高稳光频输出方法及其控制系统技术领域
本发明涉及光源输出技术领域,具体涉及高稳光频输出方法及其控制系统。
背景技术
光强、光源系统温度和光共振吸收系统温度均是影响光源系统光频输出的重要因
素。为了实现高温光频输出,需要对光强、光源系统温度和光共振吸收系统温度进行采集,
并获取光强、光源系统温度和光共振吸收系统温度分别与光频输出之间的关系,通过改变
光强、光源系统温度或光共振吸收系统温度,均能改变光源的输出频率。现有技术中,由于
光强、光源系统温度和光共振吸收系统温度对光频的影响差异性较大,若想要获得高稳光
频输出,需要综合考虑这三个因素对光频的影响,其难度较大,目前为止并没有获取最佳工
作状态(即选取合适的光强、光源系统温度和光共振吸收系统温度)的方法。
改变光强一般有两种方式,分别为改变光源的激励功率和光源系统温度。由于新
的光源做成之后,相对应的灯激励功率电路已经和它配套,一般情况下不宜随便改变灯激
励功率。而由于光源温度分为三个部分:张驰振荡区、平坦区、自蚀区,当光源温度在平坦区
变化时,光强的可改变量非常有限,这不便于我们大范围的改变光强来满足实际应用中的
需求。因此,需要采取其它措施来达到大范围改变光强的目的。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种能够获取大范围变化的光强值,并根据
光强、光源系统温度或光共振吸收系统温度确定光源系统最佳工作状态的高稳光频输出方
法及其控制系统。
对于本发明一种高稳光频输出方法,其技术方案为,采集光源系统的光频信号,调
节光源系统的温度,绘制所述光源系统的光源系统温度-光频变化关系曲线,得到所述光源
系统温度对光频的拐点,并将该拐点对应的温度作为最终光源系统温度;
采集光源系统的光强信号,以所述最终光源系统温度为光源系统的固定温度,在
多个不同的光强下调节光共振吸收系统的温度,绘制不同光强下的第二光共振吸收系统温
度-光频变化关系曲线;
比较不同光强下的第二光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线,以变化趋势最
小的曲线对应的光强为最佳光强、以各个曲线交点对应的温度为最佳光共振吸收系统温
度、以最终光源系统温度为最佳光源系统温度,将所述光源系统调节至所述最佳光强、最佳
光共振吸收系统温度和最佳光源系统温度状态进行高稳光频输出。
进一步的,所述第二光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线根据以下方法绘制:
选取梯度变化的多个光强值,并在各个光强值下调节光共振吸收系统温度,使光
共振吸收系统温度在范围E1内变化,以F1为采样间隔采集所述光源系统的光频信号,绘制
不同光强下的第一光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线;
从多组第一光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线中选取几组平滑曲线,将所
述几组平滑曲线对应的光强值作为绘制第二光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线时选
取的光强值,在所述选取的光强值下调节光共振吸收系统温度,使光共振吸收系统温度在
范围E2内变化,以F2为采样间隔采集所述光源系统的光频信号,绘制不同光强下的第二光
共振吸收系统温度-光频变化关系曲线;
其中,所述范围E2属于范围E1的一部分,所述F1大于F2。
进一步的,所述光强的调节方法包括:所述第一光共振吸收系统温度-光频变化关
系曲线经电反向处理。
对于本发明一种高稳光频输出控制系统,其技术方案为,包括单片机、光源系统、
光共振吸收系统、光强采集仪、光频测量仪和PC机,所述单片机的光源系统温度控制信号输
出端与所述光源系统控制信号接收端连接,所述单片机的光共振吸收系统温度控制信号输
出端与所述光共振吸收系统温度控制信号接收端连接,所述光源系统的光频信号输出端与
所述光频测量仪电连接,所述光源系统的光强信号输出端通过所述光共振吸收系统与所述
光强采集仪电连接,所述光频测量仪的光频信号输出端和所述光强采集仪的光强信号输出
端分别与所述PC机的数据接收端连接。
进一步的,所述光源系统内设有多个衰减度梯度变化的中性衰减滤光片,多个所
述中性衰减滤光片均匀设置于一旋转机构上,所述旋转机构通过步进电机与单片机电连
接,任意一个所述中性衰减滤光片均可旋转至中心与光束中心轴重合位置。
进一步的,所述中性衰减滤光片直径与所述光源系统的光束横截面直径相同。
进一步的,所述中性衰减滤光片不少于5个。
本发明的有益效果:采集光源系统的光强和光频,并通过单片机调节光源系统和
光共振吸收系统的温度,能够实时监测光源系统温度、光共振吸收系统温度对光频的影响。
在光源系统内设置多个衰减度梯度变化的中性衰减滤光片,并利用步进电机控制各个中性
衰减滤光片分别对光束进行衰减,从而获取可大范围变化的光强,解决了光源温度在平坦
区变化时,光强的可改变量非常有限的问题。通过绘制系统温度-光频变化关系曲线,能够
获取最佳系统温度值,而通过比较不同光强下光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线,能
够确定最佳光强值和光共振吸收系统温度值,从而确定光源系统的最佳工作状态,将光源
系统按照最佳工作状态进行输出,能够获得高稳光频。
附图说明
图1为本发明一种高稳光频输出控制系统结构框图;
图2为本发明光源系统温度-光频变化关系曲线图;
图3为本发明第一光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线图;
图4为本发明第二光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线图;
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
如图1所示,本发明一种高稳光频输出控制系统包括:单片机、光源系统、光共振吸
收系统、光强采集仪、光频测量仪和PC机。单片机的光源系统温度控制信号(即温度控制1)
输出端与所述光源系统控制信号接收端连接,单片机的光共振吸收系统温度控制信号(即
温度控制2)输出端与光共振吸收系统温度控制信号接收端连接,光源系统的光频信号输出
端与光频测量仪电连接,光源系统的光强信号输出端通过光共振吸收系统与光强采集仪电
连接,光频测量仪的光频信号输出端和光强采集仪的光强信号输出端分别与PC机的数据接
收端连接。
光源系统内设有多个衰减度梯度变化的中性衰减滤光片,多个中性衰减滤光片沿
圆周方向均匀固定于一个可360°旋转的旋转机构上。旋转机构中心轴与步进电机的驱动轴
固定连接,步进电机的控制端与单片机电连接。步进电机没控制旋转机构旋转一个角度,均
能使一个中性衰减滤光片中心与光束中轴线重合,且光束横截面的直径与中性衰减滤光片
的直径相同。本实施例中采用9个中性衰减滤光片,衰减度为10%~90%,从而可以获取9个
光强值,实际使用时,中性衰减滤光片的数量和衰减度可根据实际情况进行选择。
为了使光源系统实现高温光频输出,需要使光源系统工作与最佳状态,而最佳状
态时对应的最佳光源系统温度、光共振吸收系统温度和光强的获取方式如下:
如图2所示为光源系统温度-光频变化关系曲线图,可以看出随着光源温度的改
变,系统输出的频率会在1×10~12/℃及4×10~11/℃内变化。通过光强采集仪和光频测
量仪分别采集光源系统的光强和光频,单片机调节光源系统的温度,根据光源系统温度与
光频的关系绘制光源系统温度-光频变化关系曲线图。由于在光源控温环节中,实测光源温
度的变化是很小的,其控温比值在100左右,因此,在做“系统温度-频率”实验时,首先在大
范围搜索光源温度对频率的拐点,例如光源温度变化步长为1℃,然后,在此光源温度点小
范围内再搜索一次拐点。例如上图,其温度拐点在横轴温度示意值1600点。在上述获得的拐
点1600值,按照上述方法,在小范围搜索光源温度对频率的拐点,此时光源温度变化步长为
0.1℃,同时光频记录仪记录对应的频率,可以获得上图所示的精细图,同样的方法找到精
细拐点,定为最终的光源系统温度。
光源系统光强的稳定性对系统的稳定性指标有着很大的影响,通常情况下,光强
对频率的影响为1×10–12/1%,即光强变化1%,则引起频率的变化为1×10–12。当然对于
不同的光源系统,光强对频率的影响程度有所不同,对于工作在不同状态的同一系统也会
有所不同。因此,我们一方面要通过系统参数优化,减小光强变化对频移的影响,另一方面
要采取措施,对灯光强进行控制,使灯的光强稳定性满足实现系统指标所需的要求。
为了选择一个合适的光强,可以通过改变光源的激励功率、光源系统温度,的方
法。新的光源做成之后,相对应的灯激励功率电路已经和它配套,一般情况下不宜随便改变
灯激励功率。我们已经知道,光源的温度大致上分为三个部分:张驰振荡区、平坦区、自蚀
区。由于平坦区通常区间比较大,光源光源温度选择在此区间,光强随光源温度的变化要比
其它区间小得多,故通常我们把光源光源温度选择在此区间上。但是我们应该注意到这样
的问题,正是因为将光源温度选择在平坦区中,光强的可改变量是非常有限的,这不便于我
们大范围的改变光强来满足实际应用中的需求。再则,我们改变光源的温度,实际上已经改
变了灯的光谱轮廓。因此,本专利采用中性衰减滤光片来改变光强,实验也已证明它是一种
有效的办法。
本专利采用的中性衰减滤光片为透明塑料,因为它比较簿,能够方便地置入系统
中,而且由于单片透明塑料对光的衰减率比较小,因此可以对光进行比较精细的调节。通过
单片机控制步进电机旋转,从而可以获取梯度变化的多个光强值,在各个光强值下以一个
较大的变化范围,如E1,来调节光共振吸收系统温度,以F1为采样间隔(即温度每变化F1便
取一个采样点)采集光源系统的光频信号,绘制出不同光强下的第一光共振吸收系统温度-
光频变化关系曲线。如图3所示为第一光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线图(此图为
电反向后的示意图)。需要指出的是上图只是做了两个光强的图,我们实际上需要做至少5
个不同光强下的曲线,目的是从这5曲线中选出3组较好的曲线进行下一步实验,所谓“较
好”如上图所示,只要曲线平滑即可。
在得到3组较好的曲线后,以最终光源系统温度为光源系统的固定温度,在这3个
光强下,分别逐渐调节光共振吸收系统的温度(此温度的调节范围远小于图2中的温度调节
范围,如E2(E2<E1),即在相对于第一光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线,在一个较小
的范围内调节光共振吸收系统的温度,并获取更多的采样点),以F2(F2<F1)为采样间隔(即
温度每变化F2便取一个采样点)绘制3个光强下的第二光共振吸收系统温度-光频变化关系
曲线。如图3所示为第二光共振吸收系统温度-光频变化关系曲线示意图,图中三个曲线存
在一个共同的交点(即光共振吸收系统温度T=T0)。当光共振吸收系统温度T=T0时频移与
光强A、B、C无关,这即是我们所要寻找的光频最佳工作点。从图中也可清楚地看出光频移具
有负的温度系数,在光强不变的情况下,随着光共振吸收系统温度的升高,频移量变小。同
时对应于不同的光强A、B、C,光频移温度系数的量值也是不一致的,图中选择在光强C时,光
频移温度系数最小(即曲线变化趋势最小)。此时刻我们将获得最佳的工作环境,即光源系
统温度拐点对应的光源系统温度值、光共振吸收系统的最佳温度点T0、最佳光强值光强C。
让光源系统工作于此最佳工作环境,能够获得高温光频输出。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,应当指出,任何熟悉本领域的技术人员在
本发明所揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之
内。