實(shí)驗(yàn)名稱：激光干涉儀數(shù)字仿真及控制研究

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

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖。激光束用實(shí)線表示，電信號(hào)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(cè)器。FPGA：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(dòng)?？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(cè)器(PD1)檢測(cè)。之后的光電流被解調(diào)，其基準(zhǔn)來(lái)自與調(diào)制激光器相同的本地振蕩器。通過(guò)光學(xué)腔透射的激光由另一個(gè)光電探測(cè)器(PD2)探測(cè)，并且探測(cè)到的光電流被用作光學(xué)功率參考。誤差信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將其輸入現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，連接到高壓放大器，然后連接到腔的PZT上以驅(qū)動(dòng)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(duì)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(hào)。藍(lán)色部分是測(cè)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(hào)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(hào)分析儀通過(guò)向壓電陶瓷注入一個(gè)正弦信號(hào)并檢測(cè)相應(yīng)的誤差信號(hào)來(lái)測(cè)量的。圖3給出了在沒(méi)有伺服系統(tǒng)控制下的開(kāi)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(dòng)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(hào)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(cè)量的。

圖4：誤差信號(hào)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(hào)。

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(hào)。

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(duì)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(hào)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(hào)和腔透射。紅線代表誤差信號(hào)，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(hào)仍保持為零，說(shuō)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(hào)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