一种基于FPGA和液晶TNE效应的激光功率稳定系统的制作方法

一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统
技术领域
1.本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统。


背景技术：

2.稳定的激光功率在各种应用中起着至关重要的作用，如原子磁强计、原子钟和引力波探测。激光功率稳定方法可分为内部控制和外部控制。内部控制意味着可以通过电流或温度反馈来稳定激光功率。然而，由于激光器的频率和功率相互耦合，电流或温度的调节不可避免地干扰了频率的稳定性，无法满足高频率稳定性的实验需要。外部控制是利用aom、eom、lcvr等外部执行器实现光功率噪声的可控衰减，由于基于液晶相位延迟片的激光功率稳定系统，具有频率和功率不相互耦合，光路简单和相位连续可变等优点，一直以来都被应用在量子精密测量仪器中。
3.然而现有的基于液晶相位延迟片的激光功率稳定系统大多基于单片机实现。对于单片机平台，该稳定系统具有控制频率相对较高的优点，但是受限于单片机的性能限制，无法同时完成高速运算，实时数据监测和储存的功能。此外，现有的稳功率系统的液晶响应速度都相对较慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，包括：二分之一波片、液晶相位延迟器、偏振分束器、光电探测器、控制模块；控制模块包括fpga计算模块、模拟输出模块、模拟输入模块；模拟输出模块、模拟输入模块分别连接fpga计算模块；激光依次经过二分之一波片和偏振分束器，透射光依次经过液晶相位延时器和偏振分束器，两者组成执行器；经过执行器和控制模块稳定后的光，再依次经过二分之一波片和偏振分束器，分成环内光和环外光，环外光作为系统输出的稳定激光；环内光由光电探测器采集，并由光电探测器输出环内光对应的电压信号，通过模拟输入模块转换成数字信号，输入fpga计算模块；fpga计算模块根据环内光对应的电压信号和设定的激光功率所对应的电压信号，计算并输出驱动方波；由模拟输出模块将驱动方波转换为模拟信号，加载到执行器的液晶相位延时器上。
6.进一步地，在fpga计算模块中：当环内光的电压信号小于设定激光功率对应的电压值，利用pid算法进行闭环控制运算，计算得到驱动方波的幅值；将数字信号转换为设定频率和幅值的方波，作为驱动方波；当环内光的电压信号大于设定激光功率对应的电压值，利用pid算法计算驱动方
波的幅值；将数字信号转换为设定频率和幅值的方波；并在当前的方波前，加一段us级别的零信号，得到驱动方波，用以提升液晶相位延时器在相位延迟增大时的速度。
7.进一步地，fpga计算模块利用硬件定时，将数字信号转换为设定频率的方波。
8.进一步地，驱动方波的频率由液晶相位延迟器决定。
9.进一步地，还包括一个用于监测环外光的激光功率的光电探测器。
10.进一步地，激光器出射的激光，先经过隔离器。
11.进一步地，所述控制模块通过compactrio系统实现。
12.进一步地，选取环内光对应的电压控制区间的规则是：激光透射率变化幅度尽可能大，且响应速度尽可能快。
13.本发明的有益效果是：本发明采用基于tne（transient nematic effect，瞬态向列效应）驱动技术，可以有效改善液晶响应速度，提高液晶稳功率系统的高频响应。
附图说明
14.图1为本发明基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统示意图；图2为液晶工作区间示意图；图3为常规信号下液晶响应时间示意图；其中，上方为驱动方波，下方为光电探测器输出的信号；图4为本发明tne驱动信号下液晶响应时间示意图；其中，上方为驱动方波，下方为光电探测器输出的信号；图5为液晶稳功率系统的输出信号频域响应图；其中，上方的谱线为基于stm32开发的功率稳定系统的频谱图，下方的谱线为本发明基于fpga开发的功率稳定系统的频谱图。
具体实施方式
15.下面结合附图以及具体实施方法进一步说明本发明。
16.本发明基于ni compactrio系统，提出了一套新型的激光稳功率系统。compactrio系统上运行有linux rt系统的1.33ghz双核的处理器，且搭载有可编程的fpga芯片。因此，该系统的每个输入输出模块都是直接连接到fpga芯片，而非通过总线连接，所以compactrio的系统响应与其他控制器架构相比几乎没有延迟。
17.另外，相较于传统的基于fpga芯片开发的控制系统，compactrio中搭载的labview fpga软件具有更好的图形交互界面，可以实时的处理和显示图形，同时该系统还有2gb的dram和4gb的存储空间，非常适合实时数据的处理和存储。
18.为了提高液晶的响应速度，本发明采用tne（transient nematic effect，瞬态向列效应）驱动技术，可以有效改善液晶响应速度。当液晶相位延迟需要增大时，暂时撤销所有的驱动电压，液晶分子经历一段时间的自然弛豫并开始恢复到初始位置，然后再施加适当大小的驱动电压以维持期望的相位延迟。
19.如图1所示，本发明一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，包括以下模块：激光器、隔离器、两个二分之一波片（λ/2）、三个偏振分束器pbs，液晶相位延迟器（液晶）、两个光电探测器pd、compactrio系统。compactrio系统包括模拟输出模块ni-9269、
fpga计算模块crio-9055和模拟输入模块ni-9239。
20.光路搭建完成，795nmdbr激光器出射光经过隔离器，隔离器可防止光反馈。之后依次经过λ/2波片和偏振分束器pbs的组合，此组合可调节透射光的强度。透射光依次经过液晶相位延时器和pbs，两者组成执行器，可实现对光功率的可控衰减。经过执行器和compactrio系统稳定后的光，再依次经过λ/2波片和偏振分束器pbs的组合，分成环内光和环外光；两光束分别由光电探测器pd1和pd2采集。pd1输出环内光对应的光电信号，用于闭环计算和控制；pd2仅用于监测环外光功率，不用于计算。
21.光电探测器pd1输出环内光对应的电压信号，通过模拟输入模块ni-9239转换成数字信号，输入fpga计算模块crio-9055，fpga计算模块crio-9055根据环内光对应的电压信号和设定的激光功率所对应的电压值，输出驱动方波。最后由模拟输出模块ni-9269将驱动方波转换为模拟信号，加载到执行器的液晶相位延时器上。
22.在fpga计算模块crio-9055中，当环内光的电压信号小于设定功率对应的电压值，利用pid算法进行闭环控制运算，计算得到驱动方波的幅值vout，用于减小液晶相位延迟器的相位延迟，从而增大通过执行器的激光功率，增大环内光对应的电压信号。；利用fpga计算模块crio-9055中的硬件定时，将数字信号转换为设定频率的+vout/-vout方波，作为驱动方波。驱动方波的频率由液晶相位延迟器决定。
23.当环内光的电压信号大于设定功率对应的电压值，为了增大液晶相位延迟器的相位延迟，从而减小通过执行器的激光功率，减小环内光对应的电压信号。利用pid算法计算驱动方波的幅值vout；利用硬件定时，将数字信号转换为设定频率的+vout/-vout方波。为了进一步提升液晶相位延迟器在增大相位延迟时的反应速度，从而生成基于tne效应的驱动方波。在当前pid循环的这段+vout/-vout方波前，加一段us级别的零信号，最后得到一段驱动方波。其中，每段驱动方波的持续时间取决于pid控制器的循环速度，为一个变化的值，通常为125us左右。
24.具体地，建立右手坐标系，pbs透光轴与x方向的夹角为0
°
，液晶快轴与x方向的夹角为45
°
（液晶慢轴与x方向的夹角为135
°
）；液晶相位延迟量为δ(v)，与双极性方波幅值v有关，经验公式为：其中，vc是液晶分子开始偏转的阈值电压，可以通过实验获得；m是一个经验值，v0是一个常数，m和v0均与波长无关。在液晶相位延时器确定后，可以利用激光光源定标数据来拟合出m和v0；δ0为液晶的最大相位延迟量。
25.液晶相位延时器、pbs透射方向、λ/2波片、pbs反射方向的琼斯矩阵分别为：、、、。其中，θ为λ/2波片快轴与x方
向的夹角。i表示虚部。
26.透射光/环外光的琼斯矢量e1为：其中，定义液晶前入射光的琼斯矢量为，a为电场矢量幅值。
27.透射光/环外光的光强i1为：其中，e
1*
是e1的共轭矩阵。
28.反射光/环内光的琼斯矢量e2为：反射光/环内光的光强i2为：其中，e
2*
是e2的共轭矩阵。
29.液晶后激光的琼斯矢量为。
30.执行器后激光的琼斯矢量为。
31.如图2所示，随着施加到液晶上的电压增大，液晶相位延迟量δ(v)逐渐减小，执行器后的光功率先减小后增大再减小，选取激光透射率变化幅度较大且响应速度更快的电压区间作为控制区间。其中，es为λ/2波片慢轴，ef是λ/2波片快轴。
32.液晶响应时间与电压变化的方向有关。当电压减小时，液晶响应时间取决于液晶分子恢复到初始位置的弛豫时间，因此液晶响应速度较慢。本发明利用tne（transient nematic effect，瞬态向列效应）驱动技术，改善液晶响应速度。当液晶相位延迟需要增大时，暂时撤销所有的驱动电压，液晶分子经历一段时间的自然弛豫并开始恢复到初始位置，然后再施加适当大小（vout）的驱动电压以维持期望的相位延迟。当电压增大时，液晶的响应速度较快，因此未对驱动信号进行优化。
33.图3和图4中的横坐标一小格为80ms，左侧数值坐标系为光电探测器返回的数值，方波坐标系未在图中视出。如图3所示，驱动方波幅值变化为8vpp
→
6vpp
→
8vpp，驱动方波
幅值减小时，液晶响应达到稳态所需时间为x2-x1=11.8ms。如图4所示，基于本发明系统使用液晶的tne效应时，驱动方波幅值变化为8vpp
→
6vpp
→
8vpp，驱动方波幅值减小，液晶响应达到稳态所需时间缩短为x2-x1=1.3ms。
34.本发明利用compactrio系统进行算法设计，使用fpga芯片定时生成基于tne的方波，即在每段方波前面加一段us级别的零信号，无需外接波形发生芯片。如图5所示，本发明系统高频响应能力优于基于stm32的功率稳定系统，因此本发明系统提高了控制速率和高频响应能力。
35.本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施方式相同或近似的方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明专利的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，包括：二分之一波片、液晶相位延迟器、偏振分束器、光电探测器、控制模块；控制模块包括fpga计算模块、模拟输出模块、模拟输入模块；模拟输出模块、模拟输入模块分别连接fpga计算模块；激光依次经过二分之一波片和偏振分束器，透射光依次经过液晶相位延时器和偏振分束器，两者组成执行器；经过执行器和控制模块稳定后的光，再依次经过二分之一波片和偏振分束器，分成环内光和环外光，环外光作为系统输出的稳定激光；环内光由光电探测器采集，并由光电探测器输出环内光对应的电压信号，通过模拟输入模块转换成数字信号，输入fpga计算模块；fpga计算模块根据环内光对应的电压信号和设定的激光功率所对应的电压信号，计算并输出驱动方波；由模拟输出模块将驱动方波转换为模拟信号，加载到执行器的液晶相位延时器上。2.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，在fpga计算模块中：当环内光的电压信号小于设定激光功率对应的电压值，利用pid算法进行闭环控制运算，计算得到驱动方波的幅值；将数字信号转换为设定频率和幅值的方波，作为驱动方波；当环内光的电压信号大于设定激光功率对应的电压值，利用pid算法计算驱动方波的幅值；将数字信号转换为设定频率和幅值的方波；并在当前的方波前，加一段us级别的零信号，得到驱动方波，用以提升液晶相位延时器在相位延迟增大时的速度。3.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，fpga计算模块利用硬件定时，将数字信号转换为设定频率的方波。4.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，驱动方波的频率由液晶相位延迟器决定。5.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，还包括一个用于监测环外光的激光功率的光电探测器。6.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，激光器出射的激光，先经过隔离器。7.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，所述控制模块通过compactrio系统实现。8.如权利要求1所述基于fpga和液晶tne效应的激光功率稳定系统，其特征在于，选取环内光对应的电压控制区间的规则是：激光透射率变化幅度尽可能大，且响应速度尽可能快。

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA和液晶TNE效应的激光功率稳定系统，包括二分之一波片、液晶相位延迟器、偏振分束器、光电探测器、FPGA计算模块、模拟输出模块、模拟输入模块；模拟输出模块、模拟输入模块分别直接连接FPGA计算模块。为了提高液晶的响应速度，本发明采用TNE驱动技术，可以有效改善液晶响应速度。当液晶相位延迟需要增大时，暂时撤销所有的驱动电压，液晶分子经历一段时间的自然弛豫并开始恢复到初始位置，然后再施加适当大小的驱动电压以达到期望的相位延迟。本发明可以有效改善液晶响应速度，提高液晶稳功率系统的频率响应。提高液晶稳功率系统的频率响应。提高液晶稳功率系统的频率响应。


技术研发人员：唐陈成 刘畅 翟跃阳 钟志鹏 赵天
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2022.02.07
技术公布日：2022/3/8