面向原子光学器件的VCSEL激光器驱动电路设计及激光稳频

发布时间：2022-02-16 21:38

　　垂直腔面发射激光器（VCSEL）因其低功耗、小体积、可调谐等优点,被广泛用作原子钟、原子磁强计、原子陀螺仪等精密光学仪器的光源。随着VCSEL技术的发展,其应用领域也发生了扩展。低功耗VCSEL在5G通信、陀螺仪等精密仪器扮演着重要角色。近几年,VCSEL在向着大功率、小体积的方向发展,这种VCSEL将被应用在激光雷达和无人驾驶汽车上。为了驱动激光器工作,根据VCSEL工作要求,设计了一种输出范围在0² mA,用于驱动VCSEL的恒流源电路。电路设计采用负反馈原理,可输出一个稳定的电压,经过电压电流转化为恒定电流输出。为使输出电流更加稳定,在电路中加入现场可编程门阵列（FPGA）芯片EP4CE10F17C8组成控制电路。最后对电路输出性能进行测试,测试结果表明电流的纹波系数为0.01,电流稳定度为±0.02 mA。由于激光器易受环境影响使其输出频率偏移,所以对激光器进行锁频研究非常重要。文中以原子的吸收谱线做为参考信号,结合FPGA芯片和外围电路组成伺服控制系统,实现激光器锁频。实验中,欲将激光器频率锁定在吸收谱线最低点,先对激光进行调制解调得到误差信号,FPGA... 

【文章来源】：中北大学山西省

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 VCSEL激光器研究概况
    1.3 激光锁频技术研究概况
    1.4 本文研究内容及章节安排
2 VCSEL激光器稳定性分析
    2.1 VCSEL激光器工作原理分析
    2.2 VCSEL激光器频率稳定性的影响因素
        2.2.1 驱动电流
        2.2.2 温度
        2.2.3 锁频精度
    2.3 本章小结
3 激光器驱动及光电探测电路设计
    3.1 设计思路
    3.2 驱动电路设计
        3.2.1 稳压电源模块
        3.2.2 可调偏置电路
        3.2.3 控制电路
        3.2.4 延时电路和保护电路
    3.3 光电探测电路设计
        3.3.1 光电二极管工作方式
        3.3.2 光电探测电路设计
            3.3.2.1 前置放大电路设计
            3.3.2.2 带通滤波电路设计
    3.4 本章小结
4 激光器锁频电路设计
    4.1 锁频原理
    4.2 信号发生模块
        4.2.1 扫描信号
        4.2.2 调制信号
    4.3 锁频模块关键电路设计
        4.3.1 模数转换电路
        4.3.2 数模转换电路
        4.3.3 电源模块
        4.3.4 加法器设计
        4.3.5 数码管模块
    4.4 锁频数字电路设计
        4.4.1 数字PI控制环节
        4.4.2 激光器频率的控制算法及锁定
    4.5 本章小结
5 激光器驱动电路及锁频测试
    5.1 驱动电路输出测试
        5.1.1 电流稳定性
        5.1.2 激光器输出测试
    5.2 激光频率锁定系统测试
    5.3 本章小结
6 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]3D真的来了吗？——三维结构光传感器漫谈[J]. 左超,张晓磊,胡岩,尹维,沈德同,钟锦鑫,郑晶,陈钱.  红外与激光工程. 2020(03)
[2]封装对大功率VCSEL窄脉冲发光特性的影响[J]. 颜颖颖,陈志文,邱剑,刘克富,张建伟.  光学学报. 2020(08)
[3]一种高选择性的可调0.83～2.15GHz带通滤波器[J]. 王显,张德伟,刘庆,吕大龙,张毅,杨松涛.  强激光与粒子束. 2019(11)
[4]创新光电二极管前置放大电路设计方法[J]. 张锐舟,张丕状,姚金杰,陈明,刘畅.  国外电子测量技术. 2019(11)
[5]910nm高峰值功率垂直腔面发射激光光源[J]. 梁雪梅,张星,张建伟,周寅利,黄佑文,宁永强,王立军.  红外与毫米波学报. 2019(05)
[6]基于现场可编程门阵列的差分四相相移键控调制解调算法设计[J]. 王晨,潘建国,郑振东,王芳.  上海师范大学学报(自然科学版). 2019(04)
[7]基于模糊PID控制的外腔半导体激光稳频系统研究[J]. 汪洋,汪宇航,苏颖,张倩,程育昊.  上海师范大学学报(自然科学版). 2019(04)
[8]半导体激光器稳频综述[J]. 贡昊,王宇,白金海,胡栋.  计测技术. 2019(03)
[9]基于Allan方差的MEMS陀螺仪随机误差辨识与抑制[J]. 马群,王庆,阳媛,盛浩.  传感器与微系统. 2019(06)
[10]谐振式光学陀螺的改进型伺服控制器设计[J]. 孙颖,张成飞,刘文耀,刘俊,唐军.  激光与红外. 2019(02)

博士论文
[1]CPT原子钟物理系统的研究与探索[D]. 杨晶.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2014
[2]高功率垂直腔面发射激光器的设计及制备[D]. 郝永芹.长春理工大学 2007

硕士论文
[1]激光冷却分子锁频相关技术研究[D]. 王东月.浙江大学 2019
[2]偏频锁定式热稳频激光器水冷散热技术研究[D]. 冯杰.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于铷原子谱线的激光器锁定控制系统研究与实现[D]. 雷鸣.武汉理工大学 2015
[4]面向角速度传感的高Q微球腔频率快速跟踪锁定技术研究[D]. 张蔚云.中北大学 2014
[5]温度对POP铷原子钟性能的影响及其光学系统小型化[D]. 薛文祥.中国科学院研究生院(国家授时中心) 2012



本文编号：3628706