一种基于温度控制的激光功率稳定系统

本发明属于超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置领域，具体涉及一种基于温度控制的激光器光功率稳定系统。

背景技术：

1、航空、航天、自动驾驶等领域对高精度惯性导航有着迫切的需要，而陀螺仪则是惯性导航系统的核心部件，陀螺仪的性能直接决定惯导系统的总体性能。原子陀螺仪被认为是新一代超高精度陀螺仪的重要发展方向，超高灵敏惯性测量装置支撑研制的原子陀螺仪理论零偏稳定性可达，其具有小体积、超高精度的优点。

2、在惯性测量装置中，激光器是最重要的组件之一，由激光抽运系统和激光检测产生的光抽运误差是影响惯性测量装置长期稳定性的关键因素。在激光抽运系统中，抽运激光可以使气室中的原子极化从而趋向于激光的传播方向，而当载体发生相对旋转时，极化原子本身的朝向也会向着固连在载体上的激光方向发生偏移，在原子定轴性的共同作用下，原子会达到一种平衡态，该位置与载体此时旋转的角速度相关。抽运激光与原子气室和主磁场的非对准、抽运激光功率和频率的波动会产生纵向光抽运误差，从而影响原子自旋系统的极化效率和极化稳定性，进而会影响核自旋自补偿能力并产生极化磁场波动误差，同时抽运激光还会对碱金属原子产生光频移，从而引起双轴耦合误差。在激光检测系统中，检测激光与抽运激光正交穿过气室，气室中原子方位角的改变同时也会改变检测激光的光旋角，通过检测该束激光的输出特性从而能够精确测量载体转动角速度。检测激光的椭圆偏振分量则会产生横向光抽运和光频移误差，会将检测激光功率和频率的波动耦合到系统输出中，直接影响系统的稳定性。

3、常见的激光功率稳定方法受系统致动器损伤阈值的限制，难以适应高功率激光器稳功率的应用场景，尤其在超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置等应用场景中，常常需要大功率的抽运激光，所以研制一种可以用于大功率激光且短期与长期稳定性出色的激光稳功率系统具有重要意义。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于温度控制的激光功率稳定系统，采用声光调制器作为稳功率系统的执行器，声光调制器能够承受高达250w/mm2的光功率密度。针对声光调制器温度敏感的特性，设计了温度控制的系统对声光调制器温度进行实时稳定。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于温度控制的激光功率稳定系统，包括通过光路依次连接的半波片、格兰泰勒棱镜、声光调制器、孔径光阑、分光器件，以及控制部分：功率反馈控制单元和温度反馈控制单元。

4、入射激光经过所述半波片旋转偏振角度，调整激光的偏振方向为竖直方向，所述格兰泰勒棱镜将入射激光的偏振态进一步纯化，并将其输入到声光调制器。

5、所述功率反馈控制单元的输入端连接分光器件，输出端连接声光调制器；所述的声光调制器根据所述功率反馈控制单元的偏置电压大小调整激光功率。

6、所述温度反馈控制单元连接声光调制器，根据所述声光调制器的表面温度变化进行温度控制；

7、所述声光调制器用于产生0级衍射光和1级衍射光；

8、所述孔径光阑用于对1级衍射光进行滤除并保留0级衍射光；

9、所述分光器件用于将0级衍射光分为第一光束和第二光束，其中第一光束由功率反馈控制单元捕获，以控制第一光束激光输出功率，第二光束用于下游实验；所述分光器件的分光比约为0.3%。

10、所述的功率反馈控制单元，包含了光电探测器，信号采集电路，控制器，dac输出模块，射频驱动器。所述光电探测器的输入与分光器件输出的反射光通过光路连接，所述的光电探测器、信号采集电路、控制器、dac输出模块、射频驱动器之间通过电气连接实现信号传输。光电探测器将光功率信号转换为电信号，经信号采集电路采集后控制器根据实际值与设定值的误差结合pid算法得出需要输出到所述声光调制器的控制电压，经dac输出模块到射频驱动器，dac输出的偏置电压会经过滤波电路进行滤波，降低噪声。

11、所述的温度反馈控制单元由温度传感器，调理电路以及温控控制器、半导体制冷器组成，温度传感器采集声光调制器的温度信息并转换为电信号，经调理电路输出至温控控制器，温控控制器主要由集成模拟温控芯片及其外围电路组成，基于pid的算法调整流过半导体制冷器的电流，从而实现对声光调制器温度的稳定。所述的温度反馈控制单元对声光调制器进行温度控制，将声光调制器的表面温度稳定在一个温度值，这个温度值在0-40℃之间。

12、所述的半波片、格兰泰勒棱镜、声光调制器、孔径光阑、分光器件设计在一个小型化光路机箱内，减少与外界的热交换，便于控制温度稳定，同时小体积便于使用。

13、本发明的有益效果在于：以全自动的方式快速将超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置的高功率的抽运光、小功率检测光功率稳定到所需水平，为超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置提供高质量激光光源。对声光调制器进行了温度反馈控制，减少了系统受温度影响导致的功率漂移，提升了激光功率稳定的长期稳定性。

技术特征：

1.一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，包括半波片、格兰泰勒棱镜、声光调制器、孔径光阑、分光器件、功率反馈控制单元、温度反馈控制单元；

2.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述半波片将入射激光的偏振方向调整为竖直方向。

3.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述声光调制器根据控制信号对输入的激光信号进行调制，以控制0级和1级衍射光功率的相对大小。

4.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述温度反馈控制单元将声光调制器的温度稳定在0-40℃之间。

5.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述分光器件的分光比为0.3%。

6.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述功率反馈控制单元包括依次电连接的光电探测器，信号采集电路，功率反馈控制器，dac输出模块，射频驱动器，所述光电探测器的输入端与分光器件输出的反射光通过光路连接，将输出的反射光功率信号转换为电信号，功率反馈控制器接收信号采集电路采集到的电信号，并与功率设定值进行比较，依据pid算法得出控制电压，所述控制电压经dac输出模块并滤波降噪后传输至射频驱动器，所述射频驱动器的输出端连接声光调制器。

7.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，其特征在于，所述温度控制单元包括温度传感器、调理电路、温控控制器、半导体制冷器，温度传感器采集声光调制器的温度信息并转换为电信号，经调理电路输出至温控控制器，温控控制器比较电信号以及预先设定的温度，基于pid的算法调整流过半导体制冷器的电流，从而实现对声光调制器温度的控制。

8.如权利要求1所述的一种基于温度控制的激光功率稳定系统，所述的半波片、格兰泰勒棱镜、声光调制器、孔径光阑、分光器件设计在一个小型化光路机箱内。

技术总结本发明公开了一种基于温度控制的激光功率稳定系统。所述系统中，入射激光通过半波片调整其偏振方向，格兰泰勒棱镜将入射激光偏振状态进一步纯化，经声光调制器发生布拉格衍射产生0级衍射光和1级衍射光，1级衍射光被孔径光阑挡住，0级衍射光通过孔径光阑，经过分光器件后绝大部分激光被分光器件透射，极小部分的激光反射后经功率反馈控制单元捕获，用于实现对激光功率的反馈控制。温度反馈控制单元用于实现对声光调制器的温度稳定控制，减少由于温度变化引起的激光偏振态变化以及功率漂移，提升激光功率长期稳定性。本发明操作简单并集成了小型化的光路机箱，在减少与外界热交换、有利于温度稳定控制的同时，便于应用。技术研发人员：周新秀,魏小胜,曹朝扬,崔培玲,邹升受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25