紧凑型HCN双色激光器的研制及其稳定性控制研究

论文摘要

远红外氰化氢(HCN)激光干涉仪是用于测量磁约束聚变装置中等离子体电子密度的重要诊断之一,干涉仪的光源为HCN气体激光器,波长为337?m,频率为0.89THz。HCN激光干涉仪通常采用外差式测量,在应用时必须产生外差探测所需要的拍频信号,传统的HCN激光干涉仪通常使用传统的HCN单色激光器作为光源,利用转动光栅来调制出拍频信号,这种方法固然容易实现,但是由于转动光栅转速受限,且光栅转动产生机械振动,会导致激光干涉仪系统时间分辨率较低(小于100KHz),信噪比较差,高时间分辨率和高精度的电子密度测量要求急需研制具有稳定高频差的HCN双色激光器。此外,太赫兹(THz)成像等技术应用的发展,也急需紧凑的小型化的太赫兹激光器作为光源。本文为了获得更高的时间分辨率和更好的信噪比,成功研制出了谐振腔长度为1米的紧凑高中频(兆赫兹量级)太赫兹(0.89THz)连续波HCN双色激光器系统,并对其输出功率和中频进行了控制研究。论文工作期间,完成了激光器整体结构的设计,研制了具有双极驱动特性的谐振腔调节机构并成功应用;设计了基于输出功率和中频控制的谐振腔自动反馈调节系统,并完成了硬件的设计加工与软件编写;进行了双色激光器系统的台面实验,对双色激光器的输出特性和稳定性控制系统的控制效果进行了研究分析。实验结果表明,最新搭建的谐振腔长度1米的HCN双色激光器体积小、结构紧凑、放电平稳,可以进行长时间连续放电,其输出功率为1mW。调节HCN双色激光器的谐振腔长度,得到了不同兆赫兹量级的中频信号(0.2~1.25MHz),通过谐振腔调节系统改变谐振腔长度为1?m时,产生大约0.68MHz的中频。通过压电陶瓷可以实现对激光器中频信号的连续调节,调节精度为10nm。最新设计的HCN双色激光器稳定性反馈控制系统,能够长时间保持HCN双色激光器的输出功率稳定,并可以初步控制激光器的中频。本论文对紧凑型HCN双色激光器系统进行了较为全面的研究,并初步建立了稳定性反馈控制系统,为今后HCN双色激光器的实际应用奠定了基础。

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摘要

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第一章绪论

1.1 课题背景

1.1.1 能源问题及EAST全超导托卡马克

1.1.2 远红外HCN激光干涉仪

1.1.3 太赫兹技术和小型HCN激光器

1.2 国内外研究现状

1.2.1 远红外激光器研究进展

1.2.2 激光器腔长调节系统的研究进展

1.3 本文工作的意义

1.4 本文的工作内容及创新点

第二章 HCN双色激光器工作原理及稳定性控制思路

2.1 HCN激光器工作原理

2.2 双激光器系统稳定性控制原理

2.2.1 HCN激光器输出功率与腔长的关系

2.2.2 双激光器中频稳定度

2.2.3 双激光器中频产生原理

2.3 影响激光器输出功率及中频的因素

2.4 稳定性控制系统设计思路

2.5 本章小结

第三章紧凑型HCN双色激光器及其稳定性控制系统执行机构

3.1 紧凑型HCN双色激光器系统

3.1.1 紧凑型HCN双色激光器的主体结构

3.1.2 辅助系统

3.2 控制系统执行器的选择

3.2.1 步进电机的选择

3.2.2 压电陶瓷的选择

3.3 稳定性控制执行机构的研制

3.4 本章小结

第四章紧凑型HCN双色激光器稳定性自动反馈控制系统

4.1 控制系统的硬件设计

4.1.1 PLC的选型及工作原理

4.1.2 稳定性控制系统硬件组态

4.2 下位机PLC的软件实现

4.2.1 编程软件XG5000

4.2.2 PLC控制程序的设计

4.2.3 PLC主要控制程序

4.3 远程监测与控制系统的设计

4.4 本章小结

第五章台面实验研究及结果

5.1 HCN双色激光器系统台面实验

5.2 台面实验结果

5.3 结果分析

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 解家兴

导师: 申俊杰

关键词: 远红外激光干涉仪,双色激光器,紧凑型,稳定性控制

来源: 天津理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 天津理工大学

分类号: TN248

总页数: 53

文件大小: 3942K

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