一種用于CPT磁力儀的VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方法

孫曉潔，張笑楠，寇　軍，楊　鋒

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

一種用于CPT磁力儀的VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方法

孫曉潔，張笑楠，寇軍，楊鋒

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

為了解決手動(dòng)調(diào)節(jié)VCSEL激光管運(yùn)行參數(shù)困難的問題，提出了一種用于CPT磁力儀的VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。首先，在穩(wěn)定原子氣室溫度的基礎(chǔ)上，通過步進(jìn)增加激光管的驅(qū)動(dòng)電流并探測(cè)光強(qiáng)，確定掃描電流的范圍；其次，在初始工作溫度基礎(chǔ)上增加激光管溫度步進(jìn)，重復(fù)掃描三角波驅(qū)動(dòng)電流，并全范圍搜尋吸收峰；當(dāng)首次讀取到吸收峰后，利用調(diào)節(jié)電流精確鎖定在當(dāng)前工作溫度條件下吸收峰對(duì)應(yīng)的電流值，同時(shí)微調(diào)溫度，調(diào)整吸收峰到最佳位置；最后，記錄當(dāng)前的激光管工作參數(shù)，完成整個(gè)VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。采用上述方法能夠快速實(shí)現(xiàn)VCSEL激光管的測(cè)試及工作參數(shù)的設(shè)置，提高了工作效率和整機(jī)性能。

VCSEL激光管；工作溫度；驅(qū)動(dòng)電流；參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)；CPT磁力儀

0　引言

磁場(chǎng)測(cè)量可用于地球物理研究、油氣和礦產(chǎn)勘查、軍事國(guó)防、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)調(diào)查及考古研究等領(lǐng)域［1-2］。常見的幾種弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器包括磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀、超導(dǎo)量子干涉磁力儀等。但是目前上述磁力儀在體積、功耗、測(cè)量范圍和精度等方面都存在令人不滿意的地方，比如磁通門磁力儀的探頭部分多由在高磁導(dǎo)率的磁芯上纏繞線圈制作而成，體積和重量較大、測(cè)量精度偏低；質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀耗電量大，只能進(jìn)行低帶寬間斷測(cè)量；光泵磁力儀雖然具有較高的靈敏度和響應(yīng)頻率，但其探頭體積較大［3-4］；超導(dǎo)量子干涉磁力儀必需的低溫制冷系統(tǒng)使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。近幾年，隨著量子光學(xué)和原子操控技術(shù)的發(fā)展，基于相干布局囚禁（Coherent Population Trapping，CPT）效應(yīng)的量子干涉磁力儀通過檢測(cè)激光與原子作用后的透射光譜來實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量［5］。垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）是CPT磁力儀中的一個(gè)重要組成部分，而VCSEL的波長(zhǎng)受工作溫度和工作電流的影響，因此，選擇適當(dāng)?shù)臏囟群碗娏饕垣@得CPT磁力儀正常工作所需的激光波長(zhǎng)是十分重要的。

目前針對(duì)CPT磁力儀樣機(jī)，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)VCSEL激光管參數(shù)的方式效率低，需要多次調(diào)試參數(shù)。因此，急需一種VCSEL激光管參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。本文在介紹CPT磁力儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了VCSEL激光管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的方法。采用本文提出的方法，方便了VCSEL激光管的測(cè)試及工作參數(shù)的設(shè)置，提高了工作效率，同時(shí)使得基于CPT原理的磁力儀在VCSEL激光管最優(yōu)工作溫度和工作電流條件下運(yùn)行，整機(jī)性能更穩(wěn)定。

1　CPT磁力儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

CPT磁力儀系統(tǒng)由核心處理器、VCSEL激光管驅(qū)動(dòng)電路、VCSEL激光管、光學(xué)鏡片、原子氣室、原子氣室溫控電路、光電探測(cè)器和信號(hào)采集電路組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。利用VCSEL激光管產(chǎn)生的激光束，通過光學(xué)鏡片調(diào)整強(qiáng)度后，與原子氣室內(nèi)的原子相互作用。原子氣室內(nèi)封裝銣原子和緩沖氣體，提供測(cè)量磁場(chǎng)的干涉介質(zhì)。其后，由光電探測(cè)器接收帶有磁場(chǎng)信息的光信號(hào)，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供信號(hào)采集電路獲取。信號(hào)采集電路由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入到核心處理器，進(jìn)行信息處理，得到測(cè)量的磁場(chǎng)值［6］。

圖1　CPT磁力儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Elements of the CPT magnetometer

原子氣室需要在恒定溫度下工作，這是因?yàn)楫?dāng)溫度過低時(shí)，其中的銣原子為固態(tài)并且?guī)缀醵假N附在氣室壁上，導(dǎo)致相互作用原子極少，使得光全部透過，從而不能滿足產(chǎn)生CPT共振的條件；當(dāng)溫度過高時(shí)，由于光被原子氣室吸收得過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致CPT共振信號(hào)很小，很難被觀測(cè)到。原子氣室溫控電路實(shí)現(xiàn)對(duì)原子氣室的溫度控制。由核心處理器采樣原子氣室溫度，然后調(diào)整加熱電壓，當(dāng)檢測(cè)到高于溫度設(shè)定上限時(shí)，停止加熱；反之，當(dāng)?shù)陀跍囟仍O(shè)定下限時(shí)，開始加熱，使得原子氣室的溫度保持在具有良好CPT現(xiàn)象的范圍內(nèi)。

2　VCSEL激光管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

雖然VCSEL激光管具有體積小、光束方向性好、動(dòng)態(tài)調(diào)制頻率高、響應(yīng)比較迅速等特點(diǎn)，但由于存在個(gè)體差異性，每個(gè)VCSEL激光管所需設(shè)置的工作溫度和工作電流并不相同。VCSEL激光管驅(qū)動(dòng)電路主要包括溫度控制和電流控制兩部分。

2.1VCSEL激光管的溫度控制

VCSEL激光管采用具有內(nèi)部集成半導(dǎo)體熱電制冷調(diào)節(jié)器（Thermal Electric Cooler，TEC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC）的激光管，因此方便控制激光管的工作溫度。TEC是一個(gè)可以自由控制加熱或者制冷的芯片，控制端由外接的電流來控制是加熱還是制冷。NTC是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，利用恒流源芯片REF200產(chǎn)生的電流流經(jīng)熱敏電阻，從而在NTC輸入端產(chǎn)生電壓，通過測(cè)量此電壓值就能得到此時(shí)熱敏電阻的阻值。NTC阻值隨溫度變化公式為：

其中，Top為當(dāng)前溫度，R為此溫度對(duì)應(yīng)的NTC阻值，K表示取開爾文溫度。由式（1）可以反推出此時(shí)激光管的工作溫度。

溫度控制通過采集VCSEL激光管的NTC端處的電壓，推導(dǎo)出當(dāng)前溫度，并與核心處理器中的設(shè)定溫度進(jìn)行比較，對(duì)偏差值采用PID控制后，通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器輸出調(diào)節(jié)VCSEL激光管的TEC電流信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)放完成電流放大，以驅(qū)動(dòng)TEC實(shí)現(xiàn)溫度控制。

2.2VCSEL激光管的電流控制

VCSEL激光管的電流控制包括掃描電流和調(diào)節(jié)電流兩部分，其原理框圖如圖2所示。掃描電流電路采用反向比例放大電路，由16位數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器輸出幅值連續(xù)可調(diào)的電壓，并通過后續(xù)的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為VCSEL激光管的驅(qū)動(dòng)電流，該部分所控制的電流范圍為0 mA～2.2mA。調(diào)節(jié)電流電路由12位數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器輸出幅值連續(xù)可調(diào)的電壓，同樣經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)換電路后，所調(diào)整電流的范圍為0 mA～120mA，其主要作用是精確調(diào)整激光管驅(qū)動(dòng)電流，使激光管輸出波長(zhǎng)范圍在794.976nm附近。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路包括三部分，第一部分是電壓求和放大電路，將掃描電流和調(diào)節(jié)電流按比例進(jìn)行求和放大；第二部分是PI控制器電路；第三部分是AD623儀表放大器，將電流采樣電阻上的電壓信號(hào)放大作為電流閉環(huán)反饋回路。

圖2　VCSEL激光管電流控制原理圖Fig.2　Schematic of the current control for VCSEL

3　VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方法

本文所設(shè)計(jì)的VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方法是在穩(wěn)定原子氣室溫度的基礎(chǔ)上，在激光管溫度和電流的最大可調(diào)范圍內(nèi)，分階段進(jìn)行電流掃描、溫度步進(jìn)和精確調(diào)整，以便得到最佳的工作參數(shù)。參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)流程圖如圖3所示，具體步驟如下：

圖3　VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)流程圖Fig.3　Flow chart of self-regulating the VCSEL’s parameters

1）根據(jù)所測(cè)試VCSEL激光管的技術(shù)指標(biāo)，在CPT磁力儀的核心處理器中設(shè)置其測(cè)試參數(shù)范圍，包括最大限制電流（Imax）和電流步進(jìn)（ΔI），初始工作溫度（Tmin）、最高工作溫度（Tmax）及溫度步進(jìn)（ΔT）；

2）利用原子氣室溫控電路加熱原子氣室并使其穩(wěn)定在工作溫度范圍內(nèi)；

3）設(shè)置掃描電流和調(diào)節(jié)電流初始值為0，以步進(jìn)ΔI逐漸增加掃描電流，核心處理器通過信號(hào)采集電路讀取光電探測(cè)器的響應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，取此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流值為Imin，從而確定掃描電流的范圍（Imin～I(xiàn)max）；

4）初始化激光管工作溫度在Tmin，在保持溫度不變的情況下，設(shè)置激光管掃描三角波驅(qū)動(dòng)電流，通過三角波電流全范圍掃描搜尋吸收譜線；

5）利用核心處理器判斷是否出現(xiàn)吸收譜線，如果沒有出現(xiàn)，就逐漸增加溫度步進(jìn)ΔT，重復(fù)掃描三角波驅(qū)動(dòng)電流和搜尋吸收峰；如果出現(xiàn)，則進(jìn)入步驟6；

6）當(dāng)首次讀取到吸收譜線后，利用激光管的調(diào)節(jié)電流精確鎖定在當(dāng)前工作溫度條件下，吸收譜線處的電流值為Ix，判斷Ix是否在最佳位置附近（一般可取為0.8×Imax），如果是，進(jìn)入步驟8，否則轉(zhuǎn)到步驟7；

7）微調(diào)激光管溫度，重復(fù)進(jìn)行步驟6；

8）記錄當(dāng)前的激光管工作參數(shù)，包括激光管工作溫度、吸收譜線電流值以及激光管驅(qū)動(dòng)電流掃描范圍，可以通過上傳到計(jì)算機(jī)、液晶屏顯示或記錄到非易失存儲(chǔ)器等方式，結(jié)束VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。

在上述VCSEL激光管參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)步驟中，涉及的參數(shù)如最大限制電流（Imax）、初始工作溫度（Tmin）和最高工作溫度（Tmax）是由所使用的VCSEL激光管本身性能決定的，參照激光管的數(shù)據(jù)手冊(cè)即可；而另外兩個(gè)參數(shù)：電流步進(jìn)（ΔI）和溫度步進(jìn)（ΔT）是確定VCSEL激光管工作點(diǎn)的重要參數(shù)。由圖4所示在不同工作溫度下，VCSEL激光管輸出光與電流的關(guān)系圖可以看出：1）不管溫度如何變化，驅(qū)動(dòng)VCSEL激光管輸出總存在一個(gè)閾值電流（大概在1mA左右），那么以步進(jìn)ΔI逐漸增加掃描電流，總會(huì)得到激光管有效的掃描電流區(qū)間，實(shí)驗(yàn)中取ΔI=0.5mA，經(jīng)過兩次步進(jìn)就可得到驅(qū)動(dòng)電流Imin；2）對(duì)于某一溫度，當(dāng)電流在有效區(qū)間內(nèi)掃描時(shí)，可以得到隨電流增大而增大的輸出光強(qiáng)，通過步進(jìn)ΔT，最終得到所需的吸收譜線。

圖4　不同溫度下，VCSEL激光管輸出光與電流的關(guān)系Fig.4　Relationship between the output light and the current of the VCSEL under different temperature

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以PHILIPS（Vixar）公司產(chǎn)的6腳795mm± 1nm單模VCSEL激光管為例，參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)就是通過調(diào)整激光管驅(qū)動(dòng)電流和溫度，確保在激光邊帶波長(zhǎng)對(duì)稱掃描的同時(shí)，激光中心波長(zhǎng)（794.976nm）不變。依照參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)流程，首先設(shè)置激光管測(cè)試參數(shù)：最大限制電流Imax=2.2mA，電流步進(jìn)ΔI=0.5mA，初始工作溫度Tmin=310K，最高工作溫度Tmax=330K及溫度步進(jìn)ΔT=0.5K；等到原子氣室加熱溫度穩(wěn)定后，從零開始以步進(jìn)ΔI增加掃描電流，當(dāng)光電探測(cè)器探測(cè)到光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，讀取此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流為1mA，因此Imin=1mA，確定激光管的掃描電流范圍為1mA～2.2mA。

然后在保持激光管工作溫度310K情況下，給出三角波掃描電流，處理器采集光電探測(cè)器信號(hào)，判斷是否出現(xiàn)吸收譜線，如果沒有吸收譜線，將溫度依次調(diào)高到310.5K、311K、311.5K，重復(fù)掃描三角波驅(qū)動(dòng)電流和搜尋吸收譜線，出現(xiàn)吸收譜線的掃描曲線如圖5所示。之后，再次精確調(diào)節(jié)電流和溫度，使得吸收譜線處的電流值在0.8×2.2mA=1.76 mA附近，記錄調(diào)節(jié)后的激光管工作溫度和工作電流，以便在后續(xù)的運(yùn)行中使用。

圖5　大范圍電流掃描的吸收譜線Fig.5　Atomic absorption spectrum of the scanning current

5　結(jié)論

隨著高分辨率激光光譜學(xué)和量子光學(xué)研究的發(fā)展，基于原子—激光相互作用的一系列非線性光學(xué)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，如CPT及電磁誘導(dǎo)透明等，利用這些新的物理現(xiàn)象制備出窄線寬的原子共振信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的高精度測(cè)量。在CPT磁力儀中，VCSEL激光管運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置影響產(chǎn)生的CPT信號(hào)，從而影響磁力儀的分辨率。驅(qū)動(dòng)電流和溫度是確定VCSEL激光管工作狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)，如果在每次啟動(dòng)CPT磁力儀時(shí)都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)激光管運(yùn)行參數(shù)，不僅效率低下，而且嚴(yán)重影響了磁力儀的實(shí)用性。本文所提的自動(dòng)調(diào)節(jié)VCSEL激光管參數(shù)的方法降低了手動(dòng)調(diào)節(jié)的繁瑣，同時(shí)能夠快速找到VCSEL激光管較優(yōu)的工作溫度和電流，提高了CPT磁力儀的整體性能。在此基礎(chǔ)上，我們需要進(jìn)一步研究如何找到吸收譜線極值對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，完成自動(dòng)激光頻率鎖定，最終實(shí)現(xiàn)CPT磁力儀對(duì)磁場(chǎng)的自動(dòng)測(cè)量。

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AKind of Self-regulation Method of the VCSEL’s Parameters for the CPT Magnetometer

SUN Xiao-jie，ZHANG Xiao-nan，KOU Jun，YANG Feng
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

A kind of self-regulation method of the VCSEL’s parameters for the CPT magnetometer is presented in the paper，in order to solve the problem of regulating the VCSEL’s parameters manually.Firstly，the range of the scanning current is determined by detecting the ray when the driving current of the VCSEL is increased in steps after the temperature of the atoms is stabilized.Secondly，the temperature of the VCSEL is increased in steps from the initial work temperature.The triangle driving current is used in the scanning range every step.Once the atomic absorption spectrum appears，the corresponding current is locked by fine tuning the current，and then the best atomic absorption spectrum is regulated by fine tuning the temperature.Finally，the VCSEL’s parameters are recorded.The work efficiency and performance are improved by testing the VCSEL and setting the parameters rapidly.

VCSEL；work temperature；driving current；self-regulation method of the parameters；CPT magnetometer

TP29

A

1674-5558（2016）03-01069

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.014

2015-01-27

青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：11204011）

孫曉潔，女，博士，工程師，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)。