专利名称：飞秒激光脉冲位相精密控制技术及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞秒激光脉冲位相精密控制的技术及其装置，特别是基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲位相精密控制技术及装置。属于超快激光脉冲精密控制的技术领域。
背景技术：
自激光诞生以来，相干控制已成为物理学中最主要、最富有成效的研究领域之一。在众多的相干控制技术中，激光脉冲位相控制技术被广泛的应用于超短脉冲测量、超短脉冲合成、量子相干控制化学反应等科技发展的前沿领域。
比较常用的实现激光脉冲位相控制的技术方法是利用色散介质改变不同激光波长的脉冲的相对位相，但此方法对于激光脉冲位相的控制精密度不高，进一步应用于飞秒、亚飞秒乃至阿秒激光脉冲位相的控制比较困难。本发明则采用具备纳米级精度的压电陶瓷(以下简称为“PZT”)作为控制元件，利用PZT材料的压电特性，通过外加驱动信号的变化来精密控制超快激光脉冲的位相。
现有的利用PZT进行激光脉冲位相精密控制的技术，大多采用在激光器光源中加载调制电流信号的方法进行信号的调制，这种方法容易在进行信号调制的同时，将调制电流中包含的干扰信号也一起引入系统，造成位相控制存在偏差。针对这一情况，本装置将调制信号通过电路模块直接加载到控制元件PZT上，引起PZT长度的微小变化，对系统进行信号调制，这样既减少了引入干扰信号的通道，同时又提高了位相控制的精度。同时，本装置可以按照需要分别设定为扫描运行模式和锁相运行模式，可以更方便的实现激光脉冲位相的精密控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现飞秒激光脉冲位相精密控制的技术。
本发明的另一目的在于提供实现这种飞秒激光脉冲位相精密控制技术的精密控制装置。
本发明所述的飞秒激光脉冲位相精密控制装置主要包括迈克尔逊干涉仪、光电探测器和伺服电路控制系统。
迈克尔逊干涉仪主要由激光光源、光学高反镜、50％分束片及固定了高反镜的圆管状PZT组成。本发明的创新之处在于迈克尔逊干涉仪的一臂的高反镜背面固定有控制元件PZT上，另一臂由两个相互垂直的高反镜组成。PZT在伺服电路系统输出信号的驱动下，发生长度伸缩，对于迈克尔逊干涉仪光路进行精密调节。
光电探测器接收干涉仪输出的光信号，并将其转化为电信号，光电探测器的输出端与伺服电路控制系统的信号解调模块的一个输入端相连。
伺服电路控制系统是本发明根据已有的相关技术发明的一种新系统，主要包括信号扫描模块、信号调制模块、信号解调模块、模式切换模块、复合放大模块及电源模块。
信号扫描模块由扫描信号发生器和信号跟随器组成。扫描信号发生器的输出端与信号跟随器的输入端相连，信号扫描模块的输出端通过模式切换模块与复合放大模块的一个输入端相连。
信号调制模块由调制信号发生器和信号跟随器组成。调制信号发生器的输出端与信号跟随器的输入端相连。这一模块共有两个输出端一个与信号解调模块中锁相电路的移相器的输入端相连；另一个输出端与复合放大模块的一个输入端相连。
信号解调模块由光电接收电路、锁相电路和积分电路组成。光电接收电路的输入信号是光电探测器输出的光电信号，其输出端与锁相电路的一个输入端相连。锁相电路的另一个输入端与调制信号模块的一个输出端相连。其中，光电接收电路由带通滤波器(以下简称为“BPF”)和信号放大器组成。BPF的输入端与光电探测器的输出端相连，BPF的输出端与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输出信号端与锁相电路中乘法器的一个输入端相连。锁相电路由移相器、乘法器和低通滤波器(以下简称为“LPF”)组成。移相器的输入端与调制信号的一个输出端相连。乘法器是整个锁相电路的核心部分，乘法器的一个信号输入端与光电接收电路的输出端相连；另一个输入端与移相器的输出端相连接。乘法器的输出信号端与LPF的输入端相连，LPF的输出端与积分电路中的前级信号跟随器的输入端相连接。积分电路由积分器及两个信号跟随器组成。在积分器的前后级分别连接信号跟随器，前级信号跟随器的输入端与锁相电路中的LPF的输出端连接，后级信号跟随器的输出信号为解调信号，通过模式切换装置与复合放大器的一个输入端连接。
复合放大模块是由前级放大器、后级高压放大器和偏置电压电路组成。复合放大模块共有三个信号输入端，其中两个输入端分别与信号调制电路的输出端及偏置电压电路的输出端连接。其中，偏置信号电路产生幅度可调节的直流偏置电压信号。第三个信号输入端则通过模式切换模块与扫描信号电路的输出端和解调信号电路输出端相连接。
伺服电路控制系统的电源模块由两组双路输出的低压稳压电源电路和一组单路输出的高压稳压电源电路提供。
具体来说本发明提供的激光脉冲位相精密控制技术包括以下两个步骤第一步将运行模式切换到扫描运行模式，此时伺服控制系统不对输入的光电信号进行处理，产生的信号为扫描信号(扫描模块产生)及调制信号(调制模块产生)的叠加信号(在复合放大模块内进行信号叠加放大)，这个叠加信号直接作用在PZT上，调制信号的作用是使PZT产生按调制频率的，小幅度的长度伸缩，实现对于光路的信号调制；而扫描信号的作用则是是PZT产生按一定频率的，幅度约一个激光波长的长度伸缩，使PZT在其平衡位置的左右来回摆动，对干涉仪形成的闭合激光腔的纵膜进行扫描。通过调节迈克尔逊干涉仪两臂的高反镜，对迈克尔逊干涉仪形成的闭合激光腔进行调节，实现干涉仪光路的初步调节。
第二步完成干涉仪光路的初步调节后，可将伺服系统的运行模式调整到锁腔模式(通过切换模块选择)。在此运行模式下，饲服电路控制系统将对输入的光电信号进行处理，而中断扫描信号的输出。系统将输入光电信号通过光电接收电路进行带宽滤波、预放大等处理后，输入到锁相电路中的乘法器中作为其一个输入信号；调制模块产生的调制信号输入到解调模块的锁相电路的移相器中，再输入到乘法器中作为其第二个输入信号，乘法器的输出信号进入低通滤波器(LPF)进行低通滤波，输出解调信号；此时，复合放大模块的三个输入端分别输入调制信号、解调信号及由偏置电压发生器产生的直流偏置电压。此三信号经过复合放大器的两级放大叠加后，输出PZT控制信号，加载在PZT上对其进行反馈控制。其中，调制信号的作用是对光路进行信号调制；而控制信号则是通过控制PZT的位置变化，来实现激光脉冲位相的精密控制。
本发明提供的激光脉冲位相精密控制技术是利用本发明提供的激光脉冲位相精密控制装置，通过调节迈克尔逊干涉仪中的PZT驱动信号的幅度，在一个激光波长的范围内对通过迈克尔逊干涉仪中两个不同光路传播的激光脉冲之间的光程差进行微调，来实现激光脉冲位相之间的精密控制。
图1是激光脉冲位相精密控制装置的整体框架图；图2是伺服电路控制系统的原理框架图；图3是信号调制模块的原理框架图；图4是信号扫描模块的原理框架图；图5是信号解调模块的原理框架图；图6是复合放大模块的原理框架图；图7是电源模块的原理框架图；图8是示波器测得的频率设定在10KHz，峰峰值幅度为2V的调制信号波形图；图9是示波器以1∶10比例测得的频率设定为1KHz，峰峰值幅度100V的扫描信号波形图；图10是本装置以扫描模式运行时伺服电路系统的输出波形图；
图11是示波器测得的+5V电源的纹波；图12是示波器测得的-5V电源的纹波；图13是示波器测得的+18V电源的纹波；图14是示波器测得的-18V电源的纹波；图15是示波器以1∶10比例测得的+220V电源的纹波。
具体实施例方式
下面结合附图及实例，对本发明作进一步详细的描述。
本发明所述的飞秒激光脉冲位相精密控制装置主要包括迈克尔逊干涉仪光路系统和伺服电路控制系统。
图1是激光脉冲位相精密控制装置的整体框架图。主要组成部分有激光光源11；50％分束片12；两个互相垂直的高反镜组成的干涉仪一臂13；50％分束片14；光电探测器15；入射角为0度的光学高反镜16；圆管状压电陶瓷(PZT)17；光电探测器输出的光电信号18；伺服电路控制系统的输出信号19，即加载到PZT上的信号；伺服电路控制系统20。
图2是伺服电路控制系统的原理框架图。主要包括光电探测器输出的光电信号18；伺服电路控制系统的输出信号19；信号调制模块21；信号解调模块22；信号扫描模块23；模式切换装置24；复合放大模块25；电源模块26。
图3是信号调制模块的原理框架图。主要包括调制信号发生器31；信号跟随器32；信号放大器33和输出的信号34(调制信号)。
图4是信号扫描模块的原理框架图。主要包括扫描信号发生器41；信号跟随器42；信号放大器43和输出的信号44(扫描信号)。
信号调制模块和信号扫描模块原理框架图相似，不同之处在于调制信号是频率、幅度可调节的正弦信号，而腔扫描信号是频率、幅度可调节的三角波信号。扫描信号发生器41的输出端与信号跟随器42的输入端相连，信号扫描模块的输出端通过模式切换装置24与复合放大模块25的一个输入端相连。调制信号发生器31的输出端与信号跟随器32的输入端相连。这一模块共有两个输出端一个与信号解调模块中锁相电路的移相器的输入端相连；另一个输出端与复合放大模块的一个输入端相连。
图5是信号解调模块原理框架图。信号解调模块由光电接收电路51、锁相电路52和积分电路58组成，右虚框是光电接收电路51，左虚框是锁相电路52。光电接收电路51的输入信号是光电探测器15得到的光电信号18，其输出端与锁相电路52的一个输入端相连。锁相电路52的另一个输入端与调制信号模块21的一个输出端相连。其中，光电接收电路51由带通滤波器53(以下简称为“BPF53”)和信号放大器54组成。BPF53的输入端与光电探测器15的输出端相连，BPF53的输出端与信号放大器54的输出端相连，信号放大器54的输出信号端与锁相电路52中乘法器56的一个输入端相连。锁相电路52由移相器55、乘法器56和低通滤波器57(以下简称为“LPF57”)组成。移相器55的输入端与调制信号34的输出端相连。乘法器56是整个锁相电路52的核心部分，乘法器56的一个信号输入端与光电接收电路51的输出端相连；另一个输入端与移相器55的输出端相连接。乘法器56的输出信号端与LPF57的输入端相连，LPF57的输出端与积分电路58中的前级信号跟随器的输入端相连接。积分电路58由积分器及两个信号跟随器组成。在积分器的前后级分别连接信号跟随器，前级信号跟随器的输入端与锁相电路52中的LPF57的输出端连接，后级信号跟随器的输出信号为解调信号59，通过模式切换装置24与复合放大器25的一个输入端连接。
图6是复合放大模块原理框架图。复合放大模块是由偏置电压发生器61、复合放大器62(包括前级放大器及后级高压放大器两个部分)和输出的信号19(直接加载到PZT上的驱动信号)组成。复合放大模块共有三个信号输入端，其中两个输入端分别与信号调制电路的输出端(输出的是34调制信号)及偏置电压电路(产生幅度可调节的直流偏置电压信号)的输出端连接。另一个信号输入端则通过模式切换模块与扫描信号电路的输出端和解调信号电路输出端相连接。其中，调制信号的幅度及频率都可以依据实验需要进行调节。偏置电压信号的幅度也可以在3.6-11.2V的范围内进行调节。另一个信号输入端输入的信号则通过模式切换模块在扫描信号和解调信号之间进行选择切换。复合放大电路将三个输入信号按不同的增益倍数进行放大和信号叠加，其中，调制信号不进行放大，直流电压信号、解调信号和腔扫描信号增益倍数都为10。复合放大模块输出的信号直接作用在PZT上，控制PZT的长度伸缩，实现对激光脉冲位相的精密控制。
图7是电源模块原理框架图。包括R型变压器71；+18V/-18V的双路电压信号72；+15V/-15V的双路电压信号73；+220V的单路电压信号74；三组电压的整流器75、77、79；三组电压的稳压器76、78、80；输出的是+5V/-5V双路直流电压81；输出的是+18V/-18V双路直流电压82；输出的是+220V单路直流电压83。其中+220V的稳压器中，带过流保护电路，以防止因电流过大而引起电源短路。信号81输出的是+5V/-5V双路直流电压，测量到的纹波小于2mV，约0.04％；信号72输出的是+18V/-18V双路直流电压，测量到的纹波小于2mV，约0.011％；信号74输出+220V的单路直流信号，测量到的纹波小于40mV，约0.018％。以上纹波均是在有负载的情况下测量到的。在三组输出电源中，最大的纹波不超过40mV。本装置中的控制元件PZT17长度变化500nm需要驱动电压幅度变化43V，因此，40mV的电源纹波对于控制元件PZT17长度伸缩变化的影响不足0.5nm。在本装置运行的时候，不到0.5nm的精度偏差基本不会对激光脉冲位相控制的精密度与稳定性造成干扰，这就有力的保证了本装置可以很好的实现激光脉冲位相的精密控制。
实施例飞秒激光脉冲位相控制技术激光脉冲由激光光源11产生，进入迈克尔逊干涉仪，激光由第一个50％分束片12分为光强相等的两束光，一束光沿着由两个互相垂直的光学高反镜组成的干涉仪的一臂13传播；另一束光经由固定了光学高反镜16的PZT17构成的干涉仪的另一臂传播，两束光在第二个50％分束片14处合成。合成光由光电探测器15转换为光电信号18，作为伺服电路控制系统20的输入电信号，输入电信号18经伺服系统20处理后，输出信号19直接作用在PZT17上。利用PZT材料的压电特性，将控制电信号的变化转化为PZT17长度的伸缩变化，从而调节干涉仪一臂的高反镜16的位置，改变干涉仪两臂之间的光程差，达到实现激光脉冲位相控制的目的。其中，光电探测器的作用是将激光信号转化为电信号，输入到伺服电路系统中加以控制；而PZT的作用是将伺服电路系统输出的控制电信号转化为干涉仪输出光信号的变化。
第一步通过模式切换模块24选择将伺服控制系统20以扫描模式运行，在这个运行模式下，伺服控制系统20将不对输入的光电信号18进行处理，而伺服控制系统20输出的信号19为扫描信号(扫描模块产生)及调制信号(调制模块产生)的叠加信号(在复合放大模块内进行信号叠加放大)。这个叠加信号直接作用在PZT17上，调制信号的作用是使PZT17产生按调制频率的，小幅度的长度伸缩，实现对于光路的信号调制；而扫描信号的作用则是是PZT17产生按一定频率的，幅度约一个激光波长的长度伸缩，使PZT17在其平衡位置的左右来回摆动，对干涉仪形成的闭合激光腔进行光腔扫描。依照光电探测器得到的光电信号在扫描中的变化，可适当微调节一下干涉仪的光路系统，实现干涉仪光路的精密调节。
第二步通过模式切换模块24选择将伺服控制系统20以锁腔模式运行。在此运行模式下，伺服电路系统20将对输入的光电信号18进行处理，而中断扫描信号的输出。系统将输入光电信号18通过光电接收电路51进行带宽滤波、预放大等处理后，输入到锁相电路52中的乘法器56中作为其一个输入信号；调制模块21产生的调制信号输入到解调模块22的锁相电路52的移相器55中，再输入到乘法器56中作为其第二个输入信号，乘法器56的输出信号进入低通滤波器57(LPF57)进行低通滤波，输出解调信号；此时，复合放大模块25的三个输入端分别输入调制信号34、解调信号59及由偏置电压发生器产生的直流偏置电压。此三信号经过复合放大器25的两级放大叠加后，输出PZT17控制信号，加载在PZT17上对其进行反馈控制。其中，调制信号34的作用是对光路进行信号调制；而解调信号则是通过控制PZT17的位置变化，来实现激光脉冲位相的精密控制。控制精度可达到几个纳米量级。
权利要求
1.一种飞秒激光脉冲位相精密控制装置，主要包括迈克尔逊干涉仪、光电探测器和伺服电路控制系统，其特征在于构成迈克尔逊干涉仪的一臂的高反镜(16)背面固定有圆管状压电陶瓷(17)；伺服电路控制系统由信号扫描模块、信号调制模块、模式切换模块、信号解调模块、复合放大模块和电源模块组成；光电探测器(15)接收干涉仪输出的光信号，并将其转化为电信号(18)，光电探测器的输出端与伺服电路控制系统的解调模块的一个输入端相连。
2.一种飞秒激光脉冲位相精密控制技术，其特征在于包括如下步骤第一步将运行模式切换到扫描运行模式，对迈克尔逊干涉仪形成的闭合激光腔进行纵膜扫描，通过调节迈克尔逊干涉仪两臂的高反镜，对迈克尔逊干涉仪形成的闭合激光腔进行调节，实现干涉仪光路的初步调节；第二步将运行模式切换到锁相运行模式，对光电探测器(15)输出的光电信号(18)经滤波、锁相、积分、放大处理后，驱动迈克尔逊干涉仪中的控制元件圆管状压电陶瓷(17)实现对于激光脉冲位相的精密控制。
3.如权利要求2所述的一种飞秒激光脉冲位相精密控制技术，其特征在于通过调节迈克尔逊干涉仪中的圆管状压电陶瓷(17)驱动信号的幅度，在一个激光波长的范围内对通过迈克尔逊干涉仪中两个不同光路传播的激光脉冲之间的光程差进行微调，来实现飞秒激光脉冲位相之间的精密控制。
全文摘要
本发明涉及一种基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲位相精密控制技术及装置，属于超快激光脉冲精密控制的技术领域。飞秒激光脉冲位相精密控制装置主要包括迈克尔逊干涉仪、光电探测器和伺服电路控制系统。本发明提供的激光脉冲位相精密控制技术是利用本发明提供的激光脉冲位相精密控制装置，通过调节迈克尔逊干涉仪中的压电陶瓷驱动信号的幅度，在一个激光波长的范围内对通过迈克尔逊干涉仪中两束沿不同光路传播的激光脉冲之间的光程差进行微调，来实现飞秒激光脉冲位相之间的精密控制。
文档编号G05D25/00GK1844996SQ20061002630
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者孙真荣, 曹瑛, 杨岩 申请人:华东师范大学