Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ электронных устройств, определяющих качество лазерньгх систем 29
1.1. Обзор задач 29
1.2. Задачи синтеза регулятора 37
1.2.1. Задача разделения движений 37
1.2.2. Проблемы подавления возмущающих воздействий 41
1.3. Задачи снижения погрешностей анализирующих устройств спектрометров
1.3.1. Основные источники погрешности спектрометров 47
1.3.2. Погрешности синхронных детекторов 63
1.3.4. Вклад качества сигнала пробной девиации 64
1.3.5. Вклад погрешности частоты управляемых генераторов
1.3.6. Вклад шума фотоприемника 65
1.4. Необходимость прецизионного управления полупроводниковыми лазерами 66
1.4.1 Выбор между стабилизацией мощности и стабилизацией тока 66
1.4.2. Проблемы прецизионной стабилизации тока 73
4.1.2. Повышение точности систем термостабилизации 74
1.5. Задачи обработки сигналов лазерных систем 85
1.5.1. Многоканальное измерение частот 85
1.5.2. Широкополосное измерение фазовых девиаций 90
1.6. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. Разработка методики синтеза регулятора для разделения движений переходного процесса по возмущению 93
2.1. Исследование корректности метода 93
2.1.1. Постановка вопроса в частной задаче синтеза 93
2.1.2. Обоснование корректности в общем виде 97
2.2. Разделение движений по модуляторам 104
2.3. Особенности метода для систем частотной и фазовой автоподстройки 110
2.3.1. Структурная схема системы с двумя модуляторами 110
2.3.2. Стабилизация частоты лазера по эталону 114
2.3.3. Фазовая привязка частот ы лазера 115
2.4. Сравнение с методом "неполного интегрирования" 116
2.4.1. Вводные сведения 116
2.4.2. Результаты модельного анализа 117
2.4.3. Выводы и рекомендации 120
2.5. Исследование объектов с 5-образной характеристикой и с интегратором 124
2.5.1. Применяемая методика исследования 124
2.5.2. Результаты исследований 126 2.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 127
ГЛАВА 3. Электронные устройства прецизионных лазерных систем 128
3.1 Повышение точности синхронного детектирования 128
3.1.1. Снижение погрешностей демодулятора 128
3.1.2. Цифроаналоговое синхронное детектирование 133
3.1.3. Повышение стабильности низкочастотного тракта 138
3.1.4. Снижение шумов фотоприемников 140
3.1.5. Пути развития синхронных детекторов 141
3.2. Повышение точности управляемых генераторов 144
3.2.1, Снижение нестабильности частоты управляемых генераторов 144
3.2.2. Разработка и применение синтезаторов частоты 146
3.3. Повышение точности управления полупроводниковыми лазерами 153
3.3.1. Источник тока: базовая схема 15 3
3.3.2 Прецизионный цифровой источник тока 158
3.3.4. Стабилизация температуры лазерного диода 161
3.3.5. Обобщение опыта применения диодных лазеров 162
3.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 163
ГЛАВА 4. Измерения частот и фазовых соотношений сигналов лазерных систем 165
4.1. Снижение погрешности измерения частоты 165
4.1.1. Проблемы измерения частоты 165
4.1.2. Повышение точности измерения частоты 170
4.1.3. Аппаратная реализация прецизионного частотомера 171
4.1.4. Сравнение с другими способами повышения точности 119
4.1.5. Алгоритм обработки и программная часть 181
4.1.6. Технические характеристики нового частотомера 185
4.2 Повышение точности измерения разности фаз 186
4.2.1. Измерения разности фаз в лазерной интерферометрии 186
4.2.2. Аналоговый фазометр на основе обработки аналитического сигнала 190
4.2.3. Прецизионный широкополосный цифровой фазометр с гетеродинным преобразованием частоты 195
4.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 202
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 203
5.1. Управление излучением полупроводниковых лазеров и их аттестация 203
5.1.1. Стабилизаторы мощности и тока полупроводниковых лазеров 203
5.1.2. Устройства импульсного управления током 212
5.2.1. Стабилизаторы температуры лазерного диода 216
5.1.1. Улучшение динамических свойств системы термостабилизации 223
5.1.5. Управление лучом полупроводниковых лазеров 234
5.3. Управление частотой излучения 235
5.3.1. Фазовая автоподстройка частоты лазерного излучения 235
5.3.2. Стабилизация частоты по частотным реперам 239
5.3.3. Стабилизация длины интерферометра по длине волны лазерного излучения 241
5.3.4. Аттестация частотного репера для прецизионной спектроскопии мюония
5.3.5. Гетеродинная система управления телескопическим стандартом частоты
5.4 Применение прецизионных частотомеров 248
5.5 Применение прецизионных фазометров 254
5.5.1 Аналоговые фазометры 254
5.5.2. Цифровые фазометры 256
5.6 Выводы по главе 5 258
Заключение 261
Список литературы
- Проблемы подавления возмущающих воздействий
- Особенности метода для систем частотной и фазовой автоподстройки
- Цифроаналоговое синхронное детектирование
- Аппаратная реализация прецизионного частотомера
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения точности и расширения сфер применения лазерных интерференционных и спектроскопических измерительных систем. В работе приведены результаты исследований, полученные автором в Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН и в Новосибирском государственном техническом университете, в 1990-2002 гг. В диссертации разработаны основы исследования погрешностей стабилизации частоты лазерного излучения, уточнены требования к электронным элементам этих систем и разработаны методики и технические решения для их выполнения. Решены задачи прецизионного управления частотой излучения газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров в контуре частотной и фазовой автоподстройки, измерения частот и фаз сигналов, получаемых в лазерных системах. Осуществлен теоретический анализ динамических свойств замкнутых систем двухканального управления частотой и фазой излучения при подавлении возмущающего воздействия, обеспечено разделение движений по модуляторам в сопряженных частотных областях. Разработанные прецизионные системы управления с электронными элементами и устройствами, улучшенными на основе разработанных методик, использованы при создании и аттестации лазерных частотных эталонов, спектрометров, виброметров, измерителей скорости и длины, оптических запоминающих устройств.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, лазерная интерферометрия и метрология требуют высокоточного управления частотой и фазой лазерного излучения и прецизионного измерения частоты и фазы принятого сигнала [7,15 - 26]. Электронные системы стабилизации частоты лазеров по резонансам нелинейного поглощения веществ позволяют снизить кратковременную относительную нестабильность частоты до величин на уровне 10"13-10"4% [15, 23, 25, 26, 39].
Дальнейшее снижение нестабильности частоты ограничено недостаточной точностью электронных систем ее стабилизации в контуре обратной связи. Погрешность этих систем определяется динамической ошибкой регулирования и несовершенством устройств измерения стабилизируемой величины. Снижение ошибки регулирования требует развития методик синтеза регуляторов для подавления возмущающих воздействий в широкой полосе частот. Снижение погрешностей измерений требует разработки новых подходов к созданию электронных измерительных устройств.
Электронная часть лазерных систем содержит элементы управления для стабилизации частоты по реперу, подсистемы гетеродинной передачи малой нестабильности частоты в другой частотный диапазон и анализирующие устройства. Воспроизводимость частоты лазерных систем ограничена температурными дрейфами и другими неконтролируемыми изменениями параметров электронных устройств и несовершенством регуляторов. Следует выделить основные элементы и устройства (регуляторы и датчики), ограничивающие точность систем управления частотой лазерного излучения для решения задач ее повышения. Необходима методика определения вклада этих устройств в общую погрешность и технические решения по совершенствованию этих устройств.
Актуально также освоение новых областей спектрального диапазона излучения. Например, лазерная спектроскопия мюония (для фундаментальной метрологии) требует разработки основ управления частотой излучения полупроводниковых лазеров (ППЛ). Это требует решения проблем частотной стабилизации ППЛ, и предварительной стабилизации режима их работы путем прецизионного управления их температурой и током. Допустимая нестабильность тока составляет ±5-10 % в час, а кратковременный уход температуры не должен превышать ± 0,002° С.
Для аттестации и расширения сфер применения лазерных систем необходимы прецизионные измерители частот и фаз формируемых сигналов. Известные устройства не позволяют обеспечить требуемую точность измерения в сочетании с необходимым быстродействием и непрерывностью измерения.
Лазерные методы дают высшую точность при измерении скоростей, перемещений и вибраций объектов. Снижение габаритов за счет перехода на ППЛ и повышение точности за счет новых устройств стабилизации оптических характеристик, управления ими и измерения получаемых сигналов расширяет сферу их применения.
С целью снижения погрешности лазерных эталонов частоты и спектрометров и расширения сфер их применения в работе формируются и обеспечиваются новые требования к электронным элементам и устройствам прецизионных систем управления лазерным излучением.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Предметом исследования являются лазерные системы (спектрометры, эталоны частоты, виброметры) и их электронные элементы и устройства.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Повышение точности и расширение сфер применения лазерных интерферометрических систем и эталонов за счет прецизионных электронных измерительных устройств и повышения качества стабилизации частоты и фазы излучения и режима работы отдельных элементов. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Разработка на основе метода разделения движений методики анализа и синтеза регуляторов для обеспечения заданных динамических свойств замкнутых систем управления для подавления возмущающих воздействий и прецизионного управления частотой лазерного излучения.
2. Повышение точности систем управления частотой и фазой лазерного излучения на основе прецизионных электронных элементов и устройств.
3. Повышение точности скоростного многоканального измерения частот сигналов, получаемых гетеродинными преобразованиями лазерного излучения.
4. Повышение чувствительности широкополосных детекторов разности фаз слабых сигналов, получаемых лазерными виброметрами,
5. Обеспечение возможности создания и аттестации частотного репера вблизи частоты излучения мюония разработкой методов и средств прецизионной стабилизации частоты лазера и стабилизации длины интерферометра по длине волны образцового излучения.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При решении поставленных задач использовались: теория автоматического управления, методы прикладной математики и статистического оценивания, физический эксперимент, аналитический расчет, имитационное моделирование.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
В результате исследований впервые получены следующие научные результаты: 1. Обоснована корректность метода разделения движений для синтеза регуляторов с позиции неучтенных корней объекта и предложена модификация этого метода для подавления возмущающих воздействий с кратным увеличением порядка и коэффициента медленного контура управления в сравнении с быстрым контуром, что позволяет при двух-канальной стабилизации частоты лазерного излучения за счет разделения требований по диапазону управления и по быстродействию расширить полосу и увеличить глубину подавления возмущений.
2. Обоснованы повышенные требования к электронным устройствам систем управления частотой и фазой лазерного излучения; разработаны прецизионные управляемые генераторы, синхронные детекторы и двухканальные регуляторы с разделением управления на широкополосный низковольтный и узкополосный высоковольтный канал для обеспечения этих требований.
3. Разработаны и реализованы устройства прецизионного, малошумяще го (с дрейфом ±10 % за 1 час) управления током полупроводниковых лазеров и их защиты от катастрофической деградации при токах, близких к критическим, что позволило расширить сферу их применения в интерферометрических измерительных системах.
4. Разработаны и реализованы методы и средства непрерывного много канального измерения частот сигналов лазерных систем за интервалы понижением погрешности дискретизации длительности до ее уточнения путем формирования дополнительных интервальных импульсов, их растяжки и измерения полученной длительности.
5. Разработаны и реализованы методы и средства детектирования в полосе звуковых частот слабых на уровне А р № рад. фазовых девиаций высокочастотных сигналов лазерных виброметров за счет обработки аналитических сигналов, формируемых на промежуточной частоте с подавлением дрейфа нуля и амплитудных девиаций.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили:
1. Обеспечить аттестацию лазерных и иных частотных эталонов непрерывным многоканальным измерением частот на интервалах Т от 10 3с до 103с с относительной погрешностью частоты порядка погрешности определения этих интервалов, задаваемых отношением
2. Уменьшить вклад электронных устройств в погрешности стабилизации частоты различных лазеров по частотным реперам для прецизионных измерений до величин, пренебрежимо малых в сравнении с оптическими шумами системы.
3. Аттестовать полупроводниковые лазеры и программно управлять ими с шагом управления током 0,01% при неконтролируемых отклонениях не более ±10" 4 % от диапазона и при управлении температурой с погрешностью датчика (± 0,001° С ).
4. Повысить точность дистанционного бесконтактного измерения субна-нометровых вибраций диффузно рассеивающих поверхностей в полосе звуковых частот.
5. Создать и исследовать частотный репер в области А=732 нм на парах молекулярного йода, примененный для лазерной спектроскопии мюо-ния. РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Системы управления режимами полупроводникового лазера применены в ряде экспериментальных установок в Институте лазерной физики СО РАН, в установке Института Макса Планка (ФРГ), а также в стенде паспортизации, разработанном для ПО «Север», г. Новосибирск, для выходного контроля параметров изготавливаемых полупроводниковых лазеров.
Разработанный синтезатор частоты с относительной погрешностью стабилизации частоты Sf 10 и с шагом управления 0,05 Гц использован для прецизионного управления стандартами частоты с телескопическим расширителем пучка.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах, включая 9 международных, перечень которых дан в заключении.
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 55 печатных работах, среди которых три авторских свидетельства, 27 статей в профильных рецензируемых журналах, две заявки на патенты РФ с полученными положительными решениями.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Метод повышения быстродействия и точности двухканальной стабилизации частоты лазерного излучения для подавления возмущающих воздействий, обеспечивающий разделение компонент переходного процесса в быстром и медленном каналах путем кратного повышения порядка модели и коэффициента усиления регулятора медленного канала относительно быстрого канала за счет разделения требований к управляющим элементам по быстродействию и по диапазону управления.
2. Обоснование и технические решения для прецизионного малошумя-щего управления током полупроводниковых лазеров с одновременной стабилизацией температуры в пределах ±0,001° С и защиты от бросков тока при мощностях излучения, близких к критическим значениям, позволяющие создавать интерферометры и частотные эталоны в новых оптических диапазонах.
3. Метод снижения на два порядка погрешности непрерывного многоканального измерения частот, состоящий в безостановочном счете измеряемых и эталонных импульсов с синхронным чтением счетчиков и уточнении погрешности дискретизации интервала счета в дополнительном канале измерения.
4. Метод и технические решения повышения разрешающей способности
устройств регистрации сверхмалых, порядка 10" рад., фазовых девиаций сигналов лазерного спектрометра в акустической полосе частот получением аналитического сигнала при гетеродинном переносе частоты на низкочастотную несущую с аналоговой или цифровой фазовой или частотной демодуляцией.
5. Обоснование необходимости снижения на порядок погрешностей управляемых генераторов, синхронных детекторов и интеграторов электронных систем стабилизации частоты лазерного излучения и технические решения для этого, состоящие в разработке и применении перечисленных элементов в прецизионном исполнении.
6. Технические решения для повышения точности электронных устройств термостабилизации, стабилизации частоты лазерного излучения и стабилизации длины резонатора по длине волны лазерного из 20 лучени, позволившие найти и аттестовать частотный репер дл пре цизионной спектроскопии мюони
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертаци состоит из введени , п ти глав с выводами по каждой из них, заключени , списка литературы и приложени Объем диссерта ции составл ет страниц основного текста, включа рисунков, таблиц Список литературы содержит наименований
Первая глава содержит обзор известных лазерных систем, поста новку и анализ основных задач, вытекающих из цели работы, обоснова ние рациональности использованных методов и средств их решени
В классе лазерных систем выделены электронные устройства под системы стабилизации частоты лазерного излучени по физическим ре перам и фазовой прив зки частот излучени нескольких лазеров друг к другу Дл повышени их точности необходимо снижение шумов их из мерительных устройств и обеспечени заданного качества регул торов
Необходима методика синтеза регул торов дл двухканального подавлени возмущающего воздействи , с разделением мод переходного процесса по модулирующим элементам Преимущество двухканального управлени состоит в возможности разделить требовани к управлю щим устройствам модул торам по точности и по быстродействию, с учетом особенностей спектра лазерных шумов, которые резко затухают с частотой по степенному закону Модул торы частоты лазерного излуче ни не обеспечивают высокого быстродействи при больших величинах воздействи Дл сочетани положительных свойств различных модул торов их примен ют совместно, в двух каналах управлени объектом — быстром и медленном
Анализ частотных свойств объекта с 5-образной нелинейностью затруднителен, особенно при наличии в объекте интегрирующего звена, поэтому точный расчет регуляторов невозможен. Известны методы синтеза регуляторов при интервальном задании параметров объекта и методы идентификации элементов в составе замкнутых систем управления. Соединение этих методов позволяет после предварительного синтеза быстрого контура управления уточнять модель объекта и определять технические требования к основным элементам систем управления лазерным излучением. На основе необходимых исследований и теоретических оценок сформулированы новые требования к точности электронных устройств лазерных систем: к синхронным детекторам, генераторам, частотомерам и фазометрам.
Дальнейшее повышение точности и расширение сфер применения лазерных систем требует освоения новых областей спектрального диапазона излучения. Целесообразно применение для этого стабилизированных полупроводниковых лазеров. Это требует создания прецизионных стабилизаторов их тока и температуры и систем стабилизации частот и фаз их излучения.
Взаимная аттестация создаваемых лазерных систем, прототипов первичных эталонов частоты следующего поколения, в силу их наивысшей стабильности, осуществляется исследованием разностной частоты двух идентичных образцов. Для этого необходимы средства поверки с соответствующей точностью при заданных темпах получения отсчетов частоты. Существующие частотомеры не обеспечивают требуемого многоканального измерения частот, их погрешность за измерительные интервалы от 7 с близка к 1 Гц и с уменьшением длительности измерительного интервала растет обратно пропорционально этой величине. Частотомеры с уточнением частоты характеризуются недопустимо большим «мертвым временем», когда измерение не осуществляется.
Расширение сфер применения интерферометрических измерителей скорости, перемещения и вибраций требует достижения новых точно 22 стей частотомеров и фазометров в расширенных частотных диапазонах. В частности, система бесконтактного измерения субнанометровых вибраций требует создания методов и средств измерения фазовых приращений порядка l(f4рад. и менее в акустическом диапазоне частот.
Вторая глава посвящена разработке основ синтеза двухканальных регуляторов для лазерных систем по методу разделения движений.
Без обеспечения разделения мод по модуляторам двухканальное управление не достаточно эффективно. В известных системах частотные свойства различных регуляторов одной и той же величины разносятся более чем на порядок, либо разделение мод достигается далеко не во всем рабочем диапазоне частот.
Нами показано, что известный метод расчета регуляторов, называемый «неполным интегрированием», не обеспечивает требуемого разделения мод переходного процесса. Ранее с участием автора совместно с профессором А.А, Воеводой разработан метод разделения движений [76, 65, 261] на основе принципа локализации, сформулированного профессором А.С. Востриковым [77]. Метод разработан для известного порядка модели объекта. В диссертации показано, что влияние неучтенных в модели корней уравнения объекта требует детального рассмотрения, которое осуществлено аналитически и подтверждено модельным анализом и испытанием реализованных устройств. Однако, эффективность этого метода существенна при анализе и синтезе систем под действием управляющего воздействия. В работе выявлены отличия метода в условиях возмущающего воздействия, обоснована необходимость его развития для этого случая.
Нами осуществлено развитие метода разделения движений для указанного случая подавления возмущающего воздействия в контуре двухканального управления. Это дает методику синтеза регуляторов, позволяющую расширить полосу и снизить динамическую ошибку за счет разделения требований к модуляторам по быстродействию и точности, что обеспечено гарантированным разделением частот за счет соответствующего двухканального регулятора.
В третьей главе содержится описание методов и средств обеспечения новых требований к основным элементам прецизионных систем управления лазерным излучением. На примере лазерных гетеродинных спектрометров сверхвысокого разрешения, систем стабилизации частоты по нелинейному реперу поглощения, систем фазовой автоподстройки частоты и интерферометрических систем нами выделены основные электронные устройства, вносящие наиболее существенный вклад в погрешности стабилизации. Это - синхронные детекторы и их элементы, управляемые генераторы, устройства стабилизации и управления режимом работы полупроводниковых лазеров, измерители частот и фазовых соотношений. Точность перечисленных электронных устройств ограничивает точность лазерных систем в целом, их поэтому снижение погрешностей чрезвычайно актуально.
В работе обоснован способ сравнения синхронных детекторов (СД), служащих датчиком ошибки в системах с обратной связью. В этих условиях основной характеристикой служит отношение приведенных ко входу дрейфов смещения к диапазону допустимого входного сигнала. Обсуждаются пути повышения точности аналоговых синхронных детекторов. Для экспериментального исследования влияния нелинейности сигнала тестовой девиации и для прецизионных применений разработан СД на основе перемножающих цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Показано, что увеличение его разрядности позволяет достичь еще большего увеличения глубины подавления кратных гармоник, однако в решаемых задачах полученные характеристики СД доведены до уровня, когда их дальнейшее улучшение не принципиально, поскольку влияние шумов оптического сигнала на точность стабилизации преобла 24 дает. Решены проблемы повышения стабильности интегратора при большом времени интегрирования.
Снижение погрешности стабилизации частот по сверхтонкой структуре нелинейных оптических резонансов требует повышения разрешающей способности гетеродинных спектрометров. Для этого необходимо повышение воспроизводимости характеристики и снижение шага управления генераторами, задающими в контуре фазовой привязки частоты биений опорную частоту. Генераторы такого класса точности, относятся к классу прецизионных устройств [198]. В работе относительная нестабильность генератора частоты понижена в 16 раз за счет сужения диапазона перестройки. Показаны преимущества цифрового синтеза частот. Отсутствие генераторов-синтезаторов с необходимыми показателями (требуется управление частотой порядка 1-5 МГц с шагом менее 0,05 Гц при жестких ограничениях на длительность и величину переходного процесса) нами восполнено разработкой соответствующих устройств.
Сформулированы и решены задачи прецизионного управления излучением полупроводниковых лазеров. Создание на основе полупроводниковых лазеров прецизионных лазерных систем требует обеспечения высокой стабильности тока накачки в условиях повышенного уровня помех, включая импульсные наводки. Показана необходимость понижения относительного дрейфа стабилизации тока. Приведены основы ма-лошумящего формирования тока накачки с защитой от бросков при коммутации тока. Разработаны стабилизаторы температуры с заданными свойствами.
В четвертой главе решаются задачи повышения точности измерения частот и фаз сигналов лазерных интерферометрических систем в заданных временных интервалах. Исследование погрешности стабилизации частоты излучения лазеров требует измерения нестабильности разностной частоты двух идентичных лазерных систем во времени. Результат измерения используется для вычисления специальной статистической характеристики нестабильности частоты во времени - дисперсии Аллена.
Известные частотомеры не обеспечивают достаточной точности при измерении за малые длительности, а частотомеры с понижением погрешности путем уточнения длительностей характеризуются недопустимо большим значением мертвого времени.
Пятая глава содержит описание использования реализованных устройств и полученные результаты. Указаны пути развития разработанных методов и решений и использования результатов в смежных областях. Анализируется применение созданных устройств управления для повышения точности гетеродинного лазерного спектрометра.
В Заключении подводятся итоги работы. Сформулированы основные выводы по результатам исследований. Приведены сведения об апробации, о полноте опубликования в научной печати основного содержания диссертации, ее результатов, выводов. Приводятся сведения о защищенности технических решений авторскими свидетельствами, патентами. Указываются предприятия, где внедрены полученные результаты и где они еще могут быть использованы. Показано, что поставленные задачи повышения точности и расширения сфер применения лазерных систем успешно решены.
В результате выполненных исследований созданы методики аттестации лазерных систем, уточнения требований к параметрам электронных элементов (регуляторов) и устройств (измерителей и стабилизаторов температуры и тока, частоты, фазы сигналов) этих систем. Обоснование корректности и развитие метода разделения движений для синтеза регуляторов позволило расширить полосу и повысить точность лазерных систем и их вспомогательных устройств.
Погрешности разработанных устройств снижены до величин, пре- небрежимо малых в сравнении с оптическими шумами лазерных систем.
В приложении помещены материалы дополнительного и справочного характера, прилагаются документы о внедрении результатов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Разработаны и реализованы методики исследования и уменьшения основных погрешностей электронных систем стабилизации частоты излучения газовых, полупроводниковых и твердотельных лазеров по реперам оптического диапазона и электронных измерительных устройств для этих систем.
2. Обоснована корректность анализа и модифицирована методика синтеза регуляторов лазерных систем на основе метода разделения движений для эффективного подавления возмущающих воздействий при стабилизации частоты, разности фаз, положения сфокусированного пятна и температуры оптических элементов.
3. Разработаны регуляторы для лазерных систем стабилизации и гетеродинного преобразования частот с глубоким подавлением шумов в акустическом диапазоне и обеспечено повышение точности этих систем разработкой и применением прецизионных синхронных детекторов и синтезаторов частот с шагом 0,05Гц и погрешностью
4. 10" Р &работаны устройства управления током полупроводниковых лазеров, с воспроизводимостью тока в пределах +10 % от диапазона.
5. Разработаны устройства стабилизации температуры полупроводниковых лазеров и иных оптических элементов с погрешностью, оп 27 ределяемой датчиком (±0,001 °С) на интервалах усреднения 100 с и более.
6. Разработаны и реализованы методы и средства непрерывного мно гоканального измерения частот за интервалы г 10" с с понижением погрешности дискретизации длительности до Дг 10 с за счет ее уточнения путем формирования интервальных импульсов, их растяжки и измерения длительности получаемых импульсов.
7. Разработаны и реализованы методы и средства детектирования в полосе звуковых частот слабых, на уровне А(р .Ю рад.у фазовых девиаций высокочастотных маломощных сигналов лазерных виброметров за счет обработки аналитических сигналов, получаемых на промежуточной частоте с подавлением дрейфа нуля и амплитудных девиаций.
8. Обеспечена возможность создания и аттестации частотного репера вблизи частоты излучения мюония разработкой методов и средств прецизионной стабилизации частоты лазера и стабилизации длины интерферометра по длине волны образцового излучения, стабилизаци ей температуры отростка поглощающих h и IBr ячеек.
Научные результаты реализованы при разработке и изготовлении электронных устройств, работающих в составе действующих уникальных установок и опытных образцов.
Разработанные методики опубликованы в рецензируемых журналах и подробно рассмотрены в учебных пособиях.
Теоретические результаты используются в учебном процессе на кафедре Лазерных систем НГТУ. Автор глубоко признателен за постановку задач, всестороннюю поддержку и помощь в работе научному консультанту академику Сергею Николаевичу Багаеву.
Автор столь же глубоко признателен заслуженному деятелю науки РФ профессору Анатолию Сергеевичу Вострикову за всестороннюю научную помощь, а также всем руководителям» коллегам, сотрудникам, с которыми довелось работать при решении тех или иных задач. Прежде всего, это - сотрудники Института Лазерной физики СО РАН: д.ф.-м.н. А.К. Дмитриев, д.ф.-м.н. М.Н. Скворцов, д.ф.-м.н. В.М. Клементьев, д.ф.-м.н. Б.Д. Борисов, к.ф.-м.н. Ю.А. Матюгин, к.ф.-м.н. В.М. Семибаламут, к.ф.-м.н. М.В. Охапкин, к.ф.-м.н. А.С. Дычков, к.ф.-м.н. П.В. Покасов, к.ф.-м.н. А.Ю. Невский, к.ф.-м.н. B.C. Пивцов, вед. инж. A.M. Гончаренко, главн. спец. С.А. Фарносов, м.н.с. В.А. Васильев, вед. инж. В.Д. Ги-тельсон и многие другие, это — сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН: д.т.н. B.C. Соболев, д.т.н. В.П. Коронкевич, вед. инж. А.А. Столповский, к.т.н. Е.Н. Уткин, это - сотрудники Новосибирского государственного университета: д.т.н. А.А. Воевода, д.т.н. Е.А. Титов, д.т.н. В.В. Покасов, к.т.н. А.Л. Соловьев, методист Т.Б. Полетаева, а также сотрудники других организаций: д.ф.-м.н. Е.А. Кузнецов, д.т.н. Ю.Н. Дубнищев, Е.А. Волков, С.А. Бармасов, И.Н. Кирдянов, Д.Ю. Ивашко, А.С. Ефимов, И.В. Падюков и многие другие.
Проблемы подавления возмущающих воздействий
Передаточная функция по возмущению Wu(p) имеет числитель, который совпадает с одним из сомножителей асимптотического полинома знаменателя и приближенно сокращается. Следовательно, возмущение не фильтруется контуром «медленных» движений, форма переходного процесса от возмущений определяется модами «быстрых» корней. В системе стабилизации управляющее воздействие Уф) равно нулю, поэтому желаемое характеристическое уравнение замкнутой системы достаточно полно описывает переходные процессы по управляющему воздействию, но не соответствует столь же полно виду переходных процессов по возмущающему воздействию. При разработке систем стабилизации гораздо важнее уравнение, описывающее отработку возмущения Н(р).
Эта особенность не полного представления частотных свойств характеристическим полиномом относится лишь к данному методу, а не к одноконтурным системам. В практике синтеза регуляторов справедливо считают, что характеристический полином характеризует устойчивость контура в целом и имеет наибольшую значимость в описании переходных процессов, как по управляющему, так и по возмущающему воздействию, однако это касается лишь одноконтурной замкнутой системы.
В этом случае передаточная функция по помехе однозначно описывается характеристическим полиномом. Систему в этом случае можно представить в виде одного замкнутого контура (рис. 1.5).
Для наглядной оценки метода разделения движений с позиции качества подавления возмущающего воздействия нестационарный объект с регулятором по этому методу следует преобразовать к аналогичной структуре. Уравнение (1,4) имеет различные полиномы перед величинами Y(p) и V(p). Поскольку фильтр лишь ограничивает спектр управляющего воздействия, для описания систем стабилизации (V-0) он не имеет значения, свойства контура следует изучать по передаточной функции Wp(p) =WR(p)Wo(p). Регулятор по уравнению (1.11) осуществляет дифференцирование с большим коэффициентом усиления (К = ju 1). Иными словами, регулятор восстанавливает наклон логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) до -20дб/дек, и повышает усиление.
Из теории следует, что выбором достаточно малого № и соответствующих коэффициентов d t всегда можно обеспечить устойчивость быстрых движений и это справедливо, если порядок объекта определен правильно. Проблема в том, что понятие «порядок объекта», взятое из математики, строго не применимо к реальным динамическим объектам. Утверждение «объект имеет порядок п» означает, что выше некоторой частоты затухание а.ч.х. с её увеличением сохраняет заданный п-кратный наклон сколь угодно далеко в сторону бесконечных частот.
Но всякий реальный объект описывается дифференциальным уравнением конечного порядка лишь приближенно. При выборе модели объекта в расчет принимаются лишь самые медленные постоянные вре мени. Поэтому возникает вопрос о корректности метода в случае наличия неучтенных корней передаточной функции объекта. Ответам на эти вопросы посвящена вторая глава.
Наряду с задачей синтеза регулятора для повышения динамической точности рассматриваемых систем не менее важны задачи повышения точности определения характерных точек частотных реперов (экстремумов поглощения или люминесценции). В данном случае это — задача повышения точности датчика ошибки.
В литературе, сообщающей об успехах в области стабилизации частоты лазерного излучения, используется терминология и оценки, ко-торые трудно соотнести между собой [15 — 28, 34, 61, 62, 80 - 84, 92, 96 - 101, 147, 160 - 162, 165 - 170, 236 - 239]. Единые определения [1, 2, 8 -9] далеко не всегда соблюдаются. Наряду с понятием «нестабильность» [61, 62, 179, 202 - 213], применяется понятие «стабильность» [8, 27, 45, 82, 171, 188, 222, 226, 267], «воспроизводимость» [62, 165], а также термины «точность» и «погрешность» не всегда корректно. При этом, как правило, для каждого из примененных терминов указывается величина, много меньшая единицы. Попытка различить эти понятия была бы безуспешной без использования дополнительной информации об успехах, достигнутых в научных коллективах, сообщающих об этих достижениях. Анализ истории развития этих работ с 1978 г. по настоящее время позволяет отличить достоверные сообщения от недостоверных, и учесть примененную терминологию с уточнениями.
Особенности метода для систем частотной и фазовой автоподстройки
Ниже рассматривается метод синтеза регулятора для гарантированного разделения движений по модуляторам, как по управлению, так и по возмущению. С этой целью разделение движений должно быть гарантировано видом ал.х. разомкнутого контура.
Принято изображать а.ч.х. систем в логарифмическом масштабе по обеим осям. А.ч.х. соединенных последовательно объекта и регулятора равна произведению их а.ч.х., на логарифмическом графике это произведение получается графическим суммированием. При суммировании воздействий по двум каналам наименьшим из них можно пренебречь, если оно отличается на порядок. Этот факт на логарифмическом графике проявляется тем, что а.ч.х. суммы выглядит как огибающая отдельных а.ч.х. На участке, где а.ч.х. каналов соизмеримы, а.ч.х. примерно в полтора раза превышает каждую из них. На этом участке движения не разделяются.
Для разделения движений по модуляторам необходимо и достаточно, чтобы а.ч.х. быстрого канала превышала а.ч.х. медленного канала в зоне высоких частот (не менее чем на порядок), и наоборот, была меньше в зоне медленных частот. Область частот, где они соизмеримы, минимизируют. Для этого они не должны быть параллельны вблизи области их пересечения. Чем больше угол пересечения а.ч.х. быстрого и медленного канала, тем лучше разделяются моды по модуляторам. Этим требованиям отвечают передаточные функции трактов по уравнениям (1.5).
Выше сказано, что а.ч.х. быстрого канала должна иметь небольшой наклон при пересечении с осью частот. Целесообразно обеспечить большой наклон а.ч.х. медленного канала: резкое её увеличение с уменьшением частот позволяет быстро достичь больших величин, что улучшает качество управления. По уравнениям (1.5) реализуется второй порядок затухания медленного тракта, но он может быть сделан и выше.
Таким образом, разделение движений по модуляторам достигается обеспечением двукратного или большего наклона а.ч.х. медленного канала введением в регулятор необходимого числа интеграторов. При этом наклон а.ч.х. быстрого канала обеспечивается однократным в области, начиная много раньше точки её" пересечения с а.ч.х. медленного канала и кончая много позже точки её пересечения с осью частот.
Регулятор содержит два параллельных канала, причем а.ч.х. регулятора быстрого канала дополняет а.ч.х. быстрого модулятора (включая а.ч.х. объекта и датчика ошибки) до интегрирующего звена первого порядка, а.ч.х. регулятора медленного канала дополняет а.ч.х. медленного модулятора до интегрирующего звена второго или более высокого порядка [121, 126].
На рис.2.4 показана схема системы, на рис.2.5 — а.ч.х. медленного и быстрого канала (Wi и Wj, соответственно). На рис.2.6 и 2.7 показано неправильное расположение этих а.ч.х. В первом случае (рис.2.6) имеется участок, на котором с уменьшением частоты не увеличивается а.ч.х., что нежелательно. Во втором случае (рис.2.7) не происходит разделения движений, поскольку а.ч.х. двух каналов на достаточно протяженном участке соизмеримы. При соотношении а.ч.х. каналов, показанном на рис.2.8, обеспечивается разделение движений, но такое их взаимное расположение не достаточно эффективно, поскольку в низкочастотной области наклон может быть сделан более крутым. Кроме того, регулятор для такой системы более сложен, поскольку критичен к положению точки второго излома а.ч.х. медленного канала.
Пьезокерамические модуляторы, изменяя длину резонатора лазера, позволяют управлять частотой излучения [71, 121, 126]. Как правило, а.ч.х. этих модуляторов в области от низких частот до первой частоты резонанса имеет нулевой наклон, а далее резко ниспадает (рис.2.9). Поэтому регулятор должен содержать интегратор первого порядка по быстрому каналу и интегратор второго или более высокого порядка по медленному каналу.
При решении проблемы стабилизации частоты лазера по эталону, кроме того, возникают проблемы точности тракта синхронного детектирования [31], которые рассмотрены в первой главе, а также проблемы улучшения качества высоковольтного усилителя [119], которые будут рассмотрены ниже при обсуждении системы фазовой автоподстройки частоты.
Поскольку воздействие на пьезокерамические модуляторы, изменяет частотой излучения, а датчик ошибки реагирует на разность фаз, объект (неизменяемая часть) имеет начальный наклон первого порядка [32, 68, 121, 260]. Поэтому регулятор должен содержать широкополосный усилитель по быстрому каналу (наклон нулевого порядка) и интегратор первого или более высокого порядка по медленному каналу (рис.2.10). L(«)
Цифроаналоговое синхронное детектирование
Общий недостаток схем на ключах, связанный с низким коэффициентом подавления кратных гармоник, этим схемным решением не снимается. Поскольку на ключах возможно умножение только на прямоугольный сигнал, гармонические компоненты сигнала на нечетных гармониках порождают продукты в области низких частот, в том числе смещают общий уровень выходного сигнала. Ранее этому не придавалось этому значения, в предположении, что сигнал на нечетных гармониках имеет тот же знак, что и сигнал на основной гармонике [188]. Однако, поскольку настройка сдвига фаз осуществляется только на одной частоте, сдвиг фаз остальных компонент не контролируется и вклад ос-тальных компонент произволен. Это ухудшает точность подобных систем.
Цифроаналоговое синхронное детектирование
Недостаточное подавление нежелательных гармоник демодулятором синхронного детектора особенно заметно влияет на точность при избирательном детектировании второй, третьей и более высоких гармоник. Переход на высшие гармоники осуществляется с целью исключить влияние линейного члена в зависимости выходной мощности излучения от частоты, который появляется из-за свойств активной среды лазера и технологических особенностей. Дополнительные погрешности синхронного детектирования в этом случае порождаются отклонением сигнала девиации от гармонической формы и нелинейностью его преобразования модулятором. Для исследования допустимой величины указанных отклонений был использован метод имитации. Исследовано влияние генератора пробной девиации на сдвиг частоты стабилизируемого лазера. Для снятия зависимости этого сдвига от стабильности амплитуды и от гармонических компонент генератора разработан и применен генератор сигналов произвольной формы на основе счетчика с высокочастотным генератором на входе и запоминающего устройства с цифроаналоговым преобразователем на выходе [109]. Устройство (рис.3.3) позволило программно задать форму сигнала в виде гармонического с заданной величиной искажений.
Установлено, что наличие в сигнале пробной девиации помех кратных гармоник приводит к дополнительному смещению сигнала на выходе синхронного детектора. При детектировании на третьей гармонике частоты пробной девиации, появление помехи на этой частоте на уровне 0,05% дает сдвиг частоты порядка 1 Гц. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям долговременная нестабильность амплитуды сигнала пробной девиации не должна превышать 0,1%.
Требуемые характеристики достигнуты (а по стабильности частоты — превышены) разработкой кварцевого генератора с применением КМОП - инвертора с прецизионным питанием на выходе делителя частоты для формирования стабильной амплитуды. Отклонение амплитуды генератора от заданного уровня после двухчасового прогрева не превышает 0,1%. При этом доля компоненты на третьей гармонике экспериментально определена ниже 0,05% [111].
Детектирование сигнала на третьей гармонике ужесточает требования к качеству фильтрации. При детектировании на основной гармонике из сигнала необходимо устранить лишь нежелательные компоненты на второй и более высоких гармониках, то есть полезный и нежелательный сигналы отличаются по частоте в два и более раза. При детектировании на третьей гармонике полезный сигнал отличается от ближайших по спектру нежелательных компонент сигнала, порождаемых девиацией, в 1,5 раза (третья от второй) ив 1,33 раза (четвертая от третьей). Крайне нежелательно присутствие остатков сигнала на девятой гармонике, которая соответствует утроенной частоте опорного сигнала синхронного детектора. Эта компонента всего лишь втрое слабее проходит на выход, чем основной сигнал, поэтому для того, чтобы она не вносила заметного вклада, она должна быть подавлена на 4-5 порядков.
Демодулятор, осуществляющий умножение на прямоугольный сигнал, таким образом, не является наилучшим решением с позиции подавления побочных продуктов. Умножение на гармонический сигнал весьма желательно, но применение аналогового перемножителя нецелесообразно из-за больших сдвигов нуля. Для достижения требуемых параметров необходимо сочетание преимуществ аналоговой и цифровой техники.
С этой целью на основе генератора рис.3.3 разработан синхронный детектор за счет использования дополнительного ЦАП как перемножителя (рис.3.4). Устройство объединяет преимущества перемножителей на ключах (малое напряжение смещение и его дрейф) и аналогового перемножителя (глубокое подавление продуктов от перемножения сигнала на гармонические компоненты) [109]. Генератор собран на основе счетчиков и перемножающих ЦАП (AD7528) ддя. прецизионного формирования пробного сигнала девиации и умножения сигнала из приемного тракта на опорный сигнал, формируемый программно.
Важной особенностью разработанного генератора является возможность установки в те же разъемы как оперативных запоминающих устройства (ОЗУ), так и постоянных (ПЗУ). Это позволяет в случае ОЗУ программировать форму сигнала девиации для задач исследования влияния её качества на сдвиги частоты, так и работать в автономном режиме с применением однократно запрограммированных ПЗУ.
Аппаратная реализация прецизионного частотомера
Повышение точности системы управления спектрометром высокого разрешения и лазерного стандарта частоты на ее основе требует повышения стабильности частоты применяемых управляемых генераторов Г и Г2 в системе, показанной на рис.1.8. В 1.3 указано, что стабильность управляемых генераторов для задачи управления частотой отстройки лазеров друг от друга в гетеродинных системах недостаточной оказывается не достаточной. Эти генераторы формируют сигнал частот fl и f2, которые посредством систем ФАП управляют вторым и третьим лазерами. Дрейф частоты на величину около 1-10 Гц и выше за время 10-1000 с этих генераторов вызывает паразитные изменения частоты излучения лазера, который осуществляет сканирование частотой для снятия спектра сверхтонкой структуры линий поглощения. В этом случае увеличение времени усреднения сигнала от сверхтонкой структуры линий поглощения не позволяет обеспечить увеличение отношения сигнал/шум.
Повышение стабильности управляемого генератора может быть осуществлено за счет сужения диапазона перестройки. Функциональная схема генератора с повышенной стабильностью, разработанного для этих целей, показана на рис.3.7. Повышение стабильности генерации частоты обеспечивается вычитанием частоты управляемого генератора (около 250 кГц) го частоты опорного кварцевого генератора (5 МГц), поделенной в 4 раза счетчиком-делителем. Вычитание осуществляется смешением частот на перемножителе с последующей фильтрацией фильтром НЧ [35д, 36д].
Для реализации сверхмалого шага перестройки частоты в сочетании с её высокой стабильностью были созданы стабильные генераторы, управляемые напряжением (ГУН). Требуемые свойства обеспечены схемой двухступенчатого вычитания частот (рис.3.7) с образцовым кварцевым генератором [121]. Как следует из этой схемы, на выходе первой ступени частота определена соотношением: где F, - частота образцового генератора, F2 - частота управляемого генератора. На выходе второй ступени
Если частота управляемого генератора равна F2 = FQ± AF2, а частота кварцевого генератора равна Ft =5FC± AFl, где FQ = \МГц - предписанное среднее значение частоты, AFt,AF2 - девиации частот этих генераторов, то при условии AF{ » AF2 получаем 6 16 16 2 16 2 Для обеспечения выходного меандра и исключения шумов на выходе фильтра применена система ФАЛ. Таким образом, относительная нестабильность частоты понижена в 16 раз за счет сужение диапазона перестройки [121].
Повышение стабильности генераторов не тождественно повышению точности управления. Развитие этого подхода состоит в цифровом управлении генератором, для чего применяются синтезаторы частот [107, 128, 181, 199]. Простая замена управляемого генератора на синтезатор затруднена требованием сверхмалого шага управления (менее 0,05Гц). Отсутствие синтезаторов адекватных поставленным целям (с требуемым шагом управления и с подавлением переходных процессов по фазе при изменении управляющего кода) восполнено разработкой специального синтезатора [107, 70]. Уменьшение шага достигнуто применением принципа ступенчатой автоподстройки частоты с фазовой привязкой в каждой ступени к частоте кварцевого резонатора (рис.3.8). Относительная нестабильность разностной частоты генерации составляет около 10"1 при работе от водородного стандарта.
При этом решены следующие задачи: - уменьшение шага управления до 0,05 Гц и менее; - повышение абсолютной стабильности; - уменьшение габаритов и веса, с целью встраивания в возимую систему двух синтезаторов данного типа.
Синтезаторами частоты [128, 181, 198, 199] называют генераторы гармонического напряжения с дискретной перестройкой частоты и стабильностью, равной стабильности частоты лучших генераторов с кварцевой стабилизацией. Синтезаторы позволяют получить сетку напряжений фиксированных частот, объединяющую миллионы отсчетов с дискретностью в десятые и даже сотые доли герц. Они обеспечивают хорошую синусоидальную форму, высокую спектральную "чистоту", большую точность установки и возможность программной перестройки частоты.
По точности установки и стабильности частоты синтезаторы превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты. Используют два метода синтеза частот: прямой и косвенный [181].
