實驗名稱：太赫茲激光穩定輸出控制原理

測試設備：電壓放大器、THz激光探測器、數據采集卡等。

實驗過程：

圖1：THz激光穩定控制系統結構

THz激光穩定控制系統原理如圖1所示，主要包括THz激光探測器，數據采集卡，電壓放大器。其中THz激光功率計探測到THz激光后得到直流電壓信號。由計算機圖形化編程Labview控制的數據采集卡對THz激光功率信號進行采集，并對采集到的信號進行分析，并給出誤差電壓信號控制數據采集卡上的D/A轉換器輸出模擬電壓信號，經電壓放大器放大后反饋至泵浦激光器諧振腔的壓電陶瓷上。若電壓增加，功率增加，則電壓變化方向不變，電壓繼續增加，若功率降低則電壓變化方向反向。使THz激光功率始終保持在極大值的位置。我們稱之為極大值法，流程圖如圖2所示。

圖2：THz激光穩定控制系統流程示意圖

測試結果：

圖3：光泵THz激光主動穩定控制裝置

實驗裝置如圖3所示，THz激光器采用直流激勵的機械斬波調QCO2激光器作為泵浦源，調節光柵角度輸出譜線9P(36)支，重復頻率20kHz時，得到泵浦激光的平均功率最高為6.7W。在THz振蕩器內充入甲醇工作氣體，工作氣壓15Pa獲得脈沖THz激光最高平均功率為7.2mW。THz激光經高阻硅鏡片分束后，一束THz激光反射至P4型熱釋電探測器，探測到的脈沖信號送至控制系統經放大及整流電路后由計算機控制的采集卡采集電壓信號分析電壓變化后給出誤差電壓信號經電壓放大器放大后反饋至泵浦激光器諧振腔壓電陶瓷從而調節泵浦激光的頻率，使THz激光穩定在極大值的位置。另一束THz激光透過硅片后入射至THz激光功率計，通過計算機實時記錄監視THz激光的功率變化情況。

圖4：THz激光自由運轉功率的漂移

實驗中，光泵THz激光系統處于自由運轉的狀態時，在15分鐘內測量并記錄了THz激光功率的變化情況，實驗結果如圖4所示，THz激光功率變化范圍為1.5mW~6mW，變化具有一定的隨機性，率變化速度最大0.088mW/s，功控制系統響應時間小于50ms，控制電壓步長最小為500V/4096=0.12V，滿足控制精度的要求，通過計算激光功率穩定度為0.75。壓電陶瓷最大伸縮量10μm，因此壓電陶瓷電壓在0~500V變化時，對于F-P諧振腔及波長為9.69μm的泵浦激光而言，泵浦激光頻率的變化周期大于2s，滿足調諧要求。泵浦激光器的諧振腔長度為1.5m，自由光譜范圍約為100MHz，甲醇氣體共振吸收頻率距泵浦激光譜線中心+24MHz左右，位于泵浦激光可調諧范圍內。可粗略的估算最佳泵浦頻率處泵浦激光功率大約處于最大功率和最小功率之間。

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審核編輯 黃宇