面向原子光学器件的VCSEL激光器驱动电路设计及激光稳频

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垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其低功耗、小体积、可调谐等优点,被广泛用作原子钟、原子磁强计、原子陀螺仪等精密光学仪器的光源。随着VCSEL技术的发展,其应用领域也发生了扩展。低功耗VCSEL在5G通信、陀螺仪等精密仪器扮演着重要角色。近几年,VCSEL在向着大功率、小体积的方向发展,这种VCSEL将被应用在激光雷达和无人驾驶汽车上。为了驱动激光器工作,根据VCSEL工作要求,设计了一种输出范围在02 mA,用于驱动VCSEL的恒流源电路。电路设计采用负反馈原理,可输出一个稳定的电压,经过电压电流转化为恒定电流输出。为使输出电流更加稳定,在电路中加入现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP4CE10F17C8组成控制电路。最后对电路输出性能进行测试,测试结果表明电流的纹波系数为0.01,电流稳定度为±0.02 mA。由于激光器易受环境影响使其输出频率偏移,所以对激光器进行锁频研究非常重要。文中以原子的吸收谱线做为参考信号,结合FPGA芯片和外围电路组成伺服控制系统,实现激光器锁频。实验中,欲将激光器频率锁定在吸收谱线最低点,先对激光进行调制解调得到误差信号,FPGA内部采用增量式PI控制算法,采集误差信号处理后得到反馈量反馈至激光器实现闭环。实现锁频后,让激光器自由运转,以此时误差信号为参考,使用Allan方差计算锁频稳定度,计算得锁频稳定度为1.208×10-10
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