實(shi)驗名稱(cheng)：基于(yu)伺服系統的激光控制研究

　　測(ce)試目的(de)：全(quan)(quan)固(gu)態(tai)(tai)(tai)(tai)單頻激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)噪聲低(di)、相(xiang)(xiang)干性好，是產生連(lian)續(xu)變(bian)量(liang)(liang)(liang)量(liang)(liang)(liang)子壓(ya)縮態(tai)(tai)(tai)(tai)光(guang)(guang)(guang)場(chang)的(de)必(bi)備(bei)激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源。在制備(bei)壓(ya)縮態(tai)(tai)(tai)(tai)光(guang)(guang)(guang)場(chang)的(de)過程中需要使用高精度(du)的(de)光(guang)(guang)(guang)學相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)鎖定(ding)技術，它不但可(ke)(ke)以(yi)實(shi)(shi)現對(dui)光(guang)(guang)(guang)學系(xi)統(tong)(tong)的(de)高精度(du)調節和穩定(ding)，從(cong)而(er)保證壓(ya)縮態(tai)(tai)(tai)(tai)光(guang)(guang)(guang)場(chang)的(de)制備(bei)精度(du)和穩定(ding)性。而(er)且，相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)鎖定(ding)技術可(ke)(ke)以(yi)對(dui)光(guang)(guang)(guang)學系(xi)統(tong)(tong)進行(xing)實(shi)(shi)時(shi)調節和控制，從(cong)而(er)實(shi)(shi)現對(dui)壓(ya)縮態(tai)(tai)(tai)(tai)光(guang)(guang)(guang)場(chang)壓(ya)縮角和測(ce)量(liang)(liang)(liang)分量(liang)(liang)(liang)的(de)實(shi)(shi)時(shi)調控和優(you)化。因此，研(yan)究相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)鎖定(ding)技術具有重要的(de)理論(lun)研(yan)究價值，并且可(ke)(ke)以(yi)以(yi)其(qi)為參(can)考(kao)，將鎖定(ding)理論(lun)拓(tuo)展(zhan)到頻率鎖定(ding)、功(gong)率鎖定(ding)等相(xiang)(xiang)關(guan)的(de)鎖定(ding)技術之中。以(yi)1064nm全(quan)(quan)固(gu)態(tai)(tai)(tai)(tai)單頻連(lian)續(xu)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)為光(guang)(guang)(guang)源，通過對(dui)激(ji)光(guang)(guang)(guang)分束后產生的(de)兩(liang)光(guang)(guang)(guang)束的(de)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)差進行(xing)0、π/2、π的(de)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)鎖定(ding)，提高兩(liang)光(guang)(guang)(guang)束相(xiang)(xiang)對(dui)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)的(de)長期(qi)穩定(ding)性。基于(yu)伺服系(xi)統(tong)(tong)的(de)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)鎖定(ding)技術可(ke)(ke)進一步推廣至連(lian)續(xu)變(bian)量(liang)(liang)(liang)量(liang)(liang)(liang)子壓(ya)縮態(tai)(tai)(tai)(tai)光(guang)(guang)(guang)場(chang)的(de)制備(bei)工(gong)作中。

　　測試設備：電壓放(fang)大(da)器(qi)、示波器(qi)、光(guang)電探(tan)測器(qi)等。

　　實驗過程：

　　搭(da)建嵌入式伺服反饋控制系統，利用自行(xing)研制的808nm半導(dao)體二(er)極管(guan)為泵浦源的輸出功率(lv)10W，輸出波(bo)長1064nm的全固態單(dan)頻連續波(bo)激光器搭(da)建了相(xiang)位鎖定(ding)實驗裝置。激光器的諧振(zhen)腔結構如(ru)圖(tu)1所示。

　　圖(tu)1：1064nm激光(guang)器諧振腔(qiang)內原理圖(tu)

　　該諧振腔(qiang)腔(qiang)長為(wei)676.7mm。從左側入射(she)的即為(wei)808nm泵浦光(guang)，在經過f1與f2兩塊(kuai)焦距分別(bie)為(wei)30mm與80mm的凸(tu)透鏡整形(xing)后，透過曲率半徑為(wei)1500mm的凸(tu)面腔(qiang)鏡M1，即可在Nd：YVO4晶(jing)體內部聚(ju)焦光(guang)斑。Nd：YVO4晶(jing)體是一(yi)種自然(ran)雙折射(she)晶(jing)體，其(qi)吸(xi)收(shou)系數(shu)高，受激發射(she)截面大(da)，吸(xi)收(shou)帶寬，吸(xi)收(shou)峰約808nm，吸(xi)收(shou)系數(shu)比另一(yi)種常用晶(jing)體Nd：YAG大(da)四倍(bei)，可以(yi)穩定釋放(fang)出1064nm的熒光(guang)譜(pu)線，所以(yi)常用其(qi)作為(wei)1064nm激光(guang)器的工作物質。

　　1064nm激光(guang)(guang)從激光(guang)(guang)器(qi)(qi)中輸出后(hou)由一(yi)(yi)(yi)個偏振片和(he)一(yi)(yi)(yi)個偏振分(fen)光(guang)(guang)棱鏡(jing)PBS將(jiang)激光(guang)(guang)分(fen)成兩束。其中一(yi)(yi)(yi)束激光(guang)(guang)經(jing)過一(yi)(yi)(yi)個1064nm的高(gao)反(fan)鏡(jing)與(yu)另(ling)一(yi)(yi)(yi)束經(jing)過一(yi)(yi)(yi)個粘連壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)的1064nm高(gao)反(fan)鏡(jing)的激光(guang)(guang)在50%透(tou)射50%反(fan)射鏡(jing)上(shang)(shang)耦合產生(sheng)干涉，再經(jing)過一(yi)(yi)(yi)個聚焦透(tou)鏡(jing)聚焦后(hou)，注入(ru)到(dao)探(tan)測器(qi)(qi)當中，探(tan)測器(qi)(qi)采集到(dao)干涉信(xin)(xin)號(hao)后(hou)分(fen)為兩路，一(yi)(yi)(yi)路信(xin)(xin)號(hao)輸入(ru)到(dao)示(shi)波器(qi)(qi)用(yong)于觀測，另(ling)一(yi)(yi)(yi)路信(xin)(xin)號(hao)連接到(dao)MCU的輸入(ru)模(mo)塊(kuai)，經(jing)過處理(li)程序計算后(hou)，由輸出模(mo)塊(kuai)輸出反(fan)饋信(xin)(xin)號(hao)，并經(jing)電(dian)壓(ya)(ya)放大(da)器(qi)(qi)放大(da)后(hou)作用(yong)到(dao)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)上(shang)(shang)，通(tong)過壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)的伸(shen)縮改變光(guang)(guang)程，從而(er)實現兩束光(guang)(guang)的相對相位鎖(suo)定。鎖(suo)定實驗(yan)結構圖(tu)如圖(tu)2所(suo)示(shi)。

　　圖2：相位鎖定實驗結(jie)構圖

　　根據伺服反饋控制邏(luo)(luo)輯，我們以如圖3所示的(de)邏(luo)(luo)輯，將(jiang)相位(wei)鎖定(ding)系統布置在了運行速率為(wei)33M的(de)MCU之上。其中，被控對象即是1064nm激光(guang)(guang)的(de)干涉系統，控制器(qi)(qi)則(ze)是我們開發(fa)的(de)基于MCU的(de)伺服反饋控制系統，傳感器(qi)(qi)為(wei)我們自行設(she)計的(de)光(guang)(guang)電探測器(qi)(qi)，通過光(guang)(guang)電二極管將(jiang)接收到的(de)光(guang)(guang)信號轉(zhuan)變為(wei)電信號，并傳遞到MCU中。

　　圖3：實驗中搭建的伺服反饋控制邏(luo)輯

　　實驗結果：

　　圖(tu)4：干(gan)涉掃描信號示(shi)波(bo)器(qi)波(bo)形圖(tu)

　　通過(guo)調整偏振片使兩束光在50%透(tou)射(she)50%反射(she)鏡處(chu)發(fa)生(sheng)(sheng)干涉(she)(she)后，使用三角(jiao)(jiao)波(bo)對壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)進行(xing)掃(sao)描(miao)(miao)，采集到的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)圖像如(ru)圖4所示，藍(lan)色圖線為輸入(ru)(ru)的(de)(de)(de)(de)三角(jiao)(jiao)波(bo)掃(sao)描(miao)(miao)信(xin)(xin)號(hao)，而紅色的(de)(de)(de)(de)圖線為在三角(jiao)(jiao)波(bo)信(xin)(xin)號(hao)掃(sao)描(miao)(miao)下的(de)(de)(de)(de)干涉(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)光強(qiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)值變(bian)化(hua)。可(ke)以看(kan)到干涉(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)光強(qiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)值在掃(sao)描(miao)(miao)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)作用下，呈現(xian)周期性的(de)(de)(de)(de)上下波(bo)動(dong)。波(bo)峰處(chu)即(ji)為發(fa)生(sheng)(sheng)干涉(she)(she)相(xiang)長時的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)幅(fu)度(du)，波(bo)谷處(chu)即(ji)為發(fa)生(sheng)(sheng)干涉(she)(she)相(xiang)消時的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)幅(fu)度(du)。將示波(bo)器上的(de)(de)(de)(de)光強(qiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)值輸入(ru)(ru)到控(kong)(kong)制系(xi)統(tong)中，再由控(kong)(kong)制系(xi)統(tong)進行(xing)反饋，利用壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)對干涉(she)(she)系(xi)統(tong)中兩束光的(de)(de)(de)(de)其中一(yi)(yi)束的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位(wei)進行(xing)反饋控(kong)(kong)制，最終可(ke)實(shi)現(xian)將光強(qiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)控(kong)(kong)制在一(yi)(yi)個固(gu)定值，即(ji)兩束光的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位(wei)差保(bao)持固(gu)定，實(shi)現(xian)相(xiang)位(wei)鎖定。

　　實驗(yan)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)(jiang)比例參數設定(ding)(ding)為0.2，計(ji)算所經過(guo)的(de)(de)時鐘周(zhou)期數設定(ding)(ding)為10，而(er)采(cai)集間(jian)隔延時設置(zhi)為50個指令周(zhou)期，分別將(jiang)(jiang)干涉信號鎖定(ding)(ding)在最(zui)(zui)(zui)小值、最(zui)(zui)(zui)大值以及中(zhong)間(jian)固定(ding)(ding)值（對(dui)應相位差(cha)(cha)為0、π、π/2）的(de)(de)結果如圖5、6、7所示(shi)。鎖定(ding)(ding)在最(zui)(zui)(zui)小值的(de)(de)波(bo)動(dong)為干涉相位峰(feng)峰(feng)值差(cha)(cha)值的(de)(de)2.12%、鎖定(ding)(ding)最(zui)(zui)(zui)大值的(de)(de)穩定(ding)(ding)性(xing)波(bo)動(dong)為峰(feng)峰(feng)值差(cha)(cha)值的(de)(de)1.76%，鎖定(ding)(ding)中(zhong)間(jian)固定(ding)(ding)值的(de)(de)穩定(ding)(ding)性(xing)波(bo)動(dong)為峰(feng)峰(feng)值差(cha)(cha)值的(de)(de)2.35%，滿足相位鎖定(ding)(ding)的(de)(de)要求。

　　圖5：相位鎖定(ding)最小值(zhi)結果(guo)圖

　　圖(tu)6：相位鎖(suo)定最大值(zhi)示(shi)意(yi)圖(tu)

　　圖(tu)7：相位鎖定(ding)平(ping)均值（中間固(gu)定(ding)值）結果圖(tu)

　　電(dian)壓放大器推(tui)薦：ATA-2082

　　圖：ATA-2082高壓放大器指標參數

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