實驗名稱：激光干涉儀數字仿真及控制研究

測試設備：高壓放大器、壓電換能器、電光調制器、光電探測器、分光器等。

實驗過程：

圖1：實驗裝置圖。激光束用實線表示，電信號用虛線表示，EOM：電光調制器。BS：分光器。HVAMP：高壓放大器。PD：光電探測器。FPGA：現場可編程門陣列。PZT：壓電換能器。

實驗設置如圖1所示。相位調制(90MHz)的激光束被注入線性腔，其失諧由壓電換能器(PZT)驅動。空腔由兩個間隔距離為28mm的反射鏡組成。反射光被50%的分光器反射并由寬帶光電探測器(PD1)檢測。之后的光電流被解調，其基準來自與調制激光器相同的本地振蕩器。通過光學腔透射的激光由另一個光電探測器(PD2)探測，并且探測到的光電流被用作光學功率參考。誤差信號和光功率參考被發送到I/O連接器。I/O連接器上的16位模數轉換器(ADC)將上述兩個模擬信號轉換成數字信號，并將其輸入現場可編程門陣列(FPGA)中。在FPGA上運行的控制器的數字程序是用Labview組成和調試的。程序輸出由16位數模轉換器將數字信號轉換為模擬信號，連接到高壓放大器，然后連接到腔的PZT上以驅動腔失諧。

圖2：閉環反饋控制示意圖。G1(s)為控制器的傳遞函數，G2(s)是控制對象的傳遞函數。SP代表設定點，C(s)代表腔失諧誤差信號。藍色部分是測量系統頻率響應的示意圖。

實驗采用閉環反饋控制。示意圖如圖2所示。受控系統的誤差信號由數字比例積分控制器處理，然后反饋到腔體中。

圖3：系統的頻率響應圖。

如圖2所示，系統的頻率響應是用信號分析儀通過向壓電陶瓷注入一個正弦信號并檢測相應的誤差信號來測量的。圖3給出了在沒有伺服系統控制下的開環頻率響應和在有伺服系統控制下的閉環頻率響應。它表明，數字控制系統在很大程度上抑制了低于1kHz的振動噪聲。系統帶寬主要受到壓電陶瓷的機械共振的限制。圖4顯示了鎖定和解鎖狀態下的誤差信號的噪聲譜。在1kHz的峰值表明，在控制帶寬的邊緣有輕微的振蕩。本底噪聲是在法布里-珀羅空腔不發生共振時測量的。

圖4：誤差信號頻譜。

實驗結果：

圖5（a）：具有自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

圖5（b）：具有非自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

為了驗證所設計的數字控制系統在激光功率變化條件下的控制能力，對入射激光用10Hz方波進行強度調制。實驗結果如圖5所示。圖5(a)給出了具有自適應總增益的誤差信號和腔透射。圖5(b)給出了具有非自適應總增益的誤差信號和腔透射。紅線代表誤差信號，藍線代表空腔透射功率。

可以看出，當激光功率變化時，系統的透射光隨入射光變化，但誤差信號仍保持為零，說明自適應的總增益可以有效地保持系統穩定。而在非自適應的總增益下系統的誤差信號和透射光均發生震蕩。此時系統不穩定。

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審核編輯 黃宇