基于单片机的外腔倍频伺服控制系统设计

摘要 本文阐述了外腔倍频伺服控制系统谐振腔长控制原理,介绍了单片机在外腔倍频激光系统中的应用,对该系统中激光器谐振腔长的控制算法进行了研究,这种算法能使系统快速精确的对激光器的谐振腔长进行伺服控制,使外腔倍频激光系统能够稳定的工作在最佳状态。

关键词 外腔倍频;控制算法;单片机

中图分类号 TP393文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)16-0087-02

近几年来,单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统,实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全、体积小、成本低,因此,它可以应用到任何控制系统中去,同样,它也可以应用于外腔倍频激光系统中,用于稳定谐振腔长度,其可靠性大大提高。

在激光系统的外腔倍频领域,由于温度或机械的扰动或振动,会引起激光谐振腔长的微小变化,使激光器谐振腔的长度不能稳定在谐振频率上,从而使激光器的性能变差。从该角度讲,有必要控制激光器的谐振腔长,使系统工作稳定。通过单片机伺服控制系统控制加在压电陶瓷两端的电压,可以对激光谐振腔长进行微小的调解,使激光在谐振腔内形成正反馈,使腔长稳定在腔内基频光的1/2波长的整数倍。此时系统输出最大功率的光。通过有效的控制算法,能够使系统始终维持在输出功率最大值处,使系统最大限度的得到优化。

1 系统工作原理

外腔倍频激光控制系统工作原理图,如图1所示,在谐振腔中光波能因干涉而得到加强,并形成稳定的振荡。光波发生相长干涉的条件是:波从某一点出发,经腔内往返一周光波相位相差为2π的整数倍。

从M1 透过的基频光经M2 、M3 反射后,聚焦在倍频晶体BBO内,产生倍频光,从腔镜M4输出,剩余的基频光返回到M1开始下一轮运转;周而复始,当它们相位相同,且满足R1=Rm,产生多光束干涉效应,基频光得到大大增强,从而使倍频效率提高,二次谐波输出大大增强。此时输出光功率最大。

这里选用压电陶瓷来调节腔长。压电陶瓷具有敏感的特性,可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。它实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。所谓压电效应,是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力微小得像声波振动那样小,都会产生压缩或伸长等形状变化,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。该系统就是将压电陶瓷的一端固定,另一端贴在激光器的一个镜片上,由于压电陶瓷具有逆压电效应,调整加在压电陶瓷两端的电压,压电陶瓷产生微变形,便推动镜片移动,从而对谐振腔长进行调节。

2 单片机在控制系统中的应用

系统硬件原理框图,如图2所示。单片机将控制信号通过D/A转换电路输出0~5V模拟电压输出到压电陶瓷驱动电源,压电陶瓷驱动电源将0~5V电压转换成0~200V并且以10mV递增,该电压加在压电陶瓷两端,使激光器谐振腔长发生改变,最终使激光器输出功率变化。通过光电池将激光器输出的光信号转换为电信号,再经放大电路和A/D转换电路后送给单片机处理。该系统中单片机采用Atmel公司生产的AT89C51,该单片机具有体积小、价格低、可靠性高、损耗低等特点,得到了广泛的应用。

3 单片机软件控制算法设计

压电陶瓷的驱动电压从0~200V,并以10mV递增,在此过程中,电压值每改变一次,单片机首先记录一下此时压电陶瓷的驱动电压值和经模数转换的激光功率值,其次与上一次记录的激光功率进行比较,将较大的功率值及其对应的控制电压进行存储。扫描完成以后,存储的电压值即为最大功率时的压电陶瓷两端的电压值,将电压值再一次输出给压电陶瓷,使激光系统稳定在该点处,如图3所示。系统经过一次扫描,找到最佳工作点,设此时激光系统的谐振频率为f0,此时,激光输出功率为最大。

控制系统找到最佳工作点以后,继续进行激光功率的扫描,单片机继续保存模数转换的结果,并且进行比较,当激光系统受到外界干扰后,谐振腔长度发生了变化,此时谐振频率会偏离f0,系统的激光输出功率也偏离最大值,经过单片机的比较处理,此时需进行正反两个方向的调整和比较,调整加到压电陶瓷上的驱动电压值,使输出功率拉回到最大功率处,即最佳工作点处。如果谐振频率不变化,即激光输出功率不发生变化,则系统加在压电陶瓷上的驱动电压不变化,系统仍工作在谐振频率f0处。

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