Aigtek高壓放大器在激光干涉儀研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：激光干涉儀數(shù)字仿真及控制研究

測試設(shè)備：高壓放大器、壓電換能器、電光調(diào)制器、光電探測器、分光器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖。激光束用實(shí)線表示，電信號用虛線表示，EOM：電光調(diào)制器。BS：分光器。HVAMP：高壓放大器。PD：光電探測器。FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列。PZT：壓電換能器。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。相位調(diào)制(90MHz)的激光束被注入線性腔，其失諧由壓電換能器(PZT)驅(qū)動?？涨挥蓛蓚€(gè)間隔距離為28mm的反射鏡組成。反射光被50%的分光器反射并由寬帶光電探測器(PD1)檢測。之后的光電流被解調(diào)，其基準(zhǔn)來自與調(diào)制激光器相同的本地振蕩器。通過光學(xué)腔透射的激光由另一個(gè)光電探測器(PD2)探測，并且探測到的光電流被用作光學(xué)功率參考。誤差信號和光功率參考被發(fā)送到I/O連接器。I/O連接器上的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將上述兩個(gè)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將其輸入現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中。在FPGA上運(yùn)行的控制器的數(shù)字程序是用Labview組成和調(diào)試的。程序輸出由16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，連接到高壓放大器，然后連接到腔的PZT上以驅(qū)動腔失諧。

圖2：閉環(huán)反饋控制示意圖。G1(s)為控制器的傳遞函數(shù)，G2(s)是控制對象的傳遞函數(shù)。SP代表設(shè)定點(diǎn)，C(s)代表腔失諧誤差信號。藍(lán)色部分是測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)的示意圖。

實(shí)驗(yàn)采用閉環(huán)反饋控制。示意圖如圖2所示。受控系統(tǒng)的誤差信號由數(shù)字比例積分控制器處理，然后反饋到腔體中。

圖3：系統(tǒng)的頻率響應(yīng)圖。

如圖2所示，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是用信號分析儀通過向壓電陶瓷注入一個(gè)正弦信號并檢測相應(yīng)的誤差信號來測量的。圖3給出了在沒有伺服系統(tǒng)控制下的開環(huán)頻率響應(yīng)和在有伺服系統(tǒng)控制下的閉環(huán)頻率響應(yīng)。它表明，數(shù)字控制系統(tǒng)在很大程度上抑制了低于1kHz的振動噪聲。系統(tǒng)帶寬主要受到壓電陶瓷的機(jī)械共振的限制。圖4顯示了鎖定和解鎖狀態(tài)下的誤差信號的噪聲譜。在1kHz的峰值表明，在控制帶寬的邊緣有輕微的振蕩。本底噪聲是在法布里-珀羅空腔不發(fā)生共振時(shí)測量的。

圖4：誤差信號頻譜。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖5（a）：具有自適應(yīng)PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

圖5（b）：具有非自適應(yīng)PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制系統(tǒng)在激光功率變化條件下的控制能力，對入射激光用10Hz方波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5(a)給出了具有自適應(yīng)總增益的誤差信號和腔透射。圖5(b)給出了具有非自適應(yīng)總增益的誤差信號和腔透射。紅線代表誤差信號，藍(lán)線代表空腔透射功率。

可以看出，當(dāng)激光功率變化時(shí)，系統(tǒng)的透射光隨入射光變化，但誤差信號仍保持為零，說明自適應(yīng)的總增益可以有效地保持系統(tǒng)穩(wěn)定。而在非自適應(yīng)的總增益下系統(tǒng)的誤差信號和透射光均發(fā)生震蕩。此時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

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審核編輯 黃宇