实验名称：激光干涉仪数字仿真及控制研究

　　测试设备：高压放大器、压电换能器、电光调制器、光电探测器、分光器等。

　　实验过程：

　　图1：实验装置图。激光束用实线表示，电信号用虚线表示，EOM：电光调制器。BS：分光器。HVAMP：高压放大器。PD：光电探测器。FPGA：现场可编程门阵列。PZT：压电换能器。

　　实验设置如图1所示。相位调制(90MHz)的激光束被注入线性腔，其失谐由压电换能器(PZT)驱动。空腔由两个间隔距离为28mm的反射镜组成。反射光被50%的分光器反射并由宽带光电探测器(PD1)检测。之后的光电流被解调，其基准来自与调制激光器相同的本地振荡器。通过光学腔透射的激光由另一个光电探测器(PD2)探测，并且探测到的光电流被用作光学功率参考。误差信号和光功率参考被发送到I/O连接器。I/O连接器上的16位模数转换器(ADC)将上述两个模拟信号转换成数字信号，并将其输入现场可编程门阵列(FPGA)中。在FPGA上运行的控制器的数字程序是用Labview组成和调试的。程序输出由16位数模转换器将数字信号转换为模拟信号，连接到高压放大器，然后连接到腔的PZT上以驱动腔失谐。

　　图2：闭环反馈控制示意图。G1(s)为控制器的传递函数，G2(s)是控制对象的传递函数。SP代表设定点，C(s)代表腔失谐误差信号。蓝色部分是测量系统频率响应的示意图。

　　实验采用闭环反馈控制。示意图如图2所示。受控系统的误差信号由数字比例积分控制器处理，然后反馈到腔体中。

　　图3：系统的频率响应图。

　　如图2所示，系统的频率响应是用信号分析仪通过向压电陶瓷注入一个正弦信号并检测相应的误差信号来测量的。图3给出了在没有伺服系统控制下的开环频率响应和在有伺服系统控制下的闭环频率响应。它表明，数字控制系统在很大程度上抑制了低于1kHz的振动噪声。系统带宽主要受到压电陶瓷的机械共振的限制。图4显示了锁定和解锁状态下的误差信号的噪声谱。在1kHz的峰值表明，在控制带宽的边缘有轻微的振荡。本底噪声是在法布里-珀罗空腔不发生共振时测量的。

　　图4：误差信号频谱。

　　实验结果：

　　图5（a）：具有自适应PI总增益的腔透射功率和误差信号。

　　图5（b）：具有非自适应PI总增益的腔透射功率和误差信号。

　　为了验证所设计的数字控制系统在激光功率变化条件下的控制能力，对入射激光用10Hz方波进行强度调制。实验结果如图5所示。图5(a)给出了具有自适应总增益的误差信号和腔透射。图5(b)给出了具有非自适应总增益的误差信号和腔透射。红线代表误差信号，蓝线代表空腔透射功率。

　　可以看出，当激光功率变化时，系统的透射光随入射光变化，但误差信号仍保持为零，说明自适应的总增益可以有效地保持系统稳定。而在非自适应的总增益下系统的误差信号和透射光均发生震荡。此时系统不稳定。

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