（电路与系统专业论文）基于铷原子的原子能级探测实验装置的电路与器件研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 基于铷原子的原子能级探测实验装置的电路与器件研究 摘要 专业名称：电路与系统 申请者：王艳芳 指导老师：孙番典教授 原子能级是原子系统能量的量子化表示，原子中的电子在不同能级之间的跃 迁对应于电子运动状态的变化，人们通过电子在不同能级之间的跃迁产生的发射 和吸收光谱来研究原子内部结构，进而认识原子内部的各种相互作用和运动。研 究原子、分子的跃迁光谱是人们认识原子分子结构的重要途径。基于此，对不同 元素的原子能级探测就显得越来越重要。 本论文研究是原子能级探测实验装置的应用电路及相关器件，在本论文中， 实验装置分成三个组成部分：激励光源部分、原子泡伺服部分、光电检测部分。 激励光源部分，用无极放电谱灯或半导体激光二极管作为激励光源器件。通过控 制电路得到理想的激励光源。原子泡伺服部分，即样品原子的抽运部分，为了提 高抽运效率，要控制原子气泡室的物理环境。光电检测部分，即实验显示部分， 把激励出来的跃迁光谱信号放大，用示波器显示出来以便于观察。为了使整套电 路不受原子种类的局限，多数的控制电路都是可调的。 无极放电谱灯是一种高频无极放电，用高频激励和恒温控制来获得所需的 激励光，经制作及调试、改进，得到波长为7 8 0 n m 的激励光源。半导体二极管激 光的输出波长由工作电流和工作温度来决定，在论文中，通过严格的恒流和恒温 控制同样得到了7 8 0 n m 的激励光源。同时还通过电路调节及配合不同的激光管 得到了波长为4 0 8 n m 的激励光源，说明电路的可调性良好。在原子伺服部分中 加入了恒温电路以保持样品原子气态，温控电路的精度在0 1 左右。为了观测 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 原子的塞曼能级跃迁，在抽运过程需要加入外磁场和微波，在本论文中，用恒流 源电路来控制激励线圈得到稳恒磁场，把它稳定在1 0 。2 特斯拉。并根据所需要的 微波谐振频率频率确定了微波的谐振模式和谐振腔的尺寸。光电检测部分是一个 简单的光电检测电路，通过实践，能够满足实验要求。本论文中以铷原子作为实 验对象，但是这套电路是可调的，同样适用于乓他原子。 关键字： 原子能级探测，实验装置，激励，稳流恒温电路，器件 i i 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nt h ecir c ult sa n dd e vic e so ft h e a b s t r a c t a t o mice n e r g yg r a d ed e t e c tin ge x p e rlm e n t m a j o r ：c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e - w a n g y a n f a n g s u p e r v i s o r ：s u n f a n d i a n a t o m i ce n e r g yl e v e li st h eq u a n t u me x p r e s s i o no fa t o m i ce n e r g ys y s t e ma n d t h ee l e c t r o nj u m p i n gb e t w e e nt h ed i f f e r e n te n e r g yl e v e lc o r r e s p o n d i n gt ot h ec h a n g e o fe l e c t r o nm o t i o nc o n d i t i o n p e o p l es t u d yt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fa t o m sb yt h e e m i s s i o na n da b s o r p t i o ns p e c t r ap r o d u c e db yt h ee l e c t r o n si u m p i n gb e t w e e nt h e d i f f e r e n te n e r g yl e v e l ，f u r t h e ru n d e r s t a n d i n gt h ev a r i o u sc a m p a i g n sa n di n t e r a c t i o no f t h ea t o m i ci n t e r n a l t h ee m i s s i o na n da b s o r p t i o ns p e c t r ao fa t o m sa n dm o l e c u l e si sa n i m p o r t a n tw a yf o rp e o p l et os t u d yt h es t r u c t u r eo ft h e m t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nt h ec i r c u i t sa n dd e v i c e sf o r t h ea t o m i c e n e r g y d e t e c t i o ne x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n td e v i c e sa r ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t si n t h i sd i s s e r t a t i o n ：i n c e n t i v el i g h ts o u r c e ，t h ep r o m p t i n go fa t o m i cs a m p l e sb u b b l ea n d p h o t od e t e c t o r h i g h f r e q u e n c yd i s c h a r g el a m pa n dl da r eu s e da si n c e n t i v el i g h t s o u r c ed e v i c e si nt h ef i r s tp a r t c o n t r o l l i n gc i r c u i t sa r en e e d e df o rt h eh i g h f r e q u e n c y d i s c h a r g el a m pt oe m i tt h ei n c e n t i v el i g h ts o u r c et h a tt h ee x p e r i m e n td e m a n d s t h e s e c o n dp a r ti st h ep r o m p t i n go fa t o m i cs a m p l e s i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ed e g r e eo f p r o m p t i n g ，c o n d i t i o no fa t o m i cs a m p l e sb u b b l es h o u l db ec o n t r o l l e d t h et h i r dp a r ti s t h ed i s p l a yo ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t m a d et r a n s i t i o ns p e c t r u ms i g n a l sm a g n i f i e da n d d i s p l a y e do nt h eo s c i l l o s c o p e m o s to ft h ec i r c u i t si nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa d i u s t a b l e h i g h f r e q u e n c yd i s c h a r g el a m pi sc o n t r o l l e db yh i g h f r e q u e n c yi n c e n t i v ec i r c u i t a n dt h e r m o s t a tc i r c u i t i n c e n t i v e l i g h ts o u r c eo f7 8 0 n mi so b t a i n e dt h r o u g i l d e b u g g i n g t 1 1 eo u t p u tw a v e l e n g t ho fl di sd e c i d e db yt h ec u r r e n ta n dt e m p e r a t u r e w h i c ha r es t r i c t l yc o n t r o l l e d ，s ot h ei n c e n t i v el i g h ts o u r c eo f7 8 0 n ma l s oo b t a i n e di n i i i 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 t h i sd i s s e r t a t i o n i no r d e rt op r o v et h a tt h ec o n t r o lc i r c u i to fl di sa d i u s t a b l e o u t p u t w a v e l e n g t ho f4 0 8 n mi s o b t a i n e db yu s i n ga n o t h e rl d i nt h es e c o n d p a r t ， t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i ti sr e q u i r e dt ok e e pt h ea t o m i cs a m p l e si nt h eb u b b l e g a s e o u s t h ep r e c i s i o no ft h i st e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i ti s a t0 1 i no r d e rt o o b s e r v ez e e m a ne n e r g yt r a n s i t i o n ，m a g n e t i s ma n dm i c r o w a v es h o u l db ea d d e di nt h i s p a r t m a g n e t i cf i e l ds t a b i l i z ea t1 0 心t c o n t r o l l e db yc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t t h e m o d eo fr e s o n a n c ea n dt h es i z eo fm i c r o w a v ec a v i t ya r ed e s i g n e db a s e do nt h e t r a n s i t i o nf r e q u e n c y t h e r ei sas i m p l ep h o t od e t e c t o rc i r c u i ti nt h et h i r dp a r t i ti s s u i t a b l ef o rt h i se x p e r i m e n tt h r o u g ht e s t e v e r yc i r c u i ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni sd e s i g n e d o nr u b i d i u m ，b u t ，t h e ya r ea d j u s t a b l e ，s ot h e ya r ea l s os u i t a b l ef o ro t h e re l e m e n t s k e yw o r d s ：a t o m i c e n e r g y d e t e c t i o n ，e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，p r o m p t i n g ，c o n t r o l l i n g c i r c u i to fc u r r e n ts t a b i l i t ya n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，d e v i c e i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：五- 艳葛佑义作有爱铂：多u 。 日期：矽啪年r 月巧日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质皈，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名： 士耗墨 日期：矽潞年 月巧日 导师签 臼期： 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 第一章：绪论 1 1 研究背景 弗兰克一赫兹实验证明了原子能级的存在，原子能级跃迁时产生的电磁辐 射，也就是原子光谱，成为了研究原子结构的重要途径之一。通过研究原子光谱， 可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动。今天，原子光普学已成为 一门活跃的、基本的科学。 从最简单的氢原子开始，原子光谱的分析和应用得到了很大的发展，在医 疗、农业、化工、食品等行业都得到广泛的应用，如分析钢铁中的铅的含量；测 量血样中的含铅量；测量保健食品中的砷、汞，还有中药成分分析中对微量元素 的测量等等，都是利用的原子光谱。在现在科学研究中，原子光谱对现在技术和 社会进步也作出积极的贡献，对核物理、表面科学和微电子学、天体物理等学科 都有较大的积极影响。 原子光谱的应用非常广泛，目前原子能级探测的教学实验装置功能作用比较 单一，本论文的目的是为一套功能比较综合的原子能级探测实验装置提供配套的 控制电路和器件。也就是说，本论文研究是用于原子能级探测实验装置的应用电 路及其器件，可以用来探测原子能级的各类跃迁光谱信号，对原子能级探测的实 验教学有一定的帮助。 1 2 原子能级探测实验装置的基本结构及要求 本论文研究的是原子能级探测实验装置的电路及器件。原子能级探测实验 是用激励光源抽运原子样品室内的气态原子，得到该原子的跃迁光谱，再把该光 谱信号放大后显示出来。光抽运的基础是光和原子之间的相互作用，实验的主要 目的是探测原子的能级谱线，进而研究原子的内部结构。在该试验中，要得到良 好的跃迁谱线，需要控制实验中相关器件的工作环境和工作状态。实验装置的物 理装置结构如图1 - 1 所示，整个实验装置可分成三个组成部分：激励光源部分、 原子伺服部分和信号检测部分。简单来说，激励光源部分的作用获取所需的激励 光源，抽运样品原子泡室的样品原子，这一部分的重点在于如何得出波长合乎要 求的激励光，并控制其稳定性。在原子伺服部分，为了观测到原子的塞曼谱线， 需要在伺服过程中加入磁场和微波，需要设计和制作磁场的控制电路来实现磁场 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 的稳定性和可调性，微波由微波谐振腔和微波信号源提供。伺服过程中原子泡室 的温度对原子系统的池豫过程有很大的影响，因此样品原子泡室的环境温度需要 在稳定在一定的范围之内，这需要一个恒温电路来实现。样品原子能级跃迁的谱 线经光电检测电路后显示。在图1 1 所示的结构图中，控制电路1 是半导体激光 二极管的控制电路，包括它的注入电流控制和工作温度控制，源激励控制电路是 无极放电谱灯的起振及温控电路，控制电路2 是轴向磁场的强度及稳定性控制电 路，控制电路3 是样品原子泡室温控电路，同时在光电检测器部分中还有一个光 电检测电路。整个实验装置所需的电路大致就是这样。所需的器件有l d 、无极 放电灯、磁场线圈、微波谐振腔等，这些电路和器件将在以下的部分中一一详叙。 激励部分原子伺服部分信号检测部分 图1 1 ：实验方框图 由上面的框图可以看出，本实验的光路是：激励光源滤光泡样品原 子泡室光电检测显示。 在光源激励部分，可以采用两种不同的激励方式。在上面的框图中，分别 用实线和虚线标示了出来，实线所示是半导体激光二极管激励，虚线所示为无极 激励。 本论文是以铷原子为实验对象，首先有必要对铷原子做一下简单介绍，铷原 子是一种碱金属原子，只有一个价电子，其基态为5 2 s t ，：，最低激发态为5 2 只z 和 2 、 df _ 毛二燮 珲： 控一 - _涕 一 一_ i 宦一 。二獬 华南师范人学2 0 0 8 年硕十研究生学位论文 5 2 只，：双重态，由于是l s 耦合，电子总角动量的量子数j = l + s ，l + s 一1 ，i l s i 。 5 p 与5 s 能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线。8 7 r b 原子第 一激发态5 2 只z 跃迁至基态5 2 s - ，z 所产生的波长是7 9 4 8 n m 的d 1 谱线，5 2 只，z 从 k k _ 至5 2 s ：产生波长为7 8 0 0 n m 的d 2 谱线。原子能级结构图如下图所示，当一 束相关的光击打铷原子，原子里面的电子就会从基态5 2 s ，z 跃迁到激发态5 2 只，z ， 从而产生d 2 线吸收。由以上说明可知，铷原子能级探测实验所需的激励波长是 d 2 线所对应的波长。 8 5 尺6 原子的核自旋i = 3 2 ，由于是i j 耦合，原子总角动量的量子数 f = i + j ，i + j 一1 ，i ，一j i ，这些由f 量子数定标的能级称为超精细结构n 1 。铷原子 的超精细能级结构图如图卜2 所示： 5 只。 51 p 。 d 2 ：墨： 辇籍嚣褥缎 塞羹分裂 结构结橱 墨囊分麓 9 5 铷原子8 7 铷原子j 图1 2 ：铷原子能级结构图 1 3 本论文的研究内容 本论文主要内容是适合原子能级探测实验装置的电路和器件，研究的重点 是电路和器件。首先是原子激励；用无极放电谱灯或半导体二极管激光作为激励 屹幔口札砭儿每吨堙町o卅瞳 1 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 光源，无极放电谱灯是一种高频无极放电，是一种传统光源，半导体二极管是一 种新型的光源器件，它的输出波长由工作电流和工作温度来决定。在本论文中， 无极激励用高频震荡电路和温控电路控制以获得所需的激励光，l d 通过严格控 制它的电流和温度来实现稳频，获得较好的激励光源。其次是原子泡伺服，就是 样品原子的抽运部分；这个部分能级探测实验的重点，为了加强抽运的效果，在 这个部分中加入了恒温控制以保持样品原子气态，为了观n - n 原子的塞曼能级跃 迁，在抽运过程需要加入磁场和微波，需要研究磁场和微波的产生器件及控制电 路。最后是光电检测；光电检测部分是实验显示部分，把激励出来的跃迁光谱信 号放大，用示波器显示出来以便于观察，在这个部分要设计制作一个简单的光电 检测电路，检测出光谱信号并将它在示波器上显示出来。 第二章：光源的激励与控制 原子谱灯的无极激励和半导体激光二极管激励都是目前在原子光谱试验中 比较常用的激励方式，无极激励是一种传统的激励方式，由于它的高度稳定性和 高分辨率，在原子能级探测实验方面应用非常广泛，但是这种激励方式对其激发 电路的要求非常高。半导体激光二级管作为光电子实验的核心器件，其重要作用 己得到了广泛认可，在原子分子光谱学，高分辨光谱学中被广泛使用。事实上， 早在1 9 8 4 年，日本的n i n o r uh a s h i m o t o 和m o t o i c h io h t s u 就首先做了这方面的 实验，用半导体激光二极管代替传统谱灯，发现要得到比较好的长期稳定度对半 导体激光器频率的稳定度要求十分的高，因此在这个实验装置中，如果采用半导 体激光二极管作为激励光源，需要严格控制它的注入电流和工作温度，事实上， 在半导体激光二极管的所有应用领域，为了保证激光二极管正常工作和维持稳定 的技术参数，针对半导体激光器的稳频研究都是十分有意义的。 两种激励方式都各有其优缺点，传统谱灯的光源稳定性好，噪音小、光强 较大，但单色性差、不对称等缺点对实验结果有较大的干扰。半导体激光二极管 具有高亮度、单色性好和线宽窄等优点，因此可得到更高的抽运效率和很低的透 射光本底，从而获得较强的微波共振信号和较低的光噪声，大大提高了信噪比。 但是其输出频率稳定性较差，对驱动电流和工作温度的精度要求极高，尤其是温 度，很难达到其要求。 2 1 无极放电谱灯 4 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 谱灯的无极激励是用无极放电灯来得到抽运光。谱灯在高温和高频激励下 发出跃迁光，由于光的单色性较差，所以在光路中加入看滤光片，滤去干扰光波， 得到实验所需的单色光，在经过线偏振片和圆偏振片后，成为光轴方向的圆偏振 光。在本实验中，以铷原子的无极放 包灯作为激励光源。 无极放电谱灯是一种将灯泡和 电子技术结合起来的一种光源，它 是一种高频无极放电。用无极放电 方式激励原子光谱，通常是在一玻 璃泡中充入适量的该种原子及具有 发热亳隰 较低激发电位的起辉气体，并将该 玻璃泡置于一高频振荡激励电路的 振荡线圈中。起辉气体一般是惰性 i ，。， 蕊 1 “、l k ! 丝：= ，j i ；7 激励电路 气体主要作用是：l 、使泡内的电子图2 1 ：谱灯结构图 温度达到一个较佳的值，2 、增加粒 子间相互碰撞的机会，3 、影响无极灯的功率。冲入泡内惰性气体也不是越多越 好，要科学的充入。高频电场对起辉气体中存在的少量离子和电子加速使其动能 增加，使其激发到激发态，处于激发态的起辉气体分子与要与激励的原子( 如铷原 子) 碰撞，将能量转移给该原子，从而把原子激发到激发态，当原子以激发态跃迁 回基态时即发出光【2 1 。无极放电谱灯的常用结构如图2 1 所示。 无极激励光是长寿、高效、显色性好、无频闪、紧凑、瞬时点亮的光源， 吸引着众多公司来研究和开发，并将发展领域从低压气体放电灯引伸到高强度气 体放电灯，光效从6 0 1 m w 发展到1 7 0 1 m w 左右，寿命从普通荧光灯的5 0 0 0 h 提 高到4 6 万小时以上，成为世人瞩目的高光效节能光源1 3 j 。 谱灯的无极激励，需要两个控制电路，一是高频震荡电路；二是温度控制电 路，高频振荡电路是谱灯的起振电路，同时为了得到较好的起振效果，高频震荡 线圈及线圈内的玻璃泡要放在7 0 c - - 9 5 c 的高温环境中，不同原子的谱灯所需 要的环境温度不同，需要一个恒温控制电路来控制和调节环境温度。 2 1 1 谱灯的无极激励 谱灯的无极激励电路实际上就是一个高频振荡电路，即无极激励的起振电 5 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 路。高频振荡电路的功能是在没有夕l - g i 输入信号的情况下，电路自动将直流电源 提供的能量转换为具有一定振幅、一定频率和一定波形的交变信号输出。 首先介绍一下振荡器，按输出波形来分，振荡器可分为正弦波振荡器、方波 振荡器、三角波振荡器和锯齿波振荡器等，按产生振荡的原理分类，振荡器分为 反馈型振荡器和负阻型振荡器。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当 正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。负阻式振荡器则是将一个呈现 负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡【4 1 。本论文中所用的起振电 路就是一个相对简单常用的反馈式正弦波振荡电路。 本论文中的高频震荡电路的电路图如下： 眦 图2 - 2 高频振荡电路 由一个l 卜型滤波电路和电容三点式振荡器电路( 由c 3 、c 4 、可变电感l 2 和三极管q l 组成) 组成，a 点接电源输入。要获得最佳振荡状态，只需调节微调电 容c 4 。电路的直流输入功率约为5 4 w ( 2 7 v ：2 0 0 m a ) 。在使用该电路激励铷原子 发光时，可选用工作频率为i o o m h z ，调节供电电压及微调电容可使铷原子泡发出 强的紫红色光。如光发白说明激励过强，光偏暗则激励过弱畸1 。 电容三点式振荡器，又称考毕磁振荡器，典型线路如图2 3 所示。 v r f 图2 - 3 电容三点式振荡电路 6 华南师范大学2 0 0 8 年硕十研究生学位论文 线路中，振荡回路的电容支路引出三个端点分别与晶体管的集电极、基极、 和发射极相连接；基极与发射极之间的反馈电压是由回路电流流过c 3 以后获得 的，所以，这种线路称为电容三点式振荡器线路。同其它所有的正弦波振荡器一 样，电容三点式振荡器包含三个组成部分：具有功率增益的有源器件( 三极管) 、 决定频率的振荡回路、实现正反馈的反馈电路。 电容三点式振荡器的振荡频率基本上由振荡回路的并联谐振率f 0 决定的， 所以： 厂一厂。； 1 2 a c 3 c4 、f 、lf 、 电容三点式振荡器的反馈系数f 由下式决定： f ；堕。i k u | c 3 c 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 上式中，“是反馈至基极和发射极之间的反馈电压，u ，是集电极回路输出的振 荡电压，r 是集电极回路中的回路电流1 。 电容三点式振荡器中，振荡管的输出、输入电容与回路电容c 3 、c 4 并联， 在高频工作时，不会破坏并联支路的容抗性质，反馈相位条件不会因为振荡频率 增高而损坏，因而它的最高振荡频率可以做到几百兆赫，甚至更高。线路中，反 馈电压取自电容支路，它对高次谐波呈现的阻抗低，反馈电压中的高次谐波电压 相对较小，以致振荡波形中含有高次谐波分量较小，使输出振荡波形较好。波形 更加接近正弦波，这是电容三点式振荡器与其它振荡器的有优点，此外，改变振 荡频率时，必须是电感l 2 可调或是同步改变c 3 。c 4 ，否则，改变振荡频率时， 将会影响到反馈系数f 的大小，这会使振荡器输出电压不符合要求，甚至使线路 不满足起振条件而不能起振，所以一般来说，这种振荡器只适合用作固定振荡器。 在实际操作过程中，高频振荡电路是无极激励的难点，因为所需的频率一般 比较高，虽然可以通过降低c 4 来提高频率，但是提高有限，因此还需要调节电 感来得到所需的频率，虽然理论上，频率由电容和电感决定，但事实上，当电容 和电感达到要求时也未必一定可以得到所需的频率，在高频电路中，p c b 板的布 7 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 线，元器件的优劣，焊接的好坏等等因素都可以直接影响输出，使电路无法达到 需要的频率，这就是高频电路中最难克服的地方。在本实验中，所需的频率是 1 0 0 兆，也是通过多次调节，多次修改才实现。 2 1 2 谱灯的温度控制 通常情况下，无极放电谱灯要获得比较好的输出光波，要把原子泡放在高温 环境中，一般将环境温度设置在7 0 一9 5 之间，不同的原子样品需要不同的 环境温度。实验证明，铷原子泡要放在9 4 。c 左右的恒温环境中，这个温度可以 使玻璃泡内的样品原子保持气态，并加速原子的运动，加大它们的碰撞几率，提 高输出的激励光源的强度。这个恒温环境对稳定性的要求不太高，一般的电路就 可以满足达到要求。 恒温电路如下 v c c 图2 - 4 ：无极激励温控电路 这是一个十分普通的恒温电路，用l o k 的热敏电阻作为热传感器。r 1 、r 2 、 r t 、r 4 组成桥电路，r 4 是一个精密多圈电位器，通过调节它可以设置高频振荡 电路所需要的环境温度，r t 是热敏电阻，用来探测环境温度。r 4 接q 2 的基极， r t 接q 1 的基极。当环境温度低于设置温度时，电桥不平衡，驱动三极管工作， 电热丝发热，环境温度提高，同理，当环境温度与设置温度相同时，桥电路处于 平衡状态，q 2 停止工作，发热线圈的工作电流为零，停止加热。r 5 和r 6 是保护 电阻，防止通过发热线圈的电流过大，烧断发热丝。 2 2 半导体二极管激光 相对于无极激励而言，半导体二极管激励最大的优点在与对它的电路可以适 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 用于不同中心波长的二极管，也就是说，如果需要其他的波长的激励光源，只需 要换一个波长对应半导体激光管，再依据二极管的工作要求调节电路，就可以得 到合适的注入电流和工作温度，而不需要过多的改动电路。 半导体激光二极管是以直接带隙半导体材料构成的p n 结或p i n 结为工作物 质的一种小型化激光器。是6 0 年代发展起来的一种新型光源。具有单色性好， 方向性好，体积较小，工作电源电压比较低和使用方便等优点。 半导体激光二极管是通过p n 结电流注入泵浦的方式实现受激发射的半导体 器件，其内部包括两个主要组成器件，分别是激光二极管( l a s e rd i o d e ，简称 l d ) 和光电二极管( p h o t od i o d e ，简称p d ) ，两个管的一端相连形成公共端。 公共端一般和管子的金属外壳相连，所以半导体激光二极管实际上有三个脚a 、 b 、c 7 1 。 图2 - 5 给出的是激光器的一种典型封装，也就是 本论文稳流电路中所用到的结构。激光二极管本质 是一个半导体二极管，在p n 结上施加正向偏置电压，毫 则有电流流过p n 结，驱动管子工作。激光二极管有 一个电流阈值，当工作电流低于此阈值，激光二极管 的辐射很弱，而且是非相干的。当工作电流超过图2 5 激光二极管 了电流阈值，l d 管就发出激光。其光输出功率随着驱动电流的增大而增大。 半导体激光二极管( l d ) 在原子分子波谱学，高分辨光谱学，量子计量学， 光纤通信，激光制冷实验，量子频率标准等一系列基础研究和高科技产品开发方 面已经得到了广泛的应用。激光二极管的输出波长主要由其掺杂浓度、注入电流 和工作温度决定，一般通过改变激光二极管的工作温度来微调其输出光的波长， 其变化规律大致为0 3nm ；同时，激光二极管的温度对其工作的电流阈值 有很大的影响，然而，半导体激光二极管的工作温度对其工作特性有较大的影响， 工作温度的变化，将使得激光二极管输出波长发生漂移，通常为( 3 0 4 0 ) g h z k ， 并且可能引起跳模。另外，温度的变化将导致其阈值电流增大，输出功率减少， 严重时甚至损坏器件。因而需要稳定半导体激光二极管的工作温度哺1 。 2 2 1 激光二极管的稳流控制 为半导体激光二极管提供注入电流的电流控制电路，需要具有很高的电流稳 9 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 定度、能提供一定范围内连续可调的工作电流和接近从零开始起调的精密可调 性；此外，还应能够抑制、消除瞬间浪涌冲击对激光管的损伤。电路通过采用高 精度可调节基准电压设置注入电流工作点，并与半导体激光二极管的注入电流回 路上的取样反馈电压相比较，来实现注入电流的稳定。 注入电流控制电路如下： 图2 - 6 ：半导体激光二极管注入电流控制电路1 这部分电路电流控制电路的一部分，是l d 电流工作点的设置、调节、及稳 定控制部分。v d d 接+ 7 v ，b 点与图2 7 中的b 点相连，给半导体激光二极管供电， 放大器u 1 、u 2 、u 3 、u 4 、u 5 及其精密线绕多圈电位器r 1 、r 2 、r 3 、r 4 组 成电流的粗调、细调和精调电路，它们作用是调节电流工作点，由上图可知，调 节r 1 可实现电流的粗调，调节r 2 及r 3 可实现电流的精细调节。这三个电流调 节电阻共同实现电流的精密可调性，并一起输入到运算放大器u 5 中，电压跟随 器u 4 和二极管d 1 是最小限制电流控制元件，当u 5 的输出小于u 4 输出时，d 1 导通，相反，当u 5 的输出大于u 4 输出时，d l 截止，使整体的输出不会低于u 4 的输出，调节r 8 可以改变这个最小限定值。u 6 是0 p 一0 7 ，它的输出电压驱动场 1 0 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 效应管q 1 ，由此给半导体激光二极管供电。同时它还有缓升效果，可以保护半 导体激光二极管。q 1 的漏极输出是流经半导体激光二极管的电流信号的反馈， 经取样放大后反馈给u 6 ，以实现半导体激光二极管工作电流的稳定。 图2 - 7 ：半导体激光二极管注入电流控制电路2 这部分电路是l d 电流控制的基准电压源、慢启动及保护部分，b 点接是上 图中q 1 的源极。高精度基准电压i c 块l m 3 9 9 及其外围电路为电流控制部分提供 + 7 v 电压，自恒温电压基准l m 3 9 9 i c 块，其稳定电压典型值为6 9 5 v 、动态电阻 典型值o 5q 、l m 3 9 9 温度系数 焱j ，一i ，誊ii ；一i 。? j ，? 萋l 攀遴麟囊一- i 。i 誉萋鬻滋蘩ji 荔；戮滋荔瀛i 囊鬃豢囊蕤囊繁添葱豢i - 一一。i 。 戮麟嚣漾鬻溪缀缀缓麟瑟瑟藜甏缫黎鬻 藤缀蘸添黍瓣繁鬻蘩缀溯缀鬻鬟霪縻；囊溪蘩瀚 翥鬻笺攀囊! j 。篙i 爹荔譬i 辫多露鬻獭鬻隧纛藕i 鬻鬻溺 4 8 05 2 05 6 0 6 0 0 t ( ) 5 1 热敏电阻定标图 系列1 为第一次测试数据，系列2 为第二次测试数据 阿 i 兰丕到! i 由以上数据可知，该热敏电阻的分辨率和敏感度都比较好，但是重复相对较 差，由于这个温控电路的要求不太高，这个热敏电阻基本可以胜任。 调试电路时，首先调节r 4 ，使发热线圈电流在1 0 a 左右，以较快的速度给 原子泡加热，达到所需温度后，调节r 4 ，减小发热线圈电流，使温度不再上升， 所以称r 4 为预设温度电阻。以下数据是调节好预设温度后无极激励的温控电路 时间( t 卜温度数据，每分钟记录一次，共9 6 分钟，加热时间近6 6 分钟，后 面三十个数据是它的稳定性测试，由于本实验的样品原子是铷原子，据测试，铷 原子在9 4 时起振效果最好，故本实验中，将环境温度设置为9 4 。测试数据 如下 表5 2 无极激励温控电路温度数据表( 每分钟记录一次) 2 6 6 3 3 0 3 7 5 4 1 8 4 4 9 4 7 4 4 9 7 5 2 0 5 4 1 5 6 0 5 7 6 5 9 2 6 0 6 6 2 0 6 3 2 6 4 5 6 5 6 6 6 8 6 8 0 7 0 3 7 1 5 7 2 5 7 3 5 7 4 3 7 5 2 7 6 0 7 6 7 7 7 5 7 8 7 7 9 3 8 0 0 8 0 7 8 1 5 8 2 2 8 2 8 8 3 4 2 6 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 8 3 9 8 4 5 8 5 1 8 5 6 8 6 2 8 6 7 8 7 3 8 7 8 8 8 2 8 8 6 8 9 1 8 9 4 8 9 8 9 0 2 9 0 5 9 0 8 9 1 2 9 1 6 9 1 9 9 2 2 9 2 5 9 2 8 9 3 0 9 3 2 9 3 4 9 3 5 9 3 6o c9 3 6 9 3 7 9 3 8 9 3 9 9 3 9 9 4 0 9 4 1 9 4 1 9 4 2 9 4 2 9 4 2 9 4 1 9 4 0 9 4 1 9 4 2 9 4 3 9 4 4 9 4 3 9 4 3 9 4 1 9 4 1 9 4 1 9 3 9 9 3 9 9 4 1 9 4 2 9 4 0 9 3 9 9 4 0 9 4 1 9 4 2 ， 9 4 3 9 4 2 9 4 2 9 4 1 r 1 0 0 0 扣一 卜9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 时间韫度图 廖劂7 弼瓣移孺c 了弼- 刃缪砀甲j 霸弼黝掰甥 一 ，穰 爹锈 荔 器 凑 l ：霭 f j 锡 矿，霪 钐， ， ，j ， 秀 良囔 ； 囊 p“ 留i i f 。i ；。n 。；i 。u 矗。矗。，矗纭f f 乱蕾舀i 幺。台i 。：。“誊 161 11 62 12 63 13 6 , t l t 65 15 66 16 6 。r 1 。7 68 18 69 19 6 t ( m ) 图5 - 2 无极激励温度( t ) 一时间( t ) 曲线图 总结：由上面的数据可知，在温度达到9 4 。c 后的三十分钟内，温度在9 3 9 一9 4 4 。c 之间，说明这个温控电路可以将温度控制在9 4 。c 左右，稳定度也可 以满足实验的要求。 铷原子的无极放电谱灯实物图如下 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 豳 图5 3 无极激励物理结构图 铷原子无极放电谱灯在温度达到9 4 。c ，同时加上高频激励后发出激励光， 此时的温控电路电压为2 0 0 v ，电流为1 9 0 m a ，高频激励电路的电压为2 7 0 v ， 电流为1 9 0 m a ，发光时的谱灯如下图： 图5 - 4 发光时的无极放电谱灯 此时，用光栅光谱仪扫描出光谱图如下，谱线波长分别为7 8 0 1 n m 和 7 9 4 2 n m ，由光谱图可以看出，无极激励的光谱的频谱比较窄。 麓 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 5 2 半导体二极管激光的结果及分析 5 2 1 半导体激光二极管的电流测试 用半导体激光二极管最大的优点就在于它的电路是可调的，即在不改动电路 的情况下，只需要换一个激光管，再调节电路就能得到实验所需要的激励光源， 为了实现电路对不同的激光管都适用，首先在电流上实现注入电流上实现了可 调，能在不同的电流工作点上稳定。在电路设计中，加入了三个电流设置调节部 分：粗调、细调、精细调。以期激光管的工作电流和预设工作点尽可能的接近。 同时在电路中有负反馈设计，提高了电路的稳定性。安装半导体激光二极管实际 测量工作电流，根据激光管工作电流的要求，在不超过最大限流值的前提下，通 过调节参考基准电压，设置任意两个工作点进行电流的稳定性测量。用台式数字 万用表读出取样时刻的电流值i ，用秒表计时，时间用t 表示。 一、 设置电流工作点1 为3 0 m h ，测量方式分为短稳测量和长稳测量两种。 ( 一) 短稳测量：每隔5 秒记录一次电流值，总测量时间持续约3 分钟，测 量结果见表5 - 3 ( a ) 和图5 6 ( a ) 表5 3 a ，l d 电流工作1 短稳测量数据表 3 0 0 0 2 3 0 0 0 4 3 0 0 0 63 0 0 0 43 0 0 0 43 0 0 0 43 0 0 0 53 0 0 0 6 3 0 0 0 4 3 0 0 0 63 0 0 0 43 0 0 0 33 0 0 0 23 0 0 0 23 0 0 0 13 0 0 0 0 3 0 0 0 02 9 9 9 92 9 9 9 9 3 0 0 0 13 0 0 0 23 0 0 0 1 3 0 0 0 2 3 0 0 0 2 3 0 0 0 13 0 0 0 13 0 o o l3 0 0 0 03 0 0 0 13 0 0 0 23 0 0 0 23 0 0 0 1 华南师范大学2 0 0 8 年硕士研究生学位论文 毛 h 3 0 3 0 0 3 0 1 0 0 2 9 9 0 0 2 9 7 0 0 2 9 5 0 0 2 9 3 0 0 t - i 图( 短) 一+ 一 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