[发明专利]自动判断并设定激光频率和功率的控制方法

摘要

本发明公开了一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法。本发明采用双激光器结构，主控单元能够根据光谱信号自动搜索并自动判断主激光器的输出频率，在自动优化主激光器的输出功率至目标功率后，将频率自动锁定到原子或分子谱线上；从激光器与主激光器的输出合束后产生拍频信号，主控单元能够自动判断主激光器和从激光器的输出频率的大小关系，从而准确且自动判断从激光器的输出频率，在自动优化从激光器的输出功率至目标功率后，利用主控单元生成锁频误差信号，在80GHz范围内实现对从激光器频率的锁定；本发明的方法可以广泛应用在激光冷却、原子频标，原子干涉仪以及激光波长计等基础研究和精密测量技术领域。

主权项

1.一种自动判断并设定激光频率和功率的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：1)预先测量得到温度对主激光器的输出频率的调节率以及电流对主激光器的输出频率的调节率，并且测量温度对从激光器的输出频率的调节率以及电流对从激光器的输出频率的调节率，将以上测量得到的已知参数存储在主控单元中；并且在主控单元中预先存储主激光器的目标频率和目标功率以及从激光器的目标频率和目标功率；2)设定扫描主激光器的温度设定值和电流设定值，以及设定扫描从激光器的温度设定值和电流设定值，为了自动判断和设定主激光器的频率，主控单元以一定频率间隔对应的温度步长设定一系列的扫描主激光器的温度设定值，在每一个温度设定值上，主控单元以更小的频率间隔对应的电流步长设定一系列的扫描主激光器的电流设定值；3)得到主激光器的第一个工作点：主控单元通过主激光器参数设定单元控制第一控温单元，主控单元产生一系列主激光器的温度设定值，从最低的温度设定值开始对主激光器进行温度扫描，并在每一个温度设定值上控制第一电流单元以更小的间隔扫描主激光器的电流设定值，同时主激光器光谱记录单元实时记录数字化后的主激光器的饱和吸收光谱信号，主控单元判断记录下来的光谱信号中是否出现激光与原子共振的饱和吸收光谱信号，当主控单元通过光谱信号中出现透射峰和透射峰对应的电流间距的比值判断出光谱信号中出现饱和吸收光谱信号并判断出透射峰对应的主激光器的输出频率后，找到与目标频率相等的输出频率，主控单元记录下主激光器的输出频率为目标频率对应的温度设定值、电流设定值以及此时主激光器的输出功率，从而得到主激光器的第一个工作点；4)主控单元比较在主激光的第一个工作点条件下，主激光器的输出频率为目标频率时，主激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的主激光器的目标功率：a)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则以第一个工作点的参数为主激光参数，主控单元通过主激光参数设定单元启动稳频单元，将主激光器的输出频率锁定在目标频率对应的光谱信号峰值处，即锁定在光谱的共振点上，完成主激光器的频率和功率的自动判断和设定，进入步骤9)；b)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，进入步骤5)；5)得到主激光器的第二个工作点：如果主激光器的输出功率小于目标功率，则增加主激光器的电流设定值；如果主激光器的输出功率大于目标功率，则减小主激光器的电流设定值，然后根据主控单元中预先存储的温度对主激光器的输出频率的调节率和电流对主激光器的输出频率的调节率计算，得到使得主激光器的输出频率不变的温度值；主控单元将主激光器的温度设定为上面的计算得到的温度值，再次扫描主激光器的电流，搜索饱和吸收光谱信号，主控单元判断出光谱信号对应的主激光器的输出频率，主控单元记录下主激光器的输出频率为目标频率对应的温度设定值、电流设定值以及此时主激光器的输出功率，从而得到主激光器的第二个工作点；6)主控单元比较在主激光器的第二个工作点条件下，主激光器的输出频率为目标频率时，主激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的主激光器的目标功率：a)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则以第二个工作点的参数为主激光参数，主控单元通过主激光参数设定单元启动稳频单元，将主激光器的输出频率锁定在目标频率对应的光谱信号峰值处，即锁定在光谱的共振点上，完成主激光器的频率和功率的自动判断和设定，进入步骤9)；b)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，进入步骤7)；7)得到主激光器的第M个工作点，M初始值为3，M为≥3的自然数，主控单元根据第(M‑1)个工作点和第(M‑2)个工作点下主激光器的输出频率为目标频率时，对应的温度设定值、电流设定值以及输出功率，计算得到主激光器的输出频率为目标频率且功率为目标功率时，对应的温度设定值和电流设定值，主控单元将主激光器的温度设定为上述计算得到的温度设定值，然后保持温度设定值不变，在主激光器的不跳模的电流的连续调谐范围扫描电流，主控单元根据记录的光谱信号判断主激光器的输出频率，主控单元记录下主激光器的输出频率为目标频率对应的温度设定值、电流设定值以及此时主激光器的输出功率，从而得到主激光器的第M个工作点；8)主控单元比较在主激光器的第M个工作点条件下，主激光器的输出频率为目标频率时，主激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的主激光器的目标功率：a)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则以第M个工作点的参数为主激光参数，主控单元通过主激光参数设定单元启动稳频单元，将主激光器的输出频率锁定在目标频率对应的光谱信号峰值处，即锁定在光谱的共振点上，完成主激光器的频率和功率的自动判断和设定，进入步骤9)；b)如果主激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，M＝M+1，返回步骤7)；9)得到从激光器的第一个工作点：主控单元通过从激光器参数设定单元控制第二控温单元，将从激光器的温度设定在一系列的从激光器的温度设定值上，并在每一个温度设定值上控制第二电流单元以更小的间隔扫描从激光器的电流设定值，同时主控单元控制拍频信号频率测量单元测量分频器的输出信号的频率，直至观察到非零的频率测量值，并得到从激光器的输出频率，主控单元记录从激光器的输出频率为目标频率时的温度设定值、电流设定值和输出功率，得到从激光器的第一个工作点；10)主控单元比较在从激光器的第一个工作点条件下，从激光器的输出频率为目标频率时，从激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的从激光器的目标功率：a)如果从激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，进入步骤11)；b)如果从激光器的输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则主控单元生成锁频误差信号，通过从激光器参数设定单元将误差信号传输至第二电流单元，实现从激光器的频率和功率的自动判断和设定；11)得到从激光器的第二个工作点：如果从激光器的输出功率小于目标功率，则增加从激光器的电流设定值；如果从激光器的输出功率大于目标功率，则减小从激光器的电流设定值，然后根据主控单元中预先存储的温度对从激光器的输出频率的调节率和电流对从激光器的输出频率的调节率计算，得到使得从激光器的输出频率不变的温度值；主控单元将从激光器的温度设定为上面的计算得到的温度值，再次扫描从激光器的电流，直至观察到非零的频率测量值，同时主控单元控制拍频信号频率测量单元测量分频器的输出信号的频率，并得到从激光器的输出频率，主控单元记录从激光器的输出频率为目标频率时的温度设定值、电流设定值和输出功率，得到从激光器的第二个工作点；12)主控单元比较在从激光器的第二个工作点条件下，从激光器的输出频率为目标频率时，从激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的从激光器的目标功率：a)如果从激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，进入步骤13)；b)如果从激光器的输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则主控单元生成锁频误差信号，通过从激光器参数设定单元将误差信号传输至第二电流单元，实现从激光器的频率和功率的自动判断和设定；13)得到从激光器的第M个工作点，M初始值为3，M为≥3的自然数，主控单元根据第(M‑1)个工作点和第(M‑2)个工作点下从激光器的输出频率为目标频率时，对应的温度设定值、电流设定值以及输出功率，计算得到从激光器的输出频率为目标频率且功率为目标功率时，对应的温度设定值和电流设定值，主控单元将从激光器的温度设定为上述计算得到的温度设定值，然后保持温度设定值不变，在计算得到的电流设定值附近扫描电流，直至观察到非零的频率测量值，同时主控单元控制拍频信号频率测量单元测量分频器的输出信号的频率，并得到从激光器的输出频率，主控单元记录从激光器的输出频率为目标频率时的温度设定值、电流设定值和输出功率，得到从激光器的第M个工作点；14)主控单元比较在从激光器的第M个工作点条件下，从激光器的输出频率为目标频率时，从激光器的输出功率与主控单元中存储的预设的从激光器的目标功率：a)如果从激光器输出功率与目标功率的差值在容错区间以外，M＝M+1，返回步骤13)；b)如果从激光器的输出功率与目标功率的差值在容错区间以内，则主控单元生成锁频误差信号，通过从激光器参数设定单元将误差信号传输至第二电流单元，实现从激光器的频率和功率的自动判断和设定。