【原子光电离激光系统分析5600字】

原子光电离激光系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u5898原子光电离激光系统分析 199541.1原子光电离物理基础 1227431.2原子光电离激光器设计 2324961.1.1原子光电离激光器结构选型 3305721.1.2原子光电离激光器关键技术 4126861.3Littrow体制激光器精密控温 7114111.3.1激光器控温系统研究现状 7170781.3.2外腔半导体激光器高精度控温设计 782961.4小结 14离子体系的温度特征直接影响着离子体系的囚禁时间和钟跃迁谱线的测量精度。激光冷却技术基于激光和离子的相互作用，减速离子运动并使其温度降低。原子光电离是激光冷却首要步骤，设计高光束质量激光器可以提高原子电离效率。1.1原子光电离物理基础星载离子钟研制过程中，需将镱原子制备成离子。目前，制备离子成熟技术有两种：1）电子碰撞电离。2）光电离。电子碰撞电离原理如图2-1所示：一个高速运动的电子入射到原子上，撞击掉原子束缚态上的一个电子使其成为带有正电荷的离子，称为电子碰撞原子电离过程即（e，2e反应）[25]。图2-1电子碰撞电离原理图光电离原理如图2-2所示：原子吸收接近或大于原子中电子能量的光子时会使电子脱离原子的束缚成为离子即光电离[26]。图2-2光电离原理图与电子碰撞电离相比光电离优势：（1）产生少量电子，降低电子附着在阱电极上而形成接触电势，降低离子的微运动；（2）和电子枪电离相比提高电离效率高[24]。采取光电离镱原子方法时，当原子能级Ek>Ei，对于单原子吸收光谱单位时间跃迁概率Pik有[27,28]： （2-1）为爱因斯坦系数，为吸收频率处辐射能量密度。又由于原子在Ei和Ek两能级之间发生跃迁时，吸收或辐射光谱线从来不是严格单色的，优化原子辐射谱线线宽可以提高原子跃迁速率进而可以提高光电离效率。原子辐射谱线线宽与能级寿命之间关系为： （2-2）式中τ为能级平均寿命，镱原子从基态4f146s21S0态激发至4f146s6p1P1的爱因斯坦系数为1.92×108，即谱线宽度约为30MHz。粒子吸收能量E后处于能量为Ek能级的概率为： （2-3）式中E0=Ek－Ei，为能级宽度。由式（2-3）观察出光谱能量E吸收概率与成反比。得出结论为，为保证镱原子具有长期稳定高电离效率，399nm激光器输出激光具有线宽较宽、高光功率等特点。1.2原子光电离激光器设计常用原子二级阈上光电离典型激光器有固体激光器、染料激光器、半导体激光器等，半导体激光器具有结构简单、可调谐范围大、光电转换效率高、边模抑制比高等优点。半导体激光器又分为DBR、DFB、VCSEL、ECDL四种。DBR、DFB、VCSEL激光器主要应用于可见光领域。本课题采用ECDL研制399nm激光器，重点分析两种常用ECDL典型结构及其调试原理。1.1.1原子光电离激光器结构选型ECDL结构外腔半导体激光器由前表面镀增透膜、后表面镀高反膜的半导体激光二极管、准直透镜以及闪耀光栅构成。其光栅结构一般可分为两种：Littrow结构与Littman结构。Littrow结构中，如图2-3(a)所示，激光二极管产生光源为发散型光束，在激光二极管出光孔前面放置准直透镜对发散型光斑进行准直，经准直透镜准直后的平行光束入射至闪耀光栅上。由于闪耀光栅的刻槽面和光栅平面不平行且两者之间有一定夹角，其会将衍射的一部分光能量由没有色散的零级转移到所需的级次上，进而使一级衍射光沿原路返回激光二极管中振荡，实现线宽压窄和边模抑制的效果，零级衍射光作为输出光。改变闪耀光栅的旋转角度可以调节有源区输出光束的波长，从而实现激光二极管输出波长的调谐。Littman结构和Littrow结构相比，区别在于Littman结构通过增加反射镜来延长激光器的谐振腔，进一步压窄激光器的线宽。Littman机械结构如图2-3(b)所示，工作原理为，激光二极管发出经准直透镜准直后的平行光束入射到闪耀光栅后，先入射至反射镜上，反射镜反射回光再经过闪耀光栅进行二次衍射，形成二级衍射光后返回有源区进行振荡，过程中零级衍射光作为输出光。Littman结构的调谐是由转动反射镜完成。（a）Littrow结构（b）Littman结构图2-3littrow和littman半导体激光器示意图Littman机械结构输出光特点：1.和Littrow机械结构相比，Littman机械结构具有腔长更长的谐振腔，输出光线宽压窄效果更显著。1.和Littrow机械结构相比，Littman机械结构避免因调谐激光输出频率而引起输出光路改变造成的激光质量变化。Littrow机械结构输出光特点：1.和Littman机械结构相比，Littrow机械结构谐振腔较短，输出光功率损失较小，输出光功率较高。1.和Littman机械结构相比，Littrow机械结构简单，便于稳定和控制，输出光功率稳定性较高，有利于提高光电离的稳定性。用于镱原子阈上电离激光器选用Littrow型外腔半导体激光器既可以满足激光对线宽的要求，也可以满足对输出光功率及稳定性的要求。1.1.2原子光电离激光器关键技术为保证镱原子长期具有高电离效率，399nm激光器输出光束质量具有长期稳定性。影响光束稳定性因素有：（1）激光器机械结构；（2）激光器驱动电路；（3）激光器温控电路。本节从以下三方面简要分析。（1）高稳定外腔半导体激光器机械结构Littrow结构镱原子阈上电离外腔半导体激光器结构设计如图2-4所示，由激光二极管、准直透镜、闪耀光栅等器件协同组成。激光器工作原理为：驱动电路通过接线口向激光二极管提供恒流信号源，激光二极管出射的是椭圆发散形光束，准直透镜安装于激光二极管前端位置，并且它与激光二极管输出光光轴、中心轴重合，保证闪耀光栅的衍射光束与激光二极管有源区具有高耦合效率。为提高激光器光束质量，准直透镜、闪耀光栅设置宽量程、高精度调节装置。激光器底座安装TEC制冷片，实现激光器高精度控温。图2-4激光器设计原理图399nm激光器机械结构如图2-5所示，光束调节装置由以下几部分组成：准直透镜、压电陶瓷PZT、水平与垂直螺钉、反射镜等。当激光器驱动电路给激光二极管供电后，激光二极管发出椭圆形光束，准直透镜安装在激光二极管前对光束进行准直，准直透镜可上下、左右、前后六维精密调节，保证激光水平输出。闪耀光栅实现激光线宽压窄及边模抑制，闪耀光栅位置精密调节通过压电陶瓷PZT、水平、垂直螺钉实现。压电陶瓷PZT用于光栅角度及腔长精密调节，腔长调节在um量级；光栅水平、垂直调节螺钉，用于粗调腔长，调节精度在mm量级。闪耀光栅固定在光栅安装架上，压电陶瓷安装在光栅安装架后，压电陶瓷大小形状变化可以带动光栅转动，进而使光栅角度发生改变，从而实现调节激光频率的目的。准直透镜、压电陶瓷PZT、水平与垂直螺钉、反射镜位置均影响光束性能，为确保光束质量稳定性，激光器调节装置均具有一定抗环境干扰能力。图2-5399nm外腔半导体机械结构（2）高稳定激光器恒流驱动电路图2-6半导体激光器P-I特性曲线半导体激光器P-I特性曲线如图2-6所示，激光器光功率P0随着注入电流IF的变化而变化，为降低电流变化对输出光功率的影响，需设计高稳定精度恒流驱动电路。（3）高稳定激光器温控电路温度变化对激光器影响主要有以下几个方面：1）激光二极管温度升高时会使禁带宽度变窄；2）激光二极管温度改变会使谐振腔的几何尺寸改变；3）激光二极管温度改变时会使载流子浓度改变，进而导致有源区的折射率发生变化。因此温度变化会使激光器输出光功率与光频率产生偏移。为降低温度变化引起的激光器性能改变，需对激光器进行高精度恒温控制。1.3Littrow体制激光器精密控温激光器机械结构、激光器驱动电流、激光器温度变化均会影响激光器输出光功率改变。激光器机械结构受自身材料性能影响，激光器恒流驱动电路研究技术比较成熟且具有普适性，激光器精密控温是限制激光器输出光功率稳定性重要因素。1.3.1激光器控温系统研究现状目前，美国ILXLightwave、WavelengthElectronics、德国ALPHALAS等激光器驱动设备制造公司的温控系统24小时控温精度均优于3mK。但由于其温控系统被控件覆盖范围广、热电制冷器（TEC）与热敏电阻（NTC）型号均不相同，使其在特定数学模型下整定的PID参数难以具有普适性。基于此，国内外科研人员对激光二极管温控电路进行研究。max1978作为专门用于TEC模块控制的温度控制微芯片，具有控温精度高、外围电路简单、低纹波、低噪声等特性[29]。华中科技大学贺驰光、电子科技大学阙晏、中北大学曹延昌等学者利用max1978芯片设计激光二极管温控电路[30~32]，其中中北大学设计的温控电路控温性能最好，控温精度最高可达4mK。本文基于Ⅲ型补偿网络[33]利用max1978芯片设计激光二极管温控电路，建立温控电路传递函数数学模型，通过补偿NTC/TEC极点频率引起的相移、增加温控系统的相位裕量的方法来优化Ⅲ型补偿网络参数，使温控电路在环境温度5～40oC范围内长期控温精度优于3mK。1.3.2外腔半导体激光器高精度控温设计（1）外腔半导体激光器温度控制原理外腔半导体激光器温度控制原理如图2-7：H桥电路将控温器件设定温度与NTC感应的控温器件工作温度转化为电压信号，并传送到增益为50倍的差分放大电路中。差分放大电路将当前温度电压信号与设定点温度电压进行对比，产生一个电压差。Ⅲ型补偿网络根据偏差电压对TEC、NTC引起的相位延迟进行补偿。同时补偿网络输出信号输送给PWM控制器，使其驱动H桥电路控制TEC电流特性，最终使控温器件温度趋于设定温度。图2-7温控原理图（2）外腔半导体激光器恒温控制电路设计恒温控制电路由H桥温度传感电路，Ⅲ型补偿网络，TEC显示电路，高、低温报警电路，TEC限流电路五部分组成。H桥温度传感电路如图2-8所示，利用滑动变阻器设定温度，利用热敏电阻实时检测TEC温度，温度设定值、监测温度转化为电压后通过FB+、FB-引脚输入。图2-8H桥温度传感电路图2-9Ⅲ型补偿网络高低温报警电路实现的功能是当设定温度与TEC温度温差超过1.5oC时，LED发光予以显示。TEC限流电路主要用于限定TEC最大电压与最大正、反向电流值。（3）Ⅲ型补偿网络在标准PID调节电路的基础上额外加入一个电阻R14和电容C11，这样的控制器被称为Ⅲ型补偿网络[34]，如图2-9所示。传递函数为： （2-5）其传递函数具有两个负实数零点频率、两个负实数极点频率、一个初始极点频率，其中零点频率引入相位超前、极点频率引入相位滞后[29]。优化Ⅲ型补偿网络参数可以增强网络零点频率对NTC/TEC极点频率相移的补偿效果，增加温控系统相位裕量，使系统在平稳性、响应速度和控制精度之间做折中处理，达到最优匹配。（4）激光器温控系统模型建立温控流程如图2-10所示，NTC作为温度传感器采集TEC温度，H桥电路将NTC温度与设定温度输入，通过差分放大电路后输入Ⅲ型补偿网，驱动H桥电路控制TEC电流大小与方向使TEC温度向设定温度靠近，从而逐步减小设定温度与NTC之间的温差最终使设定温度与TEC温度相同。图2-10温控流程图温控系统闭环传递函数为： （2-6）温控系统开环传递函数为： （2-7）热敏电阻温度变化对环境温度变化的传递函数： （2-8）式中，τ1=C/H，C为热敏电阻热容量；H为热敏电阻热耗散系数[35]。TEC温度变化与TEC电压变化的传递函数： （2-9）式中：，，，Q为TEC控温面在单位时间内产生的热量，U为TEC两端电压，H为热传导系数，A为TEC传热面积，C为TEC制热系数[35]。Ⅲ型补偿网络如图2-9所示，其传递函数有两个零点频率、两个极点频率，以及一个初始极点频率：初始极点频率为 （2-10）零点频率分别为 （2-11） （2-12）极点频率分别为 （2-13） （2-14）（5）实验结果优化Ⅲ型补偿网络参数，可以提高温控系统稳定性，达到最优控制目的。由NTC/TEC模型知，NTC/TEC可以描述为一个二极点系统。为避免极点频率引入相位滞后使温控系统的相位裕量不足π/8，利用Ⅲ型补偿网络的两个零点频率补偿TEC/NTC极点频率引起的相位延迟，网络的两个极点频率远离虚轴，降低多余极点频率对系统稳定性能的影响，提高系统的相对稳定性。优化方法为：首先设定补偿网络第一个零点频率不超过TEC极点频率8倍，设定补偿网络第二个零点频率低于1/3剪切频率，使系统至少有π/8的相位裕量。之后设定剪切频率处增益对应开环增益为-4dB。最后设定补偿网络第一个极点频率超过5倍的剪切频率、补偿网络第二个极点频率超过第一个极点频率二倍，降低网络极点频率对系统稳定性能的影响。文献[29]给出TEC极点频率在0.02Hz附近、热敏电阻极点频率在1Hz附近、剪切频率Fc在1.5Hz附近： (2-15) (2-16) (2-17) (2-18) (2-19)根据公式（2-15）～（2-19），其中C9=10uF、A=-4dB、Fz1=0.16Hz、Fz2=0.3Hz、Fp1=15Hz、Fp2=30Hz，得出R13=99.47kΩ、C10=0.58uF、R15=1.1MΩ、R14=22kΩ、C11=0.047uF，最终选取器件参数为：C9=10uF，C10=0.47uF，C11=0.047uF，R13=100kΩ，R14=20kΩ，R15=1MΩ。图2-11剪切频率为1.2Hz时TEC温度随时间变化曲线Ⅲ型补偿网络参数选定后，在环境温度为25oC下，设定温度电阻为5kΩ即设定温度约为43.5oC进行控温测试。TEC长期温度随时间变化如图2-11所示，系统存在温漂。主要原因由于不同型号TEC的制热系数、热传导系数不同；不同型号热敏电阻热容量、热耗散系数不同，以至于TEC极点频率、热敏电阻极点频率及剪切频率均不相同。当C10=0.47uF时，Fc=1.2Hz即实际温控系统中剪切频率Fc应该小于1.2Hz。图2-12剪切频率为1.56Hz时TEC温度随时间变化曲线设定剪切频率为Fc=1.56Hz，计算参数：C9=10uF，C10=0.68uF，C11=0.047uF，R13=100kΩ，R14=20kΩ，R15=1MΩ时，TEC长期温度随时间变化如图2-12所示，系统不存在温漂，满足温控电路应用需求。在这里图2-11、图2-12均是从室温下进行控温，但由于温度漂移是在mK量级，故图2-12截取的是控温稳定情况下温度随时间