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半导体激光器数字辅助锁定系统的设计

作　者: 李冬青
导　师: 张军海
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学工程
关键词: 半导体激光器数字锁定稳频控制系统
分类号: TN248.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，半导体激光器由于拥有诸多优点并且应用广泛，因此发展很快，比如在原子磁力仪中就起着非常重要的作用。但是根据原子磁力仪的原理，需将激光器的频率锁定在铯原子超精细共振线处，因此这就对激光器的频率稳定性提出了很高的要求。传统的解决方案中，一般是让半导体激光器通过饱和吸收谱装置将其频率锁在铯原子的超精细共振谱线上来达到稳频的目的，但是随着时间的变化，半导体激光器可能会由于各种原因而失锁，因此本课题提出了一种数字辅助锁定技术，将误差信号输入，然后系统不断跟随监测输入信号的取值并调整输出，激光器一旦失锁就能快速找回其锁定状态，从而增加了锁定系统的稳定性，使激光器在一般情况下能够实现长期稳定锁定，并且可以通过一定的修改和扩展获得更多的用途或用作一个自动控制系统。本论文主要的工作内容有：首先，在文中详细的阐述了本课题的背景，并阐述了半导体激光器的稳频的意义和方法，对比了常见的饱和吸收谱和原子二向色性的两种方式，并提出了本课题的研究目标以及研究内容。其次，进行了系统的总体方案设计与分析，从硬件和软件角度分别提出了系统的设计方案。为了实现系统目标，采用了单片机作为主控核心部件，因为单片机功能强大，运算速度快并且价格低廉，也便于日后扩展更多用途。在软件的方案上，本着简单便于理解，日后移植性好的原则，选用了C语言进行开发。再次，分别从硬件设计和软件设计两个角度进行了详细的阐述与说明。在硬件设计的叙述中按照电路功能分为若干部分：输入通道、主控模块、数模转换、采样保持，以及电路外围的串行口通信电路和电源电路，详细描述了各个部分的工作原理与具体设计，并探讨了硬件的抗干扰设计。其硬件工作原理主要是利用输入通道依次轮流监测每一路的输入信号，判断其取值的正负，然后单片机做出反应，给予一个相应的数字量的改变输入到数模转换电路中，数模转换转出模拟信号后采样保持电路将电路的输出值锁定保持，并等待下一次的变化。在软件设计中，为了便于理解与维护，采用了模块化的设计方案，根据工作原理分为若干模块进行设计，并探讨了软件的抗干扰措施。最后，绘制了PCB电路板，对软件进行了一定的模拟仿真，然后制作了实物电路，并对系统做了相关的功能性试验，结果表明实验结果实现了预期的目标，但是由于本人水平有限和时间仓促，因此，本文所研制的数字辅助锁定电路还可以有更大的发展提升空间，电路中电容的充放电影响是对系统稳定度的主要影响来源，如果我们能换成时间常数更好的钽电容，相信系统性能能有进一步的提升；另外，电路中芯片的速度也是有着较大的提升空间，如果能够选取更高速、性能更优越的芯片，会使得电路的输出漂移显著减少，运行速度更快。由于系统尚预留了大量接口，因此，系统很方便可以作为一个控制系统得以广泛应用，并且可直接扩展到八路使用，甚至更多路使用；程序采用模块化设计，便于改写，可以方便改变量程、步长、及其逻辑关系等。系统速度也有很大调整空间：当前系统保留了大量空指令，如果需要用于对速度有更高要求的场合，其运行速度还可以有很大提升空间。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-19
  1.1 原子磁力仪介绍  11-12
  1.2 激光器对原子磁力仪的影响  12-13
  1.3 激光器稳频方式介绍  13-16
  1.4 长期连续工作的半导体激光器锁频的数字辅助系统  16-17
  1.5 本文主要研究内容  17-19
第2章系统总体设计方案  19-23
  2.1 系统的设计要求及设计原则  19-20
  2.2 系统的硬件方案分析  20-21
  2.3 系统的软件方案分析  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章硬件设计  23-47
  3.1 系统总体硬件结构  23-24
  3.2 主控模块设计  24-28
    3.2.1 单片机的选用  24-26
    3.2.2 单片机最小系统  26-28
  3.3 输入通道设计  28-35
    3.3.1 输入信号的降噪处理  28-30
    3.3.2 四路输入信号的选择  30-32
    3.3.3 模数转换设计  32-35
  3.4 数模转换电路  35-38
    3.4.1 数模转换原理  35-36
    3.4.2 数模转换电路设计  36-38
  3.5 采样保持电路设计  38-42
    3.5.1 采样保持电路总体设计  38-39
    3.5.2 采样保持芯片选择  39-40
    3.5.3 其他外围芯片选择与电路设计  40-42
  3.6 串行通信接口电路  42-44
  3.7 电源电路  44-45
  3.8 硬件抗干扰  45-46
  3.9 本章小结  46-47
第4章软件设计  47-54
  4.1 软件结构  47-48
  4.2 程序各部分的详细设计  48-52
    4.2.1 主程序设计  48-50
    4.2.2 初始化模块设计  50-51
    4.2.3 数模转换模块设计  51-52
    4.2.4 延时模块设计  52
  4.3 软件抗干扰  52-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章系统搭建与测试  54-61
  5.1 硬件制作与调试  54-55
  5.2 软件开发与调试  55-56
  5.3 系统测试  56-60
    5.3.1 系统功能测试  57-59
    5.3.2 系统稳定性  59-60
  5.4 本章小结  60-61
结论  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
附录  68-69

半导体激光器数字辅助锁定系统的设计

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