[发明专利]一种集成化核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成化核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统，适用于高精度小体积的核磁共振陀螺样机激光功率和频率的高精度稳定。

背景技术

核磁共振陀螺仪可以实现高精度、小体积、低成本的要求，在民用惯性导航系统中有很大的应用前景。核磁共振陀螺仪是利用激光与碱金属气室中碱金属原子以及惰性气体原子的相互作用检测载体的角速度信息。驱动激光与检测激光的光子热噪声与光位移直接影响检测的灵敏度，因而应尽量减小热噪声与光位移的影响，为了从源头上尽量减小光子热噪声和光位移噪声的影响，必须对激光频率和功率进行稳定控制。

核磁共振陀螺激光功率和频率的稳定一般采用两套系统独立进行，采用声光调制器(AOM)或液晶相位延迟器等在激光器外部稳定功率，采用饱和吸收法等稳定频率，系统复杂体积大，不满足核磁共振陀螺仪小型化的要求；采用直接稳定激光器电流和温度来使功率和频率稳定的方法，稳定精度较低。因此，一种集成化核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统是必需的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统带来的稳定度、集成度等方面的不足，提供一种集成化、高控制精度、同时稳定激光功率和频率的核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统。

本发明采用的技术方案是：一种集成化核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统，包括激光器、准直器、分束器、原子气室、稳频率光电转换及放大电路、稳功率光电转换及放大电路、稳频率模数转换电路、稳功率模数转换电路、FPGA模块、稳频率数模转换电路、稳功率数模转换电路、温控执行器件、电流源电路，其中激光器产生的激光经准直器准直后由分束器分为两束，一束输入原子气室与气室中的原子发生相互作用产生吸收信号，输入稳频率光电转换及放大电路，稳频率光电转换及放大电路将吸收信号转换为模拟电压信号并放大后输入稳频率模数转换电路，稳频率模数转换电路将此模拟电压信号转换为数字电压信号并输入FPGA模块，FPGA模块对此数字电压信号进行处理，结果作为频率控制信号输入稳频率数模转换电路，稳频率数模转换电路将频率控制信号转换为模拟信号并输入电流源电路，电流源电路根据频率控制信号产生相应的电流，驱动激光器，另一束激光直接输入稳功率光电转换及放大电路，稳功率光电转换及放大电路将光强信号转换为模拟电压信号并放大后输入稳功率模数转换电路，稳功率模数转换电路将此模拟电压信号转换为数字电压信号并输入FPGA模块，FPGA模块将此数字电压信号与设定功率值作比较，按照一定的控制算法生成控制量，作为功率控制信号输入稳功率数模转换电路，稳功率数模转换电路将功率控制信号转换为模拟信号并输入温控执行器件，温控执行器件根据控制信号进行加热或制冷，改变激光器温度。

其中，在阈值以上，半导体激光器功率随电流增大而增大，随温度升高而减小；激光器频率随电流增大而减小，随温度升高而减小，利用激光功率和频率与温度和电流的关系，通过反馈控制温控执行器件的温度和电流源电路的电流来实现功率和频率的同时稳定。

其中，电流源电路采用直流和交流相对独立的电路结构，直流和交流分别进行V-I变换，输出的直流电流和交流电流叠加成为一路带直流偏置的交流电流源，实现对激光频率的高精度扫描和控制。

本发明的原理：在阈值以上，半导体激光器功率随电流增大而增大，随温度升高而减小；激光器频率随电流增大而减小，随温度升高而减小。利用激光功率和频率与温度和电流的关系，通过比较设定功率值和实际功率值，按照一定的控制算法生成功率控制信号，反馈控制温控执行器件，对激光器进行加热或制冷，使激光功率稳定；通过控制电流源电路产生电流驱动激光器，进行扫频，对得到的吸收信号处理后反馈控制电流源电路，改变激光器驱动电流，使激光频率稳定。这样，就实现了激光功率和频率的同时稳定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过直接控制激光器电流和温度来稳定激光功率和频率，不会用到声光调制器(AOM)或液晶相位延迟器等外部器件，便于系统小型化；

(2)本发明用一套系统实现激光功率和频率的同时稳定，集成度高；

(3)本发明的电流源可以用程序控制，产生高精度、带直流偏置的交流电流，可有效提高功率和频率的控制精度；

总之，本发明的这种核磁共振陀螺激光功率和频率稳定系统利用光功率反馈对激光器温度和电流进行控制，控制精度高且稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的FPGA模块组成框图；