串行總線在激光穩(wěn)頻中的應用

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，被廣泛應用于精密激光光譜和精密計量等諸多研究領域。頻率穩(wěn)定度極高的激光器已在計量研究領域提供長度基準和時間頻率標準。

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

實現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定性的提高，通?？梢赃x取一個頻率參考標準，通過激光頻率與頻率參考標準進行比較，得到激光頻率偏離頻率參考標準的誤差信號，通過伺服控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(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準上，從而獲得頻率穩(wěn)定的激光。

常用的穩(wěn)頻頻率參考標準主要有兩類: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準;另一類以光學諧振腔的共振頻率作為頻率參考標準。

在以原子或分子躍遷譜線中心頻率作為參考頻率標準方法中，早期有分子飽和吸收穩(wěn)頻，它以分子飽和吸收氣體的強吸收峰所對應的頻率作為參考頻率標準實現(xiàn)穩(wěn)頻。

隨著激光冷卻技術的發(fā)展和應用，國際上許多小組在進行冷原子、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，因此需要超窄線寬的激光作為探測光。而采用PDH技術的穩(wěn)頻激光器能得到寬度在Hz或mHz量級的譜線，己成為冷原子精密光譜和光鐘研究中關鍵的光源。

在以原子或分子躍遷譜線中心頻率作為參考頻率標準方法中，早期有分子飽和吸收穩(wěn)頻，它以分子飽和吸收氣體的強吸收峰所對應的頻率作為參考頻率標準實現(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相比擬的頻率穩(wěn)定度。對于分子飽和吸收穩(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)制實現(xiàn)的頻率調(diào)制光外差光譜(FM光潛)。該技術使調(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，運用光外差相敏檢測得到樣品的吸收型和色散型信號，并作為鑒頻信號用于鎖定激光頻率。但由于分子吸收譜線的多普勒展寬效應，仍然限制了穩(wěn)頻精度的進一步提高。隨著飽和吸收等無多普勒展寬光譜學的發(fā)展，實現(xiàn)了對分子超精細結(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，被廣泛應用于精密激光光譜和精密計量等諸多研究領域。頻率穩(wěn)定度極高的激光器已在計量研究領域提供長度基準和時間頻率標準。

如何有效的監(jiān)測激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中的各項參數(shù)，用什么方式讓嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)與計算機通信，并提供友好的人機界面，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 單片機系統(tǒng)（穩(wěn)頻系統(tǒng)）實現(xiàn)的功能

（由單片機控制）需要向上位機發(fā)送如下信息：

1、頻率是否穩(wěn)定（真或假）

2、當前的參數(shù)設置內(nèi)容（包括PID的比例系數(shù)值、積分時間常數(shù)值、微分常數(shù)值）

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

1.3.2 上位機系統(tǒng)實現(xiàn)功能如下

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

1、開始或停止穩(wěn)頻

2、設置參數(shù)（包括PID的比例系數(shù)值、積分時間常數(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)硬件設計

2.1 系統(tǒng)可行性分析

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