用于新型原子钟的外腔半导体激光器数字自动稳频系统研究

论文摘要

单模窄线宽的可调谐半导体激光器广泛应用于冷却原子、抽运原子态和原子激发荧光等,半导体激光器的应用是新型原子钟的特征。具有一定抗振能力,并能够在失锁时自动报警通讯,自动恢复原参数重新稳频工作是原子钟,尤其是保障空间原子钟长期可靠运行的关键。随着虚拟仪器技术的发展与普及,基于计算机的虚拟仪器应用越来越广泛。本论文提出将虚拟仪器应用于外腔半导体激光器数字自动稳频系统。首先介绍了半导体激光器稳频原理和基于原子饱和吸收谱线的激光稳频原理。利用铯原子D2线的饱和吸收峰频率作为参考频率,通过光电转换,利用比例加积分(PI)反馈控制将激光输出频率锁定在参考频率上的方法设计并实现了一套数字自动稳频系统。文章对实现的各个环节进行了详尽的分析研究。将整个系统分为温控系统模块、数据采集模块、数据处理模块,再细化分成功能单一的模块,然后对这些硬件和软件模块分别进行设计和调试。对外腔半导体激光器数字自动稳频系统的调试和测试结果表明该系统可以自动搜索铯原子D2线的饱和吸收峰,并将外腔半导体激光器的输出频率锁定到选定的饱和吸收峰上,在意外失锁后能自动恢复锁定。且具有一定的抗干扰能力,有良好的长期稳定性。文章最后对影响测量精度的主要因素进行了深入的分析。该系统人机界面友好,操作简单方便,参数容易修改和维护,已用于铯喷泉钟的实验研究中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 原子钟的发展
• 1.2 稳频半导体激光器及其在新型原子钟研究中的意义
• 1.3 国内外现状与趋势
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 虚拟仪器技术
• 2.1 虚拟仪器技术概念
• 2.2 虚拟仪器的特点
• 2.3 虚拟仪器结构
• 2.4 虚拟仪器在原子钟中的应用
• 第三章 半导体激光器基本稳频原理及设计
• 3.1 半导体激光稳频的基本原理
• 3.2 稳频方法
• 3.3 饱和吸收光谱技术
• 3.3.1 饱和吸收光谱的基本原理
• 3.3.2 一次微分稳频
• 第四章 系统软硬件组成
• 4.1 总体设计
• 4.2 系统硬件设计
• 4.2.1 温控系统
• 4.2.2 数字自动稳频系统
• 4.2.2.1 多功能I/O 板卡组成
• 4.2.2.2 减法器
• 4.2.2.3 模拟信号输入方式
• 4.2.2.4 多功能I/O 板卡PCI-6040E
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 软件开发平台
• 4.3.2 软件系统结构
• 4.3.3 模块设计
• 4.3.3.1 设备初始化模块设计
• 4.3.3.2 数据采集模块
• 4.3.3.3 数据处理模块
• 4.3.3.4 数据存储模块
• 4.3.4 频率锁定过程
• 4.3.5 软面板设计
• 第五章 测试结果
• 5.1 实验结果
• 5.2 误差源分析
• 5.2.1 调制信号频率的影响
• 5.2.2 采样误差的处理
• 5.2.3 量化误差对精度的影响
• 5.2.4 采样率对精度的影响
• 5.2.5 数字噪声对精度的影响
• 第六章 总结展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间发表的文章和研究成果
• 致谢