實(shí)驗(yàn)名稱：太赫茲激光穩(wěn)定輸出控制原理

測試設(shè)備：電壓放大器、THz激光探測器、數(shù)據(jù)采集卡等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：THz激光穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

THz激光穩(wěn)定控制系統(tǒng)原理如圖1所示，主要包括THz激光探測器，數(shù)據(jù)采集卡，電壓放大器。其中THz激光功率計(jì)探測到THz激光后得到直流電壓信號。由計(jì)算機(jī)圖形化編程Labview控制的數(shù)據(jù)采集卡對THz激光功率信號進(jìn)行采集，并對采集到的信號進(jìn)行分析，并給出誤差電壓信號控制數(shù)據(jù)采集卡上的D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓信號，經(jīng)電壓放大器放大后反饋至泵浦激光器諧振腔的壓電陶瓷上。若電壓增加，功率增加，則電壓變化方向不變，電壓繼續(xù)增加，若功率降低則電壓變化方向反向。使THz激光功率始終保持在極大值的位置。我們稱之為極大值法，流程圖如圖2所示。

圖2：THz激光穩(wěn)定控制系統(tǒng)流程示意圖

測試結(jié)果：

圖3：光泵THz激光主動(dòng)穩(wěn)定控制裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，THz激光器采用直流激勵(lì)的機(jī)械斬波調(diào)QCO2激光器作為泵浦源，調(diào)節(jié)光柵角度輸出譜線9P(36)支，重復(fù)頻率20kHz時(shí)，得到泵浦激光的平均功率最高為6.7W。在THz振蕩器內(nèi)充入甲醇工作氣體，工作氣壓15Pa獲得脈沖THz激光最高平均功率為7.2mW。THz激光經(jīng)高阻硅鏡片分束后，一束THz激光反射至P4型熱釋電探測器，探測到的脈沖信號送至控制系統(tǒng)經(jīng)放大及整流電路后由計(jì)算機(jī)控制的采集卡采集電壓信號分析電壓變化后給出誤差電壓信號經(jīng)電壓放大器放大后反饋至泵浦激光器諧振腔壓電陶瓷從而調(diào)節(jié)泵浦激光的頻率，使THz激光穩(wěn)定在極大值的位置。另一束THz激光透過硅片后入射至THz激光功率計(jì)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄監(jiān)視THz激光的功率變化情況。

圖4：THz激光自由運(yùn)轉(zhuǎn)功率的漂移

實(shí)驗(yàn)中，光泵THz激光系統(tǒng)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，在15分鐘內(nèi)測量并記錄了THz激光功率的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，THz激光功率變化范圍為1.5mW~6mW，變化具有一定的隨機(jī)性，率變化速度最大0.088mW/s，功控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于50ms，控制電壓步長最小為500V/4096=0.12V，滿足控制精度的要求，通過計(jì)算激光功率穩(wěn)定度為0.75。壓電陶瓷最大伸縮量10μm，因此壓電陶瓷電壓在0~500V變化時(shí)，對于F-P諧振腔及波長為9.69μm的泵浦激光而言，泵浦激光頻率的變化周期大于2s，滿足調(diào)諧要求。泵浦激光器的諧振腔長度為1.5m，自由光譜范圍約為100MHz，甲醇?xì)怏w共振吸收頻率距泵浦激光譜線中心+24MHz左右，位于泵浦激光可調(diào)諧范圍內(nèi)?？纱致缘墓浪阕罴驯闷诸l率處泵浦激光功率大約處于最大功率和最小功率之間。

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圖：ATA-214高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇