串行總線在激光穩(wěn)頻中的應(yīng)用

1.1 本課題的研究背景

激光由于具有良好的單色性及相干性，被廣泛應(yīng)用于精密激光光譜和精密計(jì)量等諸多研究領(lǐng)域。頻率穩(wěn)定度極高的激光器已在計(jì)量研究領(lǐng)域提供長度基準(zhǔn)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。

自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器因受到外界振動(dòng)、溫度起伏等因素的擾動(dòng)，導(dǎo)致激光頻率隨時(shí)間變化，難以滿足精密計(jì)量等應(yīng)用上的要求。要使激光頻率穩(wěn)定輸出就必須利用激光穩(wěn)頻技術(shù)，采取一定的措施來減小外界擾動(dòng)所引起的激光頻率漂移。

實(shí)現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定性的提高，通?？梢赃x取一個(gè)頻率參考標(biāo)準(zhǔn)，通過激光頻率與頻率參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得到激光頻率偏離頻率參考標(biāo)準(zhǔn)的誤差信號(hào)，通過伺服控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整激光器的某一參數(shù)，使激光頻率鎖定在頻率參考標(biāo)準(zhǔn)上，從而獲得頻率穩(wěn)定的激光。

常用的穩(wěn)頻頻率參考標(biāo)準(zhǔn)主要有兩類:一類是以原子或分子的躍遷譜線中心頻率作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn);另一類以光學(xué)諧振腔的共振頻率作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn)。

在以原子或分子躍遷譜線中心頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)方法中，早期有分子飽和吸收穩(wěn)頻，它以分子飽和吸收氣體的強(qiáng)吸收峰所對(duì)應(yīng)的頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國際上許多小組在進(jìn)行冷原子、單離子精密光譜檢測和光鐘系統(tǒng)的研究。

由于冷原子的躍遷譜線寬度在Hz或亞HZ量級(jí)，因此需要超窄線寬的激光作為探測光。而采用PDH技術(shù)的穩(wěn)頻激光器能得到寬度在Hz或mHz量級(jí)的譜線，己成為冷原子精密光譜和光鐘研究中關(guān)鍵的光源。

在以原子或分子躍遷譜線中心頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)方法中，早期有分子飽和吸收穩(wěn)頻，它以分子飽和吸收氣體的強(qiáng)吸收峰所對(duì)應(yīng)的頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。如采用甲烷(CH4)穩(wěn)定的3.39μmHe-Ne激光器，得到了可與微波頻標(biāo)相比擬的頻率穩(wěn)定度。對(duì)于分子飽和吸收穩(wěn)頻激光器，選擇理想的吸收介質(zhì)至關(guān)重要。吸收氣體既要滿足吸收一譜線與激光增益譜線頻率基本重合，還要滿足具有比較大的吸收系數(shù)、激發(fā)態(tài)壽命比較長、譜線自然寬度小的要求。

80年代初，IBMResearchLaboratry首次提出利用射頻電光調(diào)制實(shí)現(xiàn)的頻率調(diào)制光外差光譜(FM光潛)。該技術(shù)使調(diào)制光與吸收物質(zhì)作用，由于載波和邊帶通過樣品后的幅度衰減和相位延遲不相同，運(yùn)用光外差相敏檢測得到樣品的吸收型和色散型信號(hào)，并作為鑒頻信號(hào)用于鎖定激光頻率。但由于分子吸收譜線的多普勒展寬效應(yīng)，仍然限制了穩(wěn)頻精度的進(jìn)一步提高。隨著飽和吸收等無多普勒展寬光譜學(xué)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子超精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜高分辨、高靈敏檢測，為發(fā)展激光穩(wěn)頻技術(shù)及提高穩(wěn)頻精度提供了重要的方法。

1.2 本課題的目的及意義

激光由于具有良好的單色性及相干性，被廣泛應(yīng)用于精密激光光譜和精密計(jì)量等諸多研究領(lǐng)域。頻率穩(wěn)定度極高的激光器已在計(jì)量研究領(lǐng)域提供長度基準(zhǔn)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。

如何有效的監(jiān)測激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，用什么方式讓嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信，并提供友好的人機(jī)界面，使激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的監(jiān)控和使用更加方便可靠，這正是本文探討的初衷。

1.3 主要研究內(nèi)容

1.3.1 單片機(jī)系統(tǒng)（穩(wěn)頻系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)的功能

（由單片機(jī)控制）需要向上位機(jī)發(fā)送如下信息：

1、頻率是否穩(wěn)定（真或假）

2、當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容（包括PID的比例系數(shù)值、積分時(shí)間常數(shù)值、微分常數(shù)值）

3、 其他參數(shù)（包括系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)（好、壞）、若有損壞，是哪部分、是否在穩(wěn)頻狀態(tài)）

1.3.2 上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能如下

上位機(jī)需要向穩(wěn)頻系統(tǒng)（由單片機(jī)控制）發(fā)送如下信息：

1、開始或停止穩(wěn)頻

2、設(shè)置參數(shù)（包括PID的比例系數(shù)值、積分時(shí)間常數(shù)值、微分常數(shù)值）

3、詢問系統(tǒng)工作狀態(tài)（（好、壞）、若有損壞，是哪部分）

4、頻率是否穩(wěn)定

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)可行性分析

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)已非常成熟，可靠監(jiān)控激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，無任何理論上的技術(shù)瓶頸。