一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置，包括：分光模块、光电探测器、模拟放大及调整电路、低通滤波器电路、PID运算电路、电流驱动电路，所述分光模块将激光发射模块输出的高功率激光分出检测光送入光电探测器产生模拟电压，经过模拟放大及调整电路、低通滤波器电路进行放大及调整、滤波处理后，在PID运算电路与输入的参考值对比求差，并进行PID运算，输出信号至电流驱动电路，产生功率前馈调整电流直接馈入激光发射模块，实现对光功率的闭环控制。本方案基本不消耗主光路激光功率，结构简单，体积小；可以有效解决功率调整带宽过低的问题。该技术可以更好地满足冷原子干涉仪在实际应用对激光器的要求。涉仪在实际应用对激光器的要求。涉仪在实际应用对激光器的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置


[0001]本专利技术涉及激光控制
，具体涉及一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置。

技术介绍

[0002]经过多年发展，近年来的研究表明，相比于传统技术，基于原子物质波的冷原子干涉仪在高精度惯性测量和重力测量等领域均体现出巨大优势，已逐渐发展出多种用于加速度测量和角速度测量的精密仪器，包括原子重力仪、原子重力梯度仪和原子陀螺等。
[0003]冷原子干涉仪利用高稳定单频激光对原子进行操控，单频激光器是冷原子干涉仪的核心组件。单频激光的长时频率及功率的稳定性直接影响冷原子干涉仪的性能指标，如何提升激光的频率及功率的稳定性也一直是各大研究机构和商业公司的重要研究目标。
[0004]目前控制激光功率的技术主要分两类。
[0005]一类是内部控制技术。该技术多用于低功率激光器。主要通过尽量控制影响激光器发光的各项因素(激光管的驱动电流、温度等)来控制激光功率。也有机构通过在激光输出后采用光电探测器(PD)检测光功率，计算当前值与目标设置值的误差，产生功率调整控制信号，再将该信号与恒流源的电流设置信号相加，使得调整信号和电流设置信号共同起作用控制激光管的驱动电流，形成闭环控制，但功率调整信号太靠前限制了电流调整带宽。
[0006]内部控制技术的优点是结构简单，不衰减激光功率。缺点是：1)单独控制激光器驱动电流和温度的方法为开环控制，无法处理激光的强度噪声，激光功率控制效果较低，只能达到1％级别；2)PD检测及调整方案无法适用于需要稳频的激光器，调整种子源电流会同时导致波长变化，无法满足冷原子干涉仪的需要；3)PD检测及调整方案将调整信号与驱动电流设置信号相加，调整信号馈入点太过靠前，限制了调整带宽。用于冷原子干涉仪的单频激光器驱动电流噪声对激光器的性能有重大的影响，电气设计时应尽量限制激光器驱动电流设置信号及后续驱动电流的带宽以降低噪声，电流调整信号馈入点太靠前将限制功率调整电流的带宽，使得该方法只能用于抑制温度变化导致的激光功率漂移，调整带宽往往只能达到10Hz级别。
[0007]另外一类是外部控制技术。该技术多用于高功率激光器。在激光主要输出路径上增加各种电调调制器，如声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)或者光衰减器(VOA)等，并使用耦合器分光产生检测光，通过光电探测器(PD)检测光功率并通过PID调整光路上调制器的衰减值，动态衰减主光路功率形成对光功率的闭环控制。该方法能实现较稳定的功率控制，已有报道的控制精度能达到0.1％级别，缺点是需要外接大量光器件，结构复杂，成本较高而且功率调整过程中需要消耗掉一部分激光功率，导致明显的功率损耗。
[0008]以上的技术现状使得单频激光器无法兼顾体积、成本、输出功率及稳定性要求，制约了冷原子干涉仪的性能提升。

技术实现思路

[0009]现有的单频激光器在冷原子重力仪等系统中应用时无法兼顾结构简单、体积小、输出功率及其稳定性要求，制约了系统在部分应用场景下性能进一步提升。为了解决此问题，本专利技术提供一种新型高功率单频激光器的功率前馈控制技术，综合传统的内部和外部控制技术的优点，结构简单，激光功率调整范围大，同时具备较高的带宽，可以更好地满足冷原子干涉仪系统实际应用的需求。
[0010]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置，包括：分光模块、光电探测器、模拟放大及调整电路、低通滤波器电路、PID运算电路、电流驱动电路，所述分光模块将激光发射模块输出的高功率激光分出检测光送入光电探测器产生模拟电压，经过模拟放大及调整电路、低通滤波器电路进行放大及调整、滤波处理后，在PID运算电路与输入的参考值对比求差，并进行PID运算，输出信号至电流驱动电路，产生功率前馈调整电流直接馈入激光发射模块，实现对光功率的闭环控制。
[0011]与传统内部控制技术将调整信号与恒流源电流设置信号直接相加不同，本专利技术实施例通过将功率调整电流馈入点后移到光放大器来解决激光功率调整带宽过低的问题。PID运算后输出的模拟调整信号经过驱动电路产生一定驱动能力的驱动电流，直接合入到激光发射模块中，提高了功率调整电流的带宽。
[0012]进一步的，所述激光发射模块包括单频激光器种子源和光放大器，种子源产生低功率种子光注入光放大器，输出高功率激光；所述电流驱动电路产生的功率前馈调整电流馈入所述光放大器。
[0013]进一步的，所述分光模块采用半波片和偏振分束棱镜的组合结构实现。
[0014]进一步的，所述光电探测器包括跨阻放大器，用于将光电探测器的输出电流转换为输出电压，所述跨阻放大器利用运算放大器构建。
[0015]进一步的，所述低通滤波器电路采用无源滤波器对光电探测器输出的模拟电压信号进行滤波。
[0016]进一步的，所述电流驱动电路包括参考调整电路和推挽式电流驱动电路；所述参考调整电路处理PID运算电路运算后的电压信号，调整参考点到后级推挽式驱动电路的驱动电源上。
[0017]进一步的，所述参考调整电路采用加法电路实现。
[0018]进一步的，所述推挽式电流驱动电路基于两个背靠背的电流源实现。
[0019]进一步的，所述推挽式电流驱动电路包括一个NMOS管和一个PMOS管；当DRV_VCC为负电压时，NMOS管的源极通过电阻R1接DRV_VCC，PMOS管的源极通过电阻R2接地；当DRV_VCC为正电压时，NMOS管的源极通过电阻R1接地，PMOS管的源极通过电阻R2接DRV_VCC。
[0020]本专利技术的有益效果是：本专利技术针对冷原子干涉仪用激光器，提出了一种新型的高功率单频激光器的功率前馈控制技术，基本不消耗主光路激光功率，结构简单，体积小；可以有效解决功率调整带宽过低的问题。该技术可以更好地满足冷原子干涉仪在实际应用对激光器的要求。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例提供的一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置结构示意
图；
[0022]图2为本专利技术实施例提供的电流驱动电路结构示意图。
[0023]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0024]1、单频激光器种子源，2、光放大器，3、分光模块，4、光电探测器，5、模拟放大及调整电路，6、低通滤波器电路，7、PID运算电路，8、电流驱动电路，9、放大管驱动恒流源，11、参考调整电路，12、推挽式电流驱动电路。
具体实施方式
[0025]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0026]在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率单频激光器的功率前馈控制装置，其特征在于，包括：分光模块、光电探测器、模拟放大及调整电路、低通滤波器电路、PID运算电路、电流驱动电路，所述分光模块将激光发射模块输出的高功率激光分出检测光送入光电探测器产生模拟电压，经过模拟放大及调整电路、低通滤波器电路进行放大及调整、滤波处理后，在PID运算电路与输入的参考值对比求差，并进行PID运算，输出信号至电流驱动电路，产生功率前馈调整电流直接馈入激光发射模块，实现对光功率的闭环控制。2.根据权利要求1所述的高功率单频激光器的功率前馈控制装置，其特征在于，所述激光发射模块包括单频激光器种子源和光放大器，种子源产生低功率种子光注入光放大器，输出高功率激光；所述电流驱动电路产生的功率前馈调整电流馈入所述光放大器。3.根据权利要求1所述的高功率单频激光器的功率前馈控制装置，其特征在于，所述分光模块采用半波片和偏振分束棱镜的组合结构实现。4.根据权利要求1所述的高功率单频激光器的功率前馈控制装置，其特征在于，所述光电探测器包括跨阻放大器，用于将光电探测器的输出电流转换为输出电压，所述跨阻放大器利用运算放...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊波涛，毛海岑，高俊，池皓，陈新文，
申请(专利权)人：华中光电技术研究所中国船舶集团有限公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：