偏频锁定式热稳频激光器偏频信号检测及数字控制器研究

作     者：杨睿韬 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭久彬

授予年度：2010年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：偏频锁定 激光热稳频 频率稳定度 偏频检测 数字控制器 

摘      要：作为激光干涉测量的长度标尺和溯源基准,激光波长(频率)的准确度决定了干涉测量系统所能达到的最高相对测量准确度,因此激光稳频技术研究一直是精密和超精密激光干涉测量领域关注的热点问题之一。特别是近年来,在微机电系统制造、微电子装备等超精密加工业迅猛发展的推动作用下,下一代激光干涉测量技术研究与系统集成将不断地向大量程、超精密方向迈进,其相对测量准确度将高达100,对光源的频率准确度需求相应地提高到100,使激光稳频技术研究进入一个新的发展阶段。偏频锁定式激光热稳频方法是近年来提出的一种激光热稳频新概念,它有机融合了碘分子吸收谱的超高光频精度优势,是有可能为下一代超精密激光干涉测量系统提供超高精度的激光热稳频技术。本文在深入分析偏频锁定式激光热稳频原理的基础上,针对其稳频系统中偏频信号存在较大频率调制、被控对象热惯性大难以控制、控制算法调试工作繁琐等影响激光频率稳定度的问题,设计并实现了偏频锁定式激光热稳频系统的偏频信号检测单元、数字热稳频控制器及相应的稳频控制算法。本文主要研究内容如下:1.分析偏频锁定式激光热稳频系统的工作原理并建立了初步的稳频误差模型,指出尽管理论上偏频锁定式热稳频激光器的频率稳定性有可能得到极大的改善,但实际系统中偏频值检测误差、偏频值锁定控制误差等因素制约了激光频率稳定度的进一步提高;2.针对碘稳频激光与待稳频激光之间的拍频信号幅值小、频率范围大、高频噪声大等问题,设计并实现了拍频信号高增益、大带宽检测与调理电路,实现了对拍频信号的高精度提取与有效放大,并采用分频器降频法将其转变为易处理的中低频信号;3.针对碘稳频激光器输出光的频率调制带来的两激光器拍频信号中存在多种边带干扰频率成分、偏频值检测误差较大等问题,提出基于多调制周期同步数字测频技术的边带频率抑制和偏频值检测方法,设计并实现了相应的高精度数字测频模块,在有效抑制调制信号边带频率的基础上完成了对偏频值的精确采集;4.设计了高精度数字稳频控制器,并在其中移植了μC/OS实时操作系统,集成适合于稳频系统调试的多任务实时控制器,该控制器可实现高精度采集激光管温度、有效识别激光器工作状态、输出高精度控制量并实现控制量的功率放大、为算法调试提供人机接口等;5.分析偏频锁定式热稳频激光器的各单元特性并建立热稳频控制系统模型,并针对稳频控制对象的大热惯性、纯滞后特点,利用阶跃辨识法获取稳频控制模型的比例增益、热惯性、时间延迟等相关参数,设计并实现了基于Smith-PI的热稳频控制算法。整合上述偏频信号检测单元、数字稳频控制单元和稳频控制算法,搭建了偏频锁定式激光热稳频系统并进行了初步的热稳频实验。实验结果表明,在经过30min的预热时间后偏频值可以被有效锁定,偏频锁定误差小于±500k Hz,热稳频激光器的相对频率准确度优于1×10。