串行总线在激光稳频中的应用

1.1 本课题的研究背景

激光由于具有良好的单色性及相干性，被广泛应用于精密激光光谱和精密计量等诸多研究领域。频率稳定度极高的激光器已在计量研究领域提供长度基准和时间频率标准。

自由运转的激光器因受到外界振动、温度起伏等因素的扰动，导致激光频率随时间变化，难以满足精密计量等应用上的要求。要使激光频率稳定输出就必须利用激光稳频技术，采取一定的措施来减小外界扰动所引起的激光频率漂移。

实现激光频率稳定性的提高，通常可以选取一个频率参考标准，通过激光频率与频率参考标准进行比较，得到激光频率偏离频率参考标准的误差信号，通过伺服控制系统和执行机构调整激光器的某一参数，使激光频率锁定在频率参考标准上，从而获得频率稳定的激光。

常用的稳频频率参考标准主要有两类:一类是以原子或分子的跃迁谱线中心频率作为频率参考标准;另一类以光学谐振腔的共振频率作为频率参考标准。

在以原子或分子跃迁谱线中心频率作为参考频率标准方法中，早期有分子饱和吸收稳频，它以分子饱和吸收气体的强吸收峰所对应的频率作为参考频率标准实现稳频。

随着激光冷却技术的发展和应用，国际上许多小组在进行冷原子、单离子精密光谱检测和光钟系统的研究。

由于冷原子的跃迁谱线宽度在Hz或亚HZ量级，因此需要超窄线宽的激光作为探测光。而采用PDH技术的稳频激光器能得到宽度在Hz或mHz量级的谱线，己成为冷原子精密光谱和光钟研究中关键的光源。

在以原子或分子跃迁谱线中心频率作为参考频率标准方法中，早期有分子饱和吸收稳频，它以分子饱和吸收气体的强吸收峰所对应的频率作为参考频率标准实现稳频。如采用甲烷(CH4)稳定的3.39μmHe-Ne激光器，得到了可与微波频标相比拟的频率稳定度。对于分子饱和吸收稳频激光器，选择理想的吸收介质至关重要。吸收气体既要满足吸收一谱线与激光增益谱线频率基本重合，还要满足具有比较大的吸收系数、激发态寿命比较长、谱线自然宽度小的要求。

80年代初，IBMResearchLaboratry首次提出利用射频电光调制实现的频率调制光外差光谱(FM光潜)。该技术使调制光与吸收物质作用，由于载波和边带通过样品后的幅度衰减和相位延迟不相同，运用光外差相敏检测得到样品的吸收型和色散型信号，并作为鉴频信号用于锁定激光频率。但由于分子吸收谱线的多普勒展宽效应，仍然限制了稳频精度的进一步提高。随着饱和吸收等无多普勒展宽光谱学的发展，实现了对分子超精细结构光谱高分辨、高灵敏检测，为发展激光稳频技术及提高稳频精度提供了重要的方法。

1.2 本课题的目的及意义

激光由于具有良好的单色性及相干性，被广泛应用于精密激光光谱和精密计量等诸多研究领域。频率稳定度极高的激光器已在计量研究领域提供长度基准和时间频率标准。

如何有效的监测激光稳频系统中的各项参数，用什么方式让嵌入式监测系统与计算机通信，并提供友好的人机界面，使激光稳频系统的监控和使用更加方便可靠，这正是本文探讨的初衷。

1.3 主要研究内容

1.3.1 单片机系统（稳频系统）实现的功能

（由单片机控制）需要向上位机发送如下信息：

1、频率是否稳定（真或假）

2、当前的参数设置内容（包括PID的比例系数值、积分时间常数值、微分常数值）

3、 其他参数（包括系统当前状态（好、坏）、若有损坏，是哪部分、是否在稳频状态）

1.3.2 上位机系统实现功能如下

上位机需要向稳频系统（由单片机控制）发送如下信息：

1、开始或停止稳频

2、设置参数（包括PID的比例系数值、积分时间常数值、微分常数值）

3、询问系统工作状态（（好、坏）、若有损坏，是哪部分）

4、频率是否稳定

2 系统硬件设计

2.1 系统可行性分析

现在计算机技术和电子技术已非常成熟，可靠监控激光稳频系统中的各项参数，无任何理论上的技术瓶颈。