實驗名稱：激光幹涉儀數字仿真及控制研究

　　測試設備：高壓放大器、壓電換能器、電光調制器、光電探測器、分光器等。

　　實驗過程：

　　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：高壓放大器。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，连接到高壓放大器，然后连接到腔的PZT上以驱动腔失谐。

　　圖2：閉環反饋控制示意圖。G1(s)爲控制器的傳遞函數，G2(s)是控制對象的傳遞函數。SP代表設定點，C(s)代表腔失諧誤差信號。藍色部分是測量系統頻率響應的示意圖。

　　實驗采用閉環反饋控制。示意圖如圖2所示。受控系統的誤差信號由數字比例積分控制器處理，然後反饋到腔體中。

　　圖3：系統的頻率響應圖。

　　如圖2所示，系統的頻率響應是用信號分析儀通過向壓電陶瓷注入一個正弦信號並檢測相應的誤差信號來測量的。圖3給出了在沒有伺服系統控制下的開環頻率響應和在有伺服系統控制下的閉環頻率響應。它表明，數字控制系統在很大程度上抑制了低于1kHz的振動噪聲。系統帶寬主要受到壓電陶瓷的機械共振的限制。圖4顯示了鎖定和解鎖狀態下的誤差信號的噪聲譜。在1kHz的峰值表明，在控制帶寬的邊緣有輕微的振蕩。本底噪聲是在法布裏-珀羅空腔不發生共振時測量的。

　　圖4：誤差信號頻譜。

　　實驗結果：

　　圖5（a）：具有自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

　　圖5（b）：具有非自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

　　爲了驗證所設計的數字控制系統在激光功率變化條件下的控制能力，對入射激光用10Hz方波進行強度調制。實驗結果如圖5所示。圖5(a)給出了具有自適應總增益的誤差信號和腔透射。圖5(b)給出了具有非自適應總增益的誤差信號和腔透射。紅線代表誤差信號，藍線代表空腔透射功率。

　　可以看出，當激光功率變化時，系統的透射光隨入射光變化，但誤差信號仍保持爲零，說明自適應的總增益可以有效地保持系統穩定。而在非自適應的總增益下系統的誤差信號和透射光均發生震蕩。此時系統不穩定。

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