半导体激光器系统的动态特性研究..doc

山西大学半导体激光器稳频系统的动态特性研究 摘 要：本实验在现代社会中自动控制系统技术的启发下，考虑到目前激光技术的发展前景广阔，应用也比较广泛，决定将用类似的方法研究激光器稳频系统的动态特性。在闭环系统中通过不同干扰信号的扰动，观察整个系统的响应，最终得到传递函数，进而分析出该系统的幅频和相频特性。 关键字：激光器稳频系统 干扰信号 传递函数 幅频特性 相频特性 （一）引言 提高激光器系统稳定性在激光技术、超精密加工、测量设备量子信息等诸多科技前沿领域有着举足轻重的地位。影响激光系统稳定性的因素有很多，例如激光器、气压、震动等。如果激光器系统的稳定性提高到十几个小时乃至更高，那么对于恶劣环境的干扰就可以得以消除，更有利于实验的进行。对于激光器稳定性的研究更显得尤为重要，在激光器输出功率稳定性[1-2]的系统中，都实现了激光器输出功率的长期稳定性。在山西大学[3-6]也有很多实验需要建立在稳定系统来进一步发展。二阶闭环系统稳定的研究过程中针对信号及信号处理[7-8]已经有了较为成熟的一系列体系。因此，结合自动控制理论研究激光器及，以实验结果为激光器的结构设计以及环路的参数提供一些的针对性的建议。ECDL） 激光器的种类很多，分类的依据也有很多。其中根据其增益介质的不同可分为气体激光器、固体激光器、光纤激光器、染料激光器以及半导体激光器。半导体激光器因其结构紧凑、操作简单、便于集成、价格低廉、功耗低、工作波长范围大等优点而被广泛应用于冷原子物理、量子操控等前沿研究和高分辨率光谱，高精度测量很多技术领域。因此实验中将对半导体激光器稳定性进行了研究与分析。 我们在实验中为了更好控制半导体中发光二极管发出的光经谐振腔不断放大后发射出激光的不同模式，采用了光栅反馈式选模。光栅对激光有色散的作用，进而不同波长的波可以清楚辨别，通过调节光栅的角度，进而可以实现不同频率的激光反馈回激光器中。 　　　 　　 图1半导体激光器实物图 　 图2半导体激光器设计图 2.2饱和吸收谱稳频系统 ECDL激光器可通过扫描注入电流或改变光栅角度实现连续调谐。实验过程可以表述为：在激光器恒流源的调制端口加一扫描信号，通过让激光器电流在某一范围内连续扫描，进而激光器的连续可调谐。激光器在工作时，通过调节光栅角度来改变激光器的外腔腔长。光栅角度的改变依压电陶瓷的伸缩。该电压由高压放大器来提供。可以给高压放大器上加一扫描信号来实现对激光器的调谐。饱和吸收稳频（SAS）法是选择与激光器的波长相对应的原子的能级跃迁能级为频率标准，通过给激光器恒流源上加调制信号，将带有调制频率的探测信号，通过鉴频器其频率是，闭环反馈系统补偿漂移量。当前研究中主要采用的是对应于780.2nm的铷原子作为频率标准来稳定激光器的。该波长对应于铷-85和铷-87原子的D2超精细能极跃迁。锁定在铷-87原子F=2到F=2和3的交叉线上。（三）ECDL系统的传递函数的定义为：在初始条件为零的情况下，响应函数的输出量的拉普拉斯变换与输入驱动函数的拉普拉斯变换的比值传递函数属于系统本身的属性，根据得到的传递函数导出系统的频率特性，利用这些频率特性与系统参数的对系统进行识别传递函数是系统输入与输出之间关系的数学表示。传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一 传递函数分母中ｓ的最高阶为测量系统数出量最高阶导数，若最高阶为ｎ，则该系统为ｎ阶测量系统。常见的测量系统大部分为零阶、一阶和二阶系统。高阶系统一定条件下可由低阶系统组合逼近，但零阶、一阶系统为非常简单的响应系统，实际生活中很少系统的响应能够符合，所以我们研究二阶系统。系统又有开环系统和闭环系统之分。开环指系统输出量对系统的控制作用没有影响控制信号只有顺向没有反馈。开环系统的结构简单、控制方法简单所以抗干扰能力差，控制精度完全取决于系统各组成环节的精度。闭环系统是指输出量对输入量有直接影响，而且具有反馈环路。不论外界干扰还是系统内部参数引起的被控量的偏离，都能产生控制作用来减少或者消除偏差提高精度。 图4 闭环系统 图5 开环系统 3.2 频率特性 二阶闭合环路的频率特性为： 由此可以看出，表征频率特性可以由幅度与频率的关系简称幅频特性和相位与频率的关系简称相频特性描述。 二阶闭环系统的频率特性： 其中 ζ:阻尼比 一个典型的二阶闭环幅频曲线如图6