號H01S5/06GK102570297SQ20121000647
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權日2012年1月9日
發(fā)明者劉培亮, 曹健, 汪漫, 管樺, 邊伍, 陳婷, 雷海東, 高克林, 黃垚, 黃學人 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所