双纵模热稳频激光源的模糊PID控制研究

　　稳频系统是决定激光干涉仪性能的重要环节。随着多普勒技术及双频激光干涉技术的迅速发展和完善,各种形式的双频激光器及其稳频系统也快速发展。在众多激光干涉仪中采用最多的光源是塞曼型稳频激光器,它具有较好的稳频特性和可靠性。但双频激光的获得需附加磁场,制造工艺复杂,成本较高。加之其频差小于3 MHz,故其测量速度受到限制。双纵模热稳频方法成本低,稳频装置简单,又可达到与传统塞曼型稳频激光器同一量级的稳频精度,因而得到了广泛的应用。在这种方法中,目前大多采用PID方式控制激光管的放电电流或者绕在激光器上电阻丝电流的变化,控制激光管谐振腔长度,达到激光频率稳定的目的。传统PID控制方式存在反应速度慢,精度不高的缺点。本文介绍的双纵模热稳频系统,采用模糊PID控制器,同时控制绕在激光管颈上的感应线圈和激光管的放电电流,达到快速高精度稳频的目的。

　　1　稳频原理

　　一定长度的激光器,谐振腔中可能出现几个纵模,模间距为:

其中,c为光在真空中传播的速度,n为空气的折射率,L为谐振腔总的光学长度。

　　由图1可知,只要选定谐振腔长合适的激光器,就可以使Q的增益曲线只包含两个纵模,其频率分别为Vq、Vq+1。由于Vq和Vq+1(注:q为纵模的模序数,其值可取任意正整数)远离增益曲线的最大值点,所以激光工作物质在Vq和Vq+1处的色散较弱,由此引起的频率迁移误差较小。一般He-Ne激光的光谱线宽度(多普勒增宽)约为1500MHz,可选取适当腔长,纵模频率间隔ΔVq=560~700MHz。每一纵模都是线偏振光,而且两相邻纵模的偏振方向相互垂直,如图1所示。

　　当激光管工作时,假设Ne原子的增益曲线是以中心频率为对称的,则只要使两纵模频率稳定在增益曲线的对称点上,就可以使输出频率达到稳定,同时两频率分量的光强也相等。由于模竞争,在不加控制的情况下,只能有一个模占主要地位,但不久又被相邻的模取代。如果我们能精确地控制谐振腔的长度,使腔长的变化总是倾向于模竞争中处于劣势的那个模,即可以实现两个纵模同时共存,获得稳定的频率输出[1]。控制激光器的放电电流和绕在激光管上感应线圈来控制谐振腔腔长,使腔长变化总是倾向于模竞争中处于劣势的模,从而两个纵模同时存在并左右对称,达到了频率稳定的目的。

　　2　热稳频控制装置

　　热稳频控制装置如图2所示。

　　布儒斯特窗分别将偏振方向相互正交的两个模式的激光反射到光电池,两只光电池的极性是反向连接的。如果有一个模减弱,则接收该模光信号的光电管输出电压下降,差动放大器得到一个不平衡输入电压,放大后再经模糊控制PID调节器输出调制PWM反馈信号。该信号一路经高频方波形成电路、功率放大后,控制感应线圈使激光器产生感应电流并发热,来控制激光器谐振腔长;另一路通过调压电桥使激光器放电管的放电电流加强或减弱,并使谐振腔的长度向着有利于减弱的那个模的方向变化,这样便可使两个相邻的模同时并存。从而稳定激光频率。此系统中所有光电元件以同一批号的为好[2]。其它的电子器件温漂都能自动补偿,因为当输出电压的任何变化所引起的激光模式变化都将变成新的调整信号,使系统达到新的平衡。