一种激光器组的控制方法及其系统的制作方法
【专利摘要】一种激光器组的控制方法及其系统，属于外差干涉测量领域，解决现有多台激光器构成的外差式干涉仪中激光束差频与功率不稳定的问题，使激光器间的差频维持稳定的同时抑制激光器功率衰减，从而提高测量设备性能。本发明的控制方法，包括初始化步骤、实时检测步骤、稳频控制步骤和功率控制步骤；本发明的控制系统，相应包括初始化模块、实时检测模块、稳频控制模块和功率控制模块。本发明能够实现实时频率反馈控制，使激光器间的差频维持稳定的同时抑制激光器功率衰减，以满足高时间精度的测量需求；所涉及的装置结构简单，确保了原系统高精度低噪声的测量环境。
【专利说明】一种激光器组的控制方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明属于外差干涉测量领域，具体涉及一种激光器组的控制方法及其系统。
【背景技术】
[0002]外差式激光干涉仪也称双频干涉仪，广泛应用于实际生产与科学研究中，以满足对于精密参数测量的需求。外差干涉仪中两种不同频率的光束可由两台单色激光器提供，也可以利用磁光、电光、声光效应或旋转光栅盘的衍射效应提供。特别是在科学研究领域或是对时间、空间分辨率要求高的应用中，为获得更高的频差，常使用两台或多台激光机构成激光器组，实现干涉测量。由于被测物体的变化引起的光波相位变化载于此差频上，带有差频稳定功能的干涉仪可以保证其在高精度测量领域的测量效果。同时，控制激光器的输出能量不随工作而衰减能够确保干涉仪具有更好的信噪比，并充分发挥外差式干涉仪抗干扰能力强的优点。
[0003]目前还没有以稳定多台激光器差频为基础并同时稳定多台激光器处于高功率输出状态的装置和结构。专利CN201210211550.9中涉及的方法可以稳定每台激光器的输出频率从而得到稳定的差频，并且能够使激光器处于较强输出状态。但是该方法需要对每台激光器另外设一套激光干涉仪来实施反馈。对于多激光器的系统，反馈功能的实现势必变得很复杂，并且受制于每次频率反馈需要扫描很大的谐振腔腔长范围，其反馈的时间精度无法做得很高。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种激光器组的控制方法及其系统，解决现有多台激光器构成的外差式干涉仪中激光束差频与功率不稳定的问题，使激光器间的差频维持稳定的同时抑制激光器功率衰减，从而提高测量设备性能。
[0005]本发明应用于N台激光器构成的激光器组，其中一台作为频率参考激光器，每台激光器均装有压电陶瓷转换器，用于调整相应的激光器谐振腔的腔长；并且频率参考激光器装有输出激光功率探测器；各台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，进入干涉信号探测器，干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化为电压中频信号后，被模拟信号隔离器读取，模拟信号隔离器具有较高的输入阻抗使其消耗的信号能量可忽略，并且切断了控制信号与探测信号之间的耦合回路，经过模拟信号隔离器放大滤波滤掉高频噪声后，模数转换器将中频信号转换为中频数字信号传输给数字信号处理器(DSP)，同时，激光功率探测器将检测到的频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换为功率数字信号输入到数字信号处理器中；功率数字信号和中频数字信号被数字信号处理器处理后得到对应的功率控制量和频率控制量，并将功率控制量和各频率控制量通过带有电压保持器的数模转换器转变为电压信号，分别输出给N台激光器的压电陶瓷转换器。
[0006]本发明所提供的一种激光器组的控制方法，包括初始化步骤、实时检测步骤、稳频控制步骤和功率控制步骤，其特征在于
[0007](I)初始化步骤:
[0008]针对N台标定输出频率相同的激光器，任选其中一台作为频率参考激光器，在频率参考激光器的压电陶瓷转换器上施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vk = V0,调整频率参考激光器至标定输出频率Ptl;每两台激光器之间的差频信号共同构成中频信号，即中频信号一共包含个差频信号，2 < N^6；
[0009]根据具体应用需求，预先确定其余N-1台激光器中各激光器输出频率与频率参考激光器输出频率间的频率差值APi, i = 1、2、…N-l，APi = +IKHz?±lGHz，这N-1个频率差值APi必须满足由N台激光器所产生的个差频信号在频谱上不会出现混叠的要求；同时，在其余N-1台激光器的压电陶瓷转换器上分别施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vi，将其余N-1台激光器中每台激光器输出频率调整到Ptl+ Δ Pi，频率差值为正值和频率差值为负值的激光器数量大体相等，使得整个激光器组的所有激光器的输出频率值均匀的分布在输出峰值上以达到最佳的输出状态，且频率参考激光器的输出频率值位于整个激光器组输出频率的中间位置；这样，中频信号中所包含的各个差频信号将在频谱上以已知的顺序出现；
[0010]将所述N-1个频率差值APi作为N-1个频率设定值；并将电压调整方向标志H初始化为“I”或“O” ；“1”表示向电压增大方向调节，“O”表示向电压减小方向调节；
[0011](2)实时检测步骤:
[0012]实时获取模数转换器采集的中频数字信号和功率数字信号，所述中频数字信号由电压中频信号经模数转换器转换而得到，所述电压中频信号由各台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，通过干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化形成；
[0013]所述功率数字信号由频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换形成；
[0014]对所述中频数字信号进行FFT变换，从FFT变换得到的频谱中提取出(1?个峰值频率，该C&个峰值频率即为混叠在中频信号中的频率差值；将所述功率数字信号存入功率存储器以便后续判断子步骤(4.4)使用；然后同时分别进行步骤(3)和步骤(4)；
[0015](3)稳频控制步骤，包括下述子步骤:
[0016](3.1)频率偏移判断子步骤:根据步骤(I)中已知的各差频信号的分布顺序，将所述N-1个频率设定值APi与检测到的Cg个峰值频率中对应的N-1个峰值频率Fi,分别对应进行比较，判断其是否全部相等，是则进行子步骤(3.3)，否则进行子步骤(3.2) ；i = 1、2、—N-l ；
[0017](3.2)计算频率修正电压子步骤:
[0018]对于其中频率设定值和峰值频率不相等的各激光器，根据当前施加在各相应激光器的压电陶瓷转换器上的控制电压，在该激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Ki，计算频率修正电压AVli = (F1-APi)Ai ；
[0019]对于其中频率设定值和峰值频率相等的各激光器，将其对应的AVli置O ;i = 1、2、或 N-1 ；
[0020]所述激光器的频率-电压响应曲线为该激光器输出频率对压电陶瓷转换器电压变化的响应曲线；
[0021](3.3)频率控制动作子步骤:
[0022]计算控制电压改变量Δ Vi: Δ Vi = Δ Vli+ Δ Y2,；
[0023]其中，AV2,由补偿电压存储器读出，用于消除功率调控引起的频率波动；
[0024]将Vi+ Δ Vi的值赋予Vi,再将Vi经过数模转换器转换为模拟量，分别作用于N-1台激光器的压电陶瓷转换器上；
[0025]将控制电压改变量Λ V1、频率修正电压AVli与频率补偿电压AMi的值全部清零；转步骤⑵；
[0026](4)功率控制步骤，包括下述子步骤:
[0027](4.1)延时触发子步骤:设定延迟时间T，T = I?10秒,每间隔T秒触发一次功率调控，进行子步骤(4.2);该延迟时间T足够大于实时频率控制的时间尺度，以使得实时频率控制能够及时的抑制功率调控动作所引起的频率波动，
[0028](4.2)功率控制动作子步骤:若电压调节方向标志H为“1”，则将Vk+VL的值赋予Vk ;若电压调节方向标志H为“0”，则将Vk-VL的值赋予Vk ;其中电压调整步长VL = ImV?IV ;然后将Vk经过数模转换器转换为模拟量，施加于频率参考激光器的压电陶瓷转换器，进行子步骤(4.3)；
[0029](4.3)频率补偿子步骤:对其它N-1台激光器进行频率补偿:
[0030]根据当前Vk，在频率参考激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Kk，从而计算出频率参考激光器产生的频率波动值APk = VL.Kk，进一步根据APk,计算出各激光器的频率补偿电压AWi = VL -KkAi ;并将频率补偿电压存入补偿电压存储器；进行子步骤(4.4)；
[0031](4.4)判断子步骤:判断本次电压调节是否正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值状态，是则改变电压调整方向标志H，转步骤(2)，否则电压调整方向标志H保持不变，转步骤(2)。
[0032]子步骤(4.3)中，由于改变频率参考激光器控制电压Vk使频率参考激光器功率产生微量变化的同时也会微量的改变其输出频率，为了抵消频率参考激光器频率变化将在差频信号上产生的的频率波动，在频率参考激光器控制电压Vk变化时，对其它N-1台激光器进行频率补偿；各激光器的频率补偿电压为消除此频率波动所需。
[0033]所述功率控制步骤的判断子步骤(4.4)包括下述判断过程之一:
[0034]A、计算当前频率参考激光器输出功率值减去所述功率存储器中上一次功率数字信号的差值ΛD，判断是否AD < Q，响应率阈值Q = -100?-1 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值；
[0035]B、计算所述功率存储器中存储的电压调整方向标志H上一次改变后所有功率数字信号中的最大值减去当前频率参考激光器输出功率值的差值AS，判断是否AS>G，减小量阈值G = I?100 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值。
[0036]判断过程A，频率参考激光器在功率调控动作后出现的功率响应率。根据激光器的输出功率-腔长曲线在输出功率峰值范围斜率较小而在远离输出峰值点时斜率逐渐增大的特点，预设响应率阈值Q ;在激光器输出功率-腔长变化曲线在输出峰值范围较为陡峭的情况下较为灵敏；
[0037]判断过程B，通过判断激光器越过输出峰值点后激光器输出功率总的下降数值来判断激光器工作状态；在输出峰值范围较为平坦时较为灵敏。
[0038]在判断子步骤(4.4)中，可以同时进行过程A和过程B，只要其中一个做出频率参考激光器正在远离输出峰值点的判断，则判断子步骤(4.4)做出频率参考激光器正在远离输出峰值的判断。
[0039]本发明所提供的一种激光器组的控制系统，包括初始化模块、实时检测模块、稳频控制模块和功率控制模块，其特征在于
[0040](I)初始化模块:
[0041]针对N台标定输出频率相同的激光器，任选其中一台作为频率参考激光器，在频率参考激光器的压电陶瓷转换器上施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vk = V0,调整频率参考激光器至标定输出频率Ptl;每两台激光器之间的差频信号共同构成中频信号，即中频信号一共包含个差频信号，2 < N^6:
[0042]根据具体应用需求，预先确定其余N-1台激光器中各激光器输出频率与频率参考激光器输出频率间的频率差值APi, i = 1、2、…N-l，APi = +IKHz?±lGHz，这N-1个频率差值APi必须满足由N台激光器所产生的个差频信号在频谱上不会出现混叠的要求；同时，在其余N-1台激光器的压电陶瓷转换器上分别施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vi，将其余N-1台激光器中每台激光器输出频率调整到Ptl+ Δ Pi，频率差值为正值和频率差值为负值的激光器数量大体相等，使得整个激光器组的所有激光器的输出频率值均匀的分布在输出峰值上以达到最佳的输出状态，且频率参考激光器的输出频率值位于整个激光器组输出频率的中间位置；这样，中频信号中所包含的各个差频信号将在频谱上以已知的顺序出现；
[0043]将所述N-1个频率差值Λ Pi作为N-1个频率设定值；并将电压调整方向标志H初始化为“I”或“O” ；“1”表示向电压增大方向调节，“O”表示向电压减小方向调节；
[0044](2)实时检测模块:
[0045]实时获取模数转换器采集的中频数字信号和功率数字信号，所述中频数字信号由电压中频信号经模数转换器转换而得到，所述电压中频信号由各台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，通过干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化形成；
[0046]所述功率数字信号由频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换形成；
[0047]对所述中频数字信号进行FFT变换，从FFT变换得到的频谱中提取出个峰值频率，该C&个峰值频率即为混叠在中频信号中的频率差值；将所述功率数字信号存入功率存储器以便后续判断子模块(4.4)使用；然后同时分别进行模块(3)和模块(4)；
[0048](3)稳频控制模块，包括下述子模块:
[0049](3.1)频率偏移判断子模块:根据步骤(I)中已知的各差频信号的分布顺序，将所述N-1个频率设定值APi与检测到的(:?个峰值频率中对应的N-1个峰值频率Fi,分别对应进行比较，判断其是否全部相等，是则进行子模块(3.3)，否则进行子模块(3.2) ；i = 1、2、—N-l ；
[0050](3.2)计算频率修正电压子模块:
[0051]对于其中频率设定值和峰值频率不相等的各激光器，根据当前施加在各相应激光器的压电陶瓷转换器上的控制电压，在该激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Ki，计算频率修正电压AVli = (F1-APi)Ai ；
[0052]对于其中频率设定值和峰值频率相等的各激光器，将其对应的AVli置O ;i = 1、
2、或 N-1 ；
[0053]所述激光器的频率-电压响应曲线为该激光器输出频率对压电陶瓷转换器电压变化的响应曲线；
[0054](3.3)频率控制动作子模块:
[0055]计算控制电压改变量Δ Vi: Δ Vi = Δ Vli+ Δ Y2,；
[0056]其中，AV2,由补偿电压存储器读出，用于消除功率调控引起的频率波动；
[0057]将Vi+Λ Vi的值赋予Vi，再将Vi经过数模转换器转换为模拟量，分别作用于N-1台激光器的压电陶瓷转换器上；
[0058]将控制电压改变量Λ V1、频率修正电压AVli与频率补偿电压AMi的值全部清零；转模块⑵；
[0059](4)功率控制模块，包括下述子模块:
[0060](4.1)延时触发子模块:设定延迟时间T，T = I?10秒，每间隔T秒触发一次功率调控，进行子模块(4.2);该延迟时间T足够大于实时频率控制的时间尺度，以使得实时频率控制能够及时的抑制功率调控动作所引起的频率波动，
[0061](4.2)功率控制动作子模块:若电压调节方向标志H为“1”，则将Vk+VL的值赋予Vk ;若电压调节方向标志H为“0”，则将Vk-VL的值赋予Vk ;其中电压调整步长VL = ImV?IV ;然后将Vk经过数模转换器转换为模拟量，施加于频率参考激光器的压电陶瓷转换器，进行子模块(4.3)；
[0062](4.3)频率补偿子模块:对其它N-1台激光器进行频率补偿:
[0063]根据当前Vk，在频率参考激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Kk，从而计算出频率参考激光器产生的频率波动值APk = VL.Kk，进一步根据APk,计算出各激光器的频率补偿电压AWi = VL -KkAi ;并将频率补偿电压存入补偿电压存储器；进行子模块(4.4)；
[0064](4.4)判断子模块:判断本次电压调节是否正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值状态，是则改变电压调整方向标志H，转步骤(2)，否则电压调整方向标志H保持不变，转模块(2)。
[0065]所述功率控制模块的判断子模块(4.4)进行下述判断过程之一:
[0066]A、计算当前频率参考激光器输出功率值减去所述功率存储器中上一次功率数字信号的差值ΛD，判断是否AD < Q，响应率阈值Q = -100?-1 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值；
[0067]B、计算所述功率存储器中存储的电压调整方向标志H上一次改变后所有功率数字信号中的最大值减去当前频率参考激光器输出功率值的差值AS，判断是否AS>G，减小量阈值G = I?100 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值。
[0068]由于激光器会在某一小段谐振腔腔长范围内出现峰值输出功率，本发明运用对频率参考激光器谐振腔腔长进行固定步长、固定时间间隔的主动调控，并通过上述连续的主动腔长调控所引起的微小激光功率变化判断频率参考激光器的工作状态是否正在远离输出峰值。若判断结果为“否”，则继续以当前方向调整频率参考激光器腔长，使频率参考激光器继续接近输出峰值；若判断结果为“是”，则反转频率参考激光器谐振腔腔长控制的调整方向。上述使频率参考激光器不断向输出峰值逼近的调控方法将使频率参考激光器始终动态的保持在输出峰值功率的工作状态。在频率参考激光器被控制在输出峰值的基础上，对采集到的数字中频信号进行实时监控，通过控制除频率参考激光器外的每台激光器上压电陶瓷转换器的端电压实施实时的激光器谐振腔腔长反馈，使除频率参考激光器外的N-1台激光器相对于频率参考激光器的差频保持恒定，从而实现干涉仪激光束差频稳定的目的。利用激光器输出频率与谐振腔腔长的对应关系，处于差频稳定控制下的其他激光器谐振腔腔长将与频率参考激光器腔长关联，从而跟随频率参考激光器始终工作在输出峰值点附近，这样，通过控制频率参考激光器的功率稳定就实现了控制整个激光器组功率输出稳定的作用。
[0069]本发明能够实现实时频率反馈控制，使激光器间的差频维持稳定的同时抑制激光器功率衰减，以满足高时间精度的测量需求；所涉及的装置结构简单，不需要另设额外的装置以获得频率信息，只依靠干涉仪本身的中频探测器就能实现反馈控制，并且只对激光器谐振腔一个变量进行控制，控制量单一；对于多激光器的情况下，本发明只用探测一台激光器的功率信息就能实现对多台激光器的功率控制；由于无需改变干涉仪原本的测量系统结构，信号采样端口用高阻抗的模拟信号隔离器与原测量系统隔离，对原始干涉仪测量系统的影响降至最低，确保了原系统高精度低噪声的测量环境；
【专利附图】
【附图说明】
[0070]图1是本发明整体控制装置构成图。
[0071]图2是本发明控制方法示意图；
[0072]图3是本发明控制过程示意图；
[0073]图4是本发明功率控制方法示意图。
【具体实施方式】
[0074]下面结合实施例及附图对本发明进一步说明。
[0075]如图1所示，本发明实施例，应用于3台激光器构成的激光器组，其中一台作为频率参考激光器1，每台激光器均装有压电陶瓷转换器，用于调整相应的激光器谐振腔的腔长；并且频率参考激光器I装有输出激光功率探测器5 ;第一激光器2、第二激光器3和频率参考激光器I所发射的激光束合束后形成干涉激光束，进入干涉信号探测器4，干涉信号探测器4将干涉激光束的差频信号转化为电压中频信号后送入控制装置10，并被模拟信号隔离器6读取，模拟信号隔离器6具有较高的输入阻抗使其消耗的信号能量可忽略，并且切断了控制信号与探测信号之间的耦合回路，经过模拟信号隔离器放大滤波滤掉高频噪声后，模数转换器7将中频信号转换为中频数字信号传输给数字信号处理器S(DSP)，同时，激光功率探测器5将检测到的频率参考激光器I的激光功率信号经过模数转换器7转换为功率数字信号输入到数字信号处理器8中；功率数字信号和中频数字信号被数字信号处理器8处理后得到对应的功率控制量和频率控制量，并将功率控制量和各频率控制量通过带有电压保持器的数模转换器9转变为电压信号，分别输出给3台激光器的压电陶瓷转换器。
[0076]如图2所示，本发明的实施例，包括初始化步骤、实时检测步骤、稳频控制步骤和功率控制步骤，其特征在于:
[0077](I)初始化步骤:
[0078]针对3台标定输出频率相同的激光器，任选其中一台作为频率参考激光器，在频率参考激光器的压电陶瓷转换器上施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vk =30V，调整频率参考激光器至标定输出频率Ptl = 694GHz ;每两台激光器之间的差频信号共同构成中频信号，即中频信号一共包含3个差频信号；
[0079]根据具体应用需求，预先确定其余2台激光器中各激光器输出频率与频率参考激光器输出频率间的频率差值AP1 = -1MH^ AP1 =+1.5MHz，这2个频率差值APi满足由3台激光器所产生的个差频信号在频谱上不会出现混叠的要求；同时，在其余2台激光器的压电陶瓷转换器上分别施加经过数模转换器转换为模拟量的初始控制电压约30V，将其余2台激光器中每台激光器输出频率调整到Ptl+Λ Pi, i = 1、2，频率差值为正值和频率差值为负值的激光器数量大体相等，使得整个激光器组的所有激光器的输出频率值均匀的分布在输出峰值上以达到最佳的输出状态，且频率参考激光器的输出频率值位于整个激光器组输出频率的中间位置；这样，中频信号中所包含的各个差频信号将在频谱上以已知的顺序出现；
[0080]将AP1 = -1MHz、AP1 = +1.5MHz作为2个频率设定值；并将电压调整方向标志H初始化为“O” ；“1”表示向电压增大方向调节，“O”表示向电压减小方向调节；
[0081](2)实时检测步骤:
[0082]实时获取模数转换器采集的中频数字信号和功率数字信号，所述中频数字信号由电压中频信号经模数转换器转换而得到，所述电压中频信号由3台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，通过干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化形成；
[0083]所述功率数字信号由频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换形成；
[0084]对所述中频数字信号进行FFT变换，从FFT变换得到的频谱中提取出3个峰值频率，该3个峰值频率即为混叠在中频信号中的频率差值；将所述功率数字信号存入功率存储器以便后续判断子步骤(4.4)使用；然后同时分别进行步骤(3)和步骤(4)；
[0085](3)稳频控制步骤，包括下述子步骤:
[0086](3.1)频率偏移判断子步骤:根据步骤(I)中已知的各差频信号的分布顺序，将所述2个频率设定值AP1 = -1MHz, AP1 = +1.5MHz与检测到的3个峰值频率中对应的2个峰值频率F1和F2分别对应进行比较，判断其是否全部相等，是则进行子步骤(3.3)，否则进行子步骤(3.2) ；i = 1、2 ；
[0087](3.2)计算频率修正电压子步骤:
[0088]对于其中频率设定值和峰值频率不相等的各激光器，根据当前施加在各相应激光器的压电陶瓷转换器上的控制电压，在该激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Ki，计算频率修正电压AVli = (F1-APi)Ai ；
[0089]对于其中频率设定值和峰值频率相等的各激光器，将其对应的AVli置O ;i = 1、
2:
[0090]所述激光器的频率-电压响应曲线为该激光器输出频率对压电陶瓷转换器电压变化的响应曲线；
[0091](3.3)频率控制动作子步骤:
[0092]计算控制电压改变量Δ Vi: Δ Vi = Δ Vli+ Δ Y2,；
[0093]其中，AV2,由补偿电压存储器读出，用于消除功率调控引起的频率波动；
[0094]将Vi+ Δ Vi的值赋予Vi,再将Vi经过数模转换器转换为模拟量，分别作用于N-1台激光器的压电陶瓷转换器上；
[0095]将控制电压改变量Λ V1、频率修正电压AVli与频率补偿电压AMi的值全部清零；转步骤⑵；
[0096](4)功率控制步骤，包括下述子步骤:
[0097](4.1)延时触发子步骤:设定延迟时间T = 3秒，每间隔T秒触发一次功率调控，进行子步骤(4.2)；
[0098](4.2)功率控制动作子步骤:若电压调节方向标志H为“1”，则将Vk+VL的值赋予Vk ;若电压调节方向标志H为“0”，则将Vk-VL的值赋予Vk ;其中电压调整步长VL = 40mV ；然后将Vk经过数模转换器转换为模拟量，施加于频率参考激光器的压电陶瓷转换器，进行子步骤(4.3)；
[0099](4.3)频率补偿子步骤:对其它N-1台激光器进行频率补偿:
[0100]根据当前Vk，在频率参考激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Kk，从而计算出频率参考激光器产生的频率波动值APk = VL.Kk，进一步根据APk,计算出各激光器的频率补偿电压AWi = VL -KkAi ;并将频率补偿电压存入补偿电压存储器；进行子步骤(4.4)；
[0101](4.4)判断子步骤:判断本次电压调节是否正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值状态，是则改变电压调整方向标志H，转步骤(2)，否则电压调整方向标志H保持不变，转步骤(2)。
[0102]本实施例中，功率控制步骤的判断子步骤(4.4)包括下述判断过程之一:
[0103]A、计算当前频率参考激光器输出功率值减去所述功率存储器中上一次功率数字信号的差值ΛD，判断是否AD < Q，响应率阈值Q = -8 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值；
[0104]B、计算所述功率存储器中存储的电压调整方向标志H上一次改变后所有功率数字信号中的最大值减去当前频率参考激光器输出功率值的差值AS，判断是否AS>G，减小量阈值G = 25 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值。
[0105]图3中给出了本发明的控制效果示意图，图中，横轴为激光器谐振腔腔长，纵轴为激光器输出功率，图中曲线为激光器输出功率-腔长曲线。
[0106]以三台激光器为例，频率参考激光器I谐振腔腔长为L2，在激光器输出功率-腔长曲线上对应的工作点为A点；第一激光器2工作点为B点，第二激光器3工作点为C点。频率参考激光器I的工作点A的频率处于所有激光器中的中间值。如图，激光器输出能量P将会在谐振腔腔长L的一小段范围内出现输出峰值点S。本发明对频率参考激光器I进行持续的腔长调控，使频率参考激光器I工作点A趋近于输出峰值点S。在频率参考激光器工作点A被置于其输出峰值位置，且通过腔长控制使第一激光器2、第二激光器3与参考激光器保持稳定频率差F1、F2时，由于激光器腔长与输出频率的对应关系，第一激光器2的谐振腔腔长L1、频率参考激光器I的谐振腔腔长L2、第二激光器3的谐振腔腔长L3将处于耦合的状态而保持较为稳定的间距。这样，第一激光器2工作点B和第二激光器3工作点C将跟随参考激光器I工作点A，并均匀的稳定在输出峰值点S附近的一定范围内，从而通过只控制频率参考激光器I功率稳定，实现整台干涉仪激光组处于理想的输出环境的功能。
[0107]图4给出了本发明中控制频率参考激光器I功率趋近于功率输出峰值的示意图，图中，横轴为激光器谐振腔腔长，纵轴为激光器输出功率，图中曲线为激光器输出功率-腔长曲线在峰值部分的放大。
[0108]如前所述，对频率参考激光器I压电陶瓷转换器的功率调控以固定电压变化步长VL调整，并且每隔时间T动作一次。假设初始化好激光器后，频率参考激光器I的控制电压Vk，正好使频率参考激光器I工作点处于Wl点位置，并且初始化电压调整标志为“O”;延迟触发子步骤(4.1)延迟T秒后，触发功率控制动作子步骤(4.2)，根据电压调整标志“0”，频率参考激光器控制电压Vk从当前值Vtl调整为Vtl-VL,频率参考激光器I工作位置下降到点W2处；同时频率补偿子步骤(4.3)计算出频率补偿电压M2X、AV22存入补偿电压存储器；由于频率参考激光器I频率-电压曲线在Wl处的斜率很大，频率参考激光器I从Wl点降至W2点的过程中，功率对电压变化的响应率过大，使W2点功率减去Wl点功率的差值AD< Q，判断子步骤(4.4)通过判断过程A做出“正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值”的判断，立刻将电压调整标志变更为“1”，则下一次延迟触发子步骤(4.1)触发时，功率控制动作子步骤(4.2)将以同样步长VL向增大电压方向调整频率参考激光器I控制电压Vk—步。同时频率补偿子步骤(4.3)计算出频率补偿电压AV21、AV22存入补偿电压存储器；由于这一次的电压调整将使频率参考激光器I从W2点位置回到接近Wl点的位置，其功率值增大，判断子步骤(4.4)通过判断过程A或B都不会做出“正在让频率参考激光器I的输出功率远离输出功率峰值”的判断；这样，功率控制步骤(4)将继续向控制电压增大的方向调节频率参考激光器I。重复上述过程，功率控制步骤(4)将一直以增大控制电压的方向逐步调整频率参考激光器1，使频率参考激光器I输出功率向输出峰值移动，直至频率参考激光器I工作点越过输出峰值点M，并在某一次功率控制动作子步骤(4.2)后到达工作点R ;这时，频率参考激光器I的工作点从上一次变更电压调整方向时起，已经从W2点移动到当前点工作点R ;在这个过程中，实时检测步骤(2)储存的所有功率值中的最大值出现在越过输出峰值点M时。判断子步骤(4.4)通过计算这个最大功率值减去当前功率值得差，得出该差值Λ S > G的结论，并通过判断过程B做出“正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值”的判断，立刻将电压调整标志变更为“0”，使下一次的电压调控向控制电压减小的方向进行。直至频率参考激光器I工作点再次越过功率输出峰值到达某点Z时，判断子步骤通过判断过程A和判断过程B再一次作出“正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值”的判断。依此类推，频率参考激光器I将始终在当前输出峰值左右两侧的两个能使判断过程A或判断过程B作出“正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值”判断的两个点间来回摆动，从而被动态的锁定在功率输出峰值状态。
【权利要求】
1.一种激光器组的控制方法，包括初始化步骤、实时检测步骤、稳频控制步骤和功率控制步骤，其特征在于: (1)初始化步骤: 针对N台标定输出频率相同的激光器，任选其中一台作为频率参考激光器，在频率参考激光器的压电陶瓷转换器上施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vk = Vtl，调整频率参考激光器至标定输出频率Ptl ;每两台激光器之间的差频信号共同构成中频信号，即中频信号一共包含个差频信号，2 < NS 6 ； 根据具体应用需求，预先确定其余N-1台激光器中各激光器输出频率与频率参考激光器输出频率间的频率差值APi, i = 1、2、…N-l，APi = ±1ΚΗζ?± 1GHz，这N-1个频率差值APi必须满足由N台激光器所产生的个差频信号在频谱上不会出现混叠的要求；同时，在其余N-1台激光器的压电陶瓷转换器上分别施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压\，将其余N-1台激光器中每台激光器输出频率调整到Ptl+ Δ Pi,频率差值为正值和频率差值为负值的激光器数量大体相等，使得整个激光器组的所有激光器的输出频率值均匀的分布在输出峰值上以达到最佳的输出状态，且频率参考激光器的输出频率值位于整个激光器组输出频率的中间位置；这样，中频信号中所包含的各个差频信号将在频谱上以已知的顺序出现； 将所述N-1个频率差值APi作为N-1个频率设定值；并将电压调整方向标志H初始化为“ I”或“O” ；“ I”表示向电压增大方向调节，“O”表示向电压减小方向调节； (2)实时检测步骤: 实时获取模数转换器采集的中频数字信号和功率数字信号，所述中频数字信号由电压中频信号经模数转换器转换而得到，所述电压中频信号由各台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，通过干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化形成； 所述功率数字信号由频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换形成； 对所述中频数字信号进行FFT变换，从FFT变换得到的频谱中提取出(:?个峰值频率，该Cg个峰值频率即为混叠在中频信号中的频率差值；将所述功率数字信号存入功率存储器以便后续判断子步骤(4.4)使用；然后同时分别进行步骤(3)和步骤(4)； (3)稳频控制步骤，包括下述子步骤: (3.1)频率偏移判断子步骤:根据步骤(I)中已知的各差频信号的分布顺序，将所述N-1个频率设定值△ Pi与检测到的(:?个峰值频率中对应的N-1个峰值频率Fi,分别对应进行比较，判断其是否全部相等，是则进行子步骤(3.3)，否则进行子步骤(3.2) ；i = 1、2^..N-1 ； (3.2)计算频率修正电压子步骤: 对于其中频率设定值和峰值频率不相等的各激光器，根据当前施加在各相应激光器的压电陶瓷转换器上的控制电压，在该激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Ki,计算频率修正电压AVli = (F1-APi)Ai ； 对于其中频率设定值和峰值频率相等的各激光器，将其对应的AVli置O ;i = 1、2、或N-1 ； 所述激光器的频率-电压响应曲线为该激光器输出频率对压电陶瓷转换器电压变化的响应曲线； (3.3)频率控制动作子步骤: 计算控制电压改变量AVi =AVi = AVli+AV2i ； 其中，AV2i由补偿电压存储器读出，用于消除功率调控引起的频率波动； 将Vi+Λ Vi的值赋予Vi，再将Vi经过数模转换器转换为模拟量，分别作用于N-1台激光器的压电陶瓷转换器上； 将控制电压改变量AV1、频率修正电压AVli与频率补偿电压AMi的值全部清零；转步骤⑵； (4)功率控制步骤，包括下述子步骤: (4.1)延时触发子步骤:设定延迟时间T，T = I?10秒，每间隔T秒触发一次功率调控，进行子步骤(4.2)； (4.2)功率控制动作子步骤:若电压调节方向标志H为“1”，则将Vk+VL的值赋予Vk ;若电压调节方向标志H为“0”，则将Vk-VL的值赋予Vk ;其中电压调整步长VL = ImV?IV ;然后将Vk经过数模转换器转换为模拟量，施加于频率参考激光器的压电陶瓷转换器，进行子步骤(4.3)； (4.3)频率补偿子步骤:对其它N-1台激光器进行频率补偿: 根据当前Vk，在频率参考激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Kk，从而计算出频率参考激光器产生的频率波动值APk = VL.Kk，进一步根据APk,计算出各激光器的频率补偿电压AWi = VL -KkAi ;并将频率补偿电压存入补偿电压存储器；进行子步骤(4.4)； (4.4)判断子步骤:判断本次电压调节是否正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值状态，是则改变电压调整方向标志H，转步骤(2)，否则电压调整方向标志H保持不变，转步骤(2)。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于: 所述功率控制步骤的判断子步骤(4.4)包括下述过程之一: A、计算当前频率参考激光器输出功率值减去所述功率存储器中上一次功率数字信号的差值ΛD，判断是否AD < Q，响应率阈值Q = -100?-1 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值； B、计算所述功率存储器中存储的电压调整方向标志H上一次改变后所有功率数字信号中的最大值减去当前频率参考激光器输出功率值的差值AS，判断是否AS>G，减小量阈值G = I?100 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值。
3.一种激光器组的控制系统，包括初始化模块、实时检测模块、稳频控制模块和功率控制模块，其特征在于: (I)初始化模块: 针对N台标定输出频率相同的激光器，任选其中一台作为频率参考激光器，在频率参考激光器的压电陶瓷转换器上施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压Vk = Vtl，调整频率参考激光器至标定输出频率Ptl ;每两台激光器之间的差频信号共同构成中频信号，即中频信号一共包含个差频信号，2 < NS 6 ； 根据具体应用需求，预先确定其余N-1台激光器中各激光器输出频率与频率参考激光器输出频率间的频率差值APi, i = 1、2、…N-l，APi = ±1ΚΗζ?± 1GHz，这N-1个频率差值APi必须满足由N台激光器所产生的个差频信号在频谱上不会出现混叠的要求；同时，在其余N-1台激光器的压电陶瓷转换器上分别施加经过数模转换器转换为模拟量的控制电压\，将其余N-1台激光器中每台激光器输出频率调整到Ptl+ Δ Pi,频率差值为正值和频率差值为负值的激光器数量大体相等，使得整个激光器组的所有激光器的输出频率值均匀的分布在输出峰值上以达到最佳的输出状态，且频率参考激光器的输出频率值位于整个激光器组输出频率的中间位置；这样，中频信号中所包含的各个差频信号将在频谱上以已知的顺序出现； 将所述N-1个频率差值APi作为N-1个频率设定值；并将电压调整方向标志H初始化为“I”或“O” ；“1”表示向电压增大方向调节，“O”表示向电压减小方向调节； (2)实时检测模块: 实时获取模数转换器采集的中频数字信号和功率数字信号，所述中频数字信号由电压中频信号经模数转换器转换而得到，所述电压中频信号由各台激光器所发射的激光束合束后形成干涉激光束，通过干涉信号探测器将干涉激光束的差频信号转化形成； 所述功率数字信号由频率参考激光器的激光功率信号经过模数转换器转换形成； 对所述中频数字信号进行FFT变换，从FFT变换得到的频谱中提取d I"峰值频率，该(:?个峰值频率即为混叠在中频信号中的频率差值；将所述功率数字信号存入功率存储器以便后续判断子模块(4.4)使用；然后同时分别进行模块(3)和模块(4)； (3)稳频控制模块，包括下述子模块: (3.1)频率偏移判断子模块:根据步骤(I)中已知的各差频信号的分布顺序，将所述N-1个频率设定值△ Pi与检测到的Cg个峰值频率中对应的N-1个峰值频率Fi,分别对应进行比较，判断其是否全部相等，是则进行子模块(3.3)，否则进行子模块(3.2) ；i = 1、2^..N-1 ； (3.2)计算频率修正电压子模块: 对于其中频率设定值和峰值频率不相等的各激光器，根据当前施加在各相应激光器的压电陶瓷转换器上的控制电压，在该激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Ki,计算频率修正电压AVli = (F1-APi)Ai ； 对于其中频率设定值和峰值频率相等的各激光器，将其对应的AVli置O ;i = 1、2、或N-1 ； 所述激光器的频率-电压响应曲线为该激光器输出频率对压电陶瓷转换器电压变化的响应曲线； (3.3)频率控制动作子模块: 计算控制电压改变量AVi =AVi = AVli+AV2i ； 其中，AV2i由补偿电压存储器读出，用于消除功率调控引起的频率波动； 将Vi+Λ Vi的值赋予Vi，再将Vi经过数模转换器转换为模拟量，分别作用于N-1台激光器的压电陶瓷转换器上； 将控制电压改变量AV1、频率修正电压AVli与频率补偿电压AMi的值全部清零；转模块⑵； (4)功率控制模块，包括下述子模块: (4.1)延时触发子模块:设定延迟时间T，T = I?10秒，每间隔T秒触发一次功率调控，进行子模块(4.2);该延迟时间T足够大于实时频率控制的时间尺度，以使得实时频率控制能够及时的抑制功率调控动作所引起的频率波动， (4.2)功率控制动作子模块:若电压调节方向标志H为“1”，则将Vk+VL的值赋予Vk ;若电压调节方向标志H为“0”，则将Vk-VL的值赋予Vk ;其中电压调整步长VL = ImV?IV ;然后将Vk经过数模转换器转换为模拟量，施加于频率参考激光器的压电陶瓷转换器，进行子模块(4.3)； (4.3)频率补偿子模块:对其它N-1台激光器进行频率补偿: 根据当前Vk，在频率参考激光器的频率-电压响应曲线上找到对应点的斜率Kk，从而计算出频率参考激光器产生的频率波动值APk = VL.Kk，进一步根据APk,计算出各激光器的频率补偿电压AWi = VL -KkAi ;并将频率补偿电压存入补偿电压存储器；进行子模块(4.4)； (4.4)判断子模块:判断本次电压调节是否正在让频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值状态，是则改变电压调整方向标志H，转步骤(2)，否则电压调整方向标志H保持不变，转模块(2)。
4.如权利要求3所述功率控制模块的判断子模块(4.4)进行下述判断过程之一: A、计算当前频率参考激光器输出功率值减去所述功率存储器中上一次功率数字信号的差值ΛD，判断是否AD < Q，响应率阈值Q = -100?-1 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值； B、计算所述功率存储器中存储的电压调整方向标志H上一次改变后所有功率数字信号中的最大值减去当前频率参考激光器输出功率值的差值AS，判断是否AS>G，减小量阈值G = I?100 ;是则频率参考激光器的输出功率远离输出功率峰值，否则频率参考激光器的输出功率未远离输出功率峰值。
【文档编号】H01S3/13GK104167660SQ201410386672
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】陈杰, 熊川羽, 庄革 申请人:华中科技大学