基于数字控制系统的激光扫频及稳频研究

admin · 发表于 2022-9-26 19:27:18

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激光的输出频率由于受到外界温度变化、大气变化、机械振动以及磁场等环境影响，往往是一个不稳定的、随时间变化的无规则的起伏量。如果要使激光频率稳定输出，就必须通过激光稳频技术，采取一定的措施来自动补偿外界扰动所引起的频率漂移。激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物，是基础科学研究的重要工具，也是尖端科学的关键组成部分，在精密计量、光通信、光频标等领域中得到了广泛的应用。本课题来源于针对中国科学院电子所科研项目中的合成孔径雷达天线定位所需求的高精度测量项目，目的是为距离测量系统提供激光频率扫描和稳定的扫频端点。本文的研究内容为使用边频锁定（Pound-Drever-Hall）技术，基于数字控制系统实现激光频率的扫描和锁定。首先介绍了利用法布里-玻罗（Fabry-Pérot）共振腔作为频率参考工具的PDH稳频技术的原理，并对PDH稳频中的几个关键题目做了深入的仿真和分析，包括对FP腔的建模仿真，误差信号线性动态范围与灵敏度的分析和仿真，以及PDH稳频系统的控制模型理论分析和仿真。文中给出了系统总体结构设计，对系统中的每一个组成部分做了详细的描述。主要有激光光束整形，极化控制和模式匹配；利用FP腔反射信号得到误差信号的模拟PDH检测系统；监测激光频率变化的参考干涉计系统；以及FP腔透射光强微弱信号锁相放大系统。数字控制系统是本课题的核心内容之一，文中给出了系统的控制策略和状态机的设计，通过在模拟和数字两个反馈环路中切换，拟实现精确的激光频率扫描和锁定。在Simulink和Stateflow软件环境下实现算法的软件初步实现。实验方面，利用波长计完成了实验中激光器的满量程扫描波长测试工作，完成部分实验系统的搭建，并进行调试。通过对入射FP共振腔的激光进行频率扫描，实现FP腔透射光的检测，观测透射信号峰值曲线来调整光路，将高阶高斯模式进行了最大可能的抑制。最后，对参考干涉计进行调试，在数字环路上进行初步稳频。总体上，完成了扫频及稳频控制系统的初步实验研究。

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