专利名称：基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法
技术领域：
本发明属于毫秒量级的激光脉冲控制技术，具体涉及一种基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法。
背景技术：
原子光频标中原子态的制备和探测通常采用拉比(Rabi)脉冲的方法，此方法需要获得毫秒量级的激光脉冲，通过控制激光脉冲的时序从而实现离子的激光冷却和钟跃迁探测。通常有两种器件获得激光脉冲，一种是声光调制器，即声光开关；另一种是机械开关。 前者的反应速度非常快，通常在1微秒以下，但关光前后的消光比通常只能达到20-30dB，； 后者的反应速度比前者慢，通常需要1毫秒左右，甚至更长，但是消光比高，通常可以到达 50到60dB以上。在实验上，由于时序中泄漏的光会产生交流斯塔克效应，从而造成光频移， 影响频标的不确定度。特别是冷却光用的功率较大，影响非常明显。因此，通常的方法是声光调制器和机械开光结合使用，已达到好的消光比，但是这无法解决开关速度问题。目前实验上产生脉冲时序的方法是基于Labview编写的计算机程序，利用软件时钟同步各个脉冲的起始和结束，同时通过数字模拟(D/A)板卡控制声光调制器和机械开关的打开和关断。 这种方法的优点是Labview为图形化编程软件，对编程人员的要求比较低。缺点在于程序运行速度慢，若需要控制的激光束比较多的情况下，时序的总长度很难压缩得很短。例如我们研制的囚禁冷却单离子光频标中，实验中需要利用波长为397nm、866nm、8Mnm和的四路激光。其中397nm和854nm激光的脉冲长度需要控制在2-3毫秒，8Mnm激光的脉冲长度控制在1毫秒，7 !!激光的脉冲长度希望控制在6-7毫秒。总的脉冲周期控制在 10ms。之所以要求729nm激光脉冲时间长，是因为它的是时间长短决定了得到的跃迁谱线的傅里叶极限线宽。脉冲时间越长，傅里叶极限线宽越窄，得到的钟跃迁频率越准确。但同时729nm激光脉冲又不能太长，有三个原因一是受限于激光器本身的时间相干性，激光的线宽越窄，相干时间越长。根据目前的情况，一般控制在6-7ms比较合适。二是过长的时间会给整机带来光频移。三是反馈的伺服时间变长，无法得到短时间的频率稳定度。总的脉冲周期控制在10毫秒以内，这样才能尽量压缩频标锁定之后的反馈时间，从而可以得到短时间内的频标稳定度指标。若是采用基于Labview的控制程序并且AD板进行器件的控制，达不到实验的要求。此外，传统的控制时序中，7 !!光脉冲的使能时间只占整个时序的30-40%。有效时间(duty time)不高，影响了时序的效率。
发明内容
鉴于上述技术在解决获得激光脉冲问题时的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，从而解决上述问题。本发明的技术方案是种基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，它是利用单片机输出脉冲信号，控制声光调制器上所加射频信号的开和关，以控制激光通过声光调制器的开关，从而实现激光脉冲时序产生；同时，采用激光两次通过声光调制器的方法，提高激光斩断之后的隔离度。在激光两次通过声光调制器过程中，单片机输出脉冲信号，控制声光调制器上所加射频信号的开和关。所述激光两次通过声光调制器是激光束第一次通过声光调制器后，利用反射镜再次通过声光调制器。所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于所述单片机输出脉冲信号是通过单片机内部以晶振作为时钟进行定时计数，实现输出方波单片机的晶体震荡器经过12分频后获得的一个脉冲源。单片机输出脉冲信号时，用外部高稳时钟控制单片机的时间同步，所述外部高稳时钟是原子钟。单片机通过220V交流转5V直流电路直接给单片机供电。单片机输出四路方波脉冲信号，第一路方波脉冲信号控制第一声光调制器开关与第一激光叠加，第二方波脉冲信号控制第二声光调制器开关与第二激光叠加和第三激光叠加，第三路方波脉冲信号控制第三声光调制器开关与第四激光叠加；实现单片机对激光脉冲时序产生的控制。第四路方波脉冲信号控制第四声光调制器开关与荧光采集脉冲叠加，实现激光的输出控制和对荧光采集脉冲的控制。半导体激光器输出的激光为连续光，而频标中对于离子钟跃迁的探测需要脉冲激光，从而消除光频移。因此需要通过光学器件将连续光斩断成脉冲光。研究人员通常利用声光调制器或者是机械开关实现以上目的。其中，声光调制器的反应(上升沿和下降沿)时间很快，通常在1μ s以下，但是消光比不高，通常只有20_30dB ；而机械开关的消光比很高，通常可以达到60dB以上，但是反应时间比较慢，通常在ms量级。因此，通常的办法是将声光调制器和机械开关一起使用，但是这无法解决速度慢的问题，从而带来死时间，降低开关的效率。我们提出激光两次通过声光调制器的方法解决此问题，即激光来回两次通过同一声光调制器，这样可以获得60dB的消光比。同时，由于光路较短，而光的传播速度为3X108m/s， 因此光两次传播的时间造成的延时可以忽略，从而可以将开关时间控制在1微秒以下。这样达到了既有效地提高了消光比又保持了快速开关速度的目的。本发明控制系统简单。
图1激光脉冲时序产生控制示意图。图2时序控制系统示意图。图3 220V交流转5V直流电路示意图。图4激光脉冲时序示意图。图5四路方波产生控制流程示意图。
具体实施例方式如图1所示，激光脉冲时序产生控制系统，包括激光系统，由第一激光1、第二激光 2、第三激光3、第四激光4，以及荧光采集脉冲5，四路激光的波长是397nm、866nm、8Mnm和 729nm ；其中397nm和854nm激光的脉冲长度需要控制在2-3毫秒，8Mnm激光的脉冲长度控制在1毫秒，激光的脉冲长度希望控制在6-7毫秒。总的脉冲周期控制在10ms。与四路激光及荧光采集脉冲相对用的由第一声光调制器6，第二声光调制器7，第三声光调制器8，第四声光调制器9 ；第一激光1两次进入第一声光调制器6，产生第一激光脉冲时序脉冲；激光两次通过声光调制器是激光束第一次通过声光调制器后，利用反射镜再次通过声光调制器。第二激光2两次进入第二声光调制器7，产生第二激光脉冲时序脉冲；第三激光3两次进入第二声光调制器7，产生第三激光脉冲时序脉冲；第四激光4两次进入第三声光调制器8，产生第四激光脉冲时序脉冲；四个声光调制器的射频信号的开和关控制由时序控制单元实现。时序控制单元如图1、2所示，包括单片机供电电路10 ；单片机控制系统11，单片机12，驱动模块模块13和高稳态时钟14。单片机供电电路10是保证整个系统稳定工作的独立供电系统，用于提供稳定输出的标准电压。单片机是5V供电，因此该实验用220V交流转5V直流电路供电。该供电系统直接与时序系统电路板连接，为单片机供电电路如图3所示，它是一个桥式整流稳压电路。所述单片机控制系统11是单片机信号输出电路系统，是单片机能完成相应功能， 并输出信号。该电路以LED灯作为指示，可直接通过观察灯的亮灭判断单片机是否输出时序。由于时序控制多路激光，可用多个LED灯观测信号，每个灯观测一路时序，直观明了。方案是在单片机I/O输出口前安装LED灯，用于观测。所述单片机12是时序系统核心，这里运用的是51系列单片机，根据情况不同，可更换芯片，芯片用于编写程序控制时序的输出。所述驱动模块模块13是时序控制系统与声光调制器连接的驱动装置，目的是减小输出阻抗，这里是用于降低单片机信号输出阻抗，使时序输入声光调制器时声光调制器能够被驱动，控制装置正常运行。该驱动电路可用一个涉及跟随器完成，基本连接方式是， 以一个NPN三极管为中心，基极接一个50ΚΩ的电位器，再接单片机信号输出端，也即驱动系统输入端；集电极接12V直流电源，射极接1ΚΩ电位器再接地；射极端引出一个输出端口，即驱动系统输出端。所述高稳态时钟14是本专利的重要组成，为单片机时序输出提供精准时钟，以达到国际稳定度要求。该处的高稳态时钟即为原子钟晶振，是整个系统工作的时钟，使时序按要求有效输出，保证时序输出精准。时序中产生的方波信号通过D/A转换，控制声光调制器上所加射频信号的开和关，以控制激光通过声光调制器的开和关，从而达到实现激光脉冲的目的。对声光调制器的开关控制，传统上是通过Labview编写的计算机程序，利用软件时钟来控制程序输出的高低电平，通过数字模拟(D/A)板输出信号控制声光调制器的开关。该方法的缺点是程序运行速度慢，不利于短脉冲的实现和控制。我们采用微处理器输出脉冲信号，同时用外部高稳时钟控制微处理器的时间同步问题。单片机内部以晶振作为时钟进行定时计数，可实现输出方波单片机的晶体震荡器经过12分频后获得的一个脉冲源 (机器周期)。晶振的频率是很准确的，所以这个计数脉冲的时间间隔也很准。由于本实验要确保时钟的高稳定性，故在此我们引入高精度原子钟作为外部高稳时钟。但是仅仅是时钟稳并不能保证输出方波的稳定，时钟的稳定与供电系统也有很大的关系，运用传统的USB 接口给单片机供电会很大程度的影响时钟的稳定，因此，本专利添加了一个220V交流转5V 直流电路直接给单片机供电，这样就解决了 USB供电不稳问题。利用该脉冲信号控制加于声光调制器的射频信号的高与低。由于微处理器的控制是用C语言编写，编程容易，调试速度快，可读性好，控制非常精确，反应速度较快，因此可以实现声光调制器的快速开关。又由于此处四路方波由同一时钟TO控制，解决了时序信号因各自较小抖动而不同步的问题，将时序信号的输出误差控制在尽可能小得范围内。方波输出后，通过数字模拟(D/A)板将数字信号转化成模拟信号，进而控制声光调制器的开关。但是由于声光调制器本身负载很大， 在此与时序控制系统直接连接无法带动运行，为了解决这个问题，在此基础上，加一个射极跟随器，已解决负载过大问题，又不影响电压输出，这样整个装置就能正常工作。实验中需要利用四路激光，其激光脉冲时序见图4。而本实验中主要利用单片机输出相关时序加于四路连续激光及荧光采集上，以实现产生激光脉冲的目的。第一激光1的脉冲长度希望控制在7ms。第二激光2和第三激光3的脉冲的时间控制在3ms左右。由于第二激光2和第三激光3时序一样，这里用同一可编程时序脉冲进行控制。荧光采集也许一路方波控制，采集时间为ans。这样，总的脉冲时间控制在10毫秒以内。图4为四路激光及荧光采集要求的时序脉冲本专利由单片机产生的四路方波，其示波器显示波形如图4。其方波按顺序分别加于激光，第一路方波脉冲信号与激光1叠加，第二路方波脉冲信号与激光2和3叠加，第三路方波脉冲信号与激光4叠加，第四路方波脉冲信号与荧光采集脉冲叠加。以如图所示方波即可实现单片机对时序的控制，通过D/A转换从而进一步控制激光的输出和对荧光采集脉冲的控制。该程序用单片机中的一个定时器控制四路方波的输出，通过调节相应的占空比， 使方波按一定的高低电平要求输出，计数器溢出时方波电平会跳变。完成一个周期电平跳变后，时序回到起点重新开始电平跳变。第一路方波以高电平起始，其他三路起始为低电平。程序流程描述如下，如图5:程序初始化，定义程序相关变量并赋值，程序起始计时，第一、第二路和第四路方波电平均跳变并计数，第四路方波计数首先溢出，电平负跳变并计数，第一、二路方波继续保持现电平计数，第三路方波在第四路方波电平负跳变时计数溢出，发生电平正跳变，并开始计数，然后第一，二，三路计数同时溢出，电平均跳变并计数。紧接着第一、二、四路计数溢出，电平跳变并计数，第四路计数溢出，电平负并计数，第一、二路方波继续保持现电平计数，第三路方波在第四路方波电平负跳变时计数溢出，电平正跳变并计数，然后第一，二，四路计数同时溢出，电平跳变并计数。如此重复。
权利要求
1.一种基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，它是利用单片机输出脉冲信号，控制声光调制器上所加射频信号的开和关，以控制激光通过声光调制器的开关，从而实现激光脉冲时序产生；同时，激光两次通过声光调制器，提高激光斩断之后的隔离度。
2.如权利要求1所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于所述单片机输出脉冲信号是通过单片机内部以晶振作为时钟进行定时计数，实现输出方波单片机的晶体震荡器经过12分频后获得的一个脉冲源。
3.如权利要求2所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于单片机输出脉冲信号时，用外部高稳时钟控制单片机的时间同步。
4.如权利要求3所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于所述外部高稳时钟是原子钟。
5.如权利要求1或2或3所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于单片机通过220V交流转5V直流电路直接给单片机供电。
6.如权利要求1或2或3所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于单片机输出四路方波脉冲信号，第一路方波脉冲信号控制第一声光调制器开关与第一激光叠加，第二方波脉冲信号控制第二声光调制器开关与第二激光叠加和第三激光叠加，第三路方波脉冲信号控制第三声光调制器开关与第四激光叠加；实现单片机对激光脉冲时序产生的控制。
7.如权利要求6所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于第四路方波脉冲信号控制第四声光调制器开关与荧光采集脉冲叠加，实现激光的输出控制和对荧光采集脉冲的控制。
8.如权利要求1所述基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法，其特征在于所述激光两次通过声光调制器是激光束第一次通过声光调制器后，利用反射镜再次通过声光调制器。
全文摘要
本发明公开了一种基于单离子光频标的激光脉冲时序产生控制方法。它是利用单片机输出脉冲信号，以控制激光通过声光调制器的开关，从而实现激光脉冲时序产生。同时，采用激光两次通过声光调制器的方法，提高激光斩断之后的隔离度。从而可以将开关时间控制在1微秒以下。这样达到了既有效地提高了消光比又保持了快速开关速度的目的。
文档编号H01S5/06GK102570297SQ20121000647
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者刘培亮, 曹健, 汪漫, 管桦, 边伍, 陈婷, 雷海东, 高克林, 黄垚, 黄学人 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所