本發(fā)明涉及激光，具體涉及一種基于里德堡原子天線的激光功率穩(wěn)定控制裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

1、在激光通信科研領(lǐng)域，激光功率的穩(wěn)定性直接影響原子氣室性能與實驗結(jié)果?，F(xiàn)有的激光功率控制裝置一般采用開環(huán)調(diào)節(jié)或簡單閉環(huán)反饋機制，包括有pid控制器和激光衰減器，該裝置通過多次閉環(huán)反饋，雖然能夠控制激光衰減器輸出穩(wěn)定的激光信號，但是當(dāng)穩(wěn)定的激光信號經(jīng)光纖傳輸至里德堡原子氣室時，由于光纖彎曲損耗、長距離或溫差較大場景下的溫度敏感性或者長距離或高功率激光傳輸可能激發(fā)受激布里淵散射（sbs）或受激拉曼散射（srs）效應(yīng)下，均會導(dǎo)致輸入至原子氣室的激光功率局部損耗波動、瞬時跳變、短期功率波動等激光功率不穩(wěn)定，因此，如何在激光功率穩(wěn)定裝置與原子氣室之間存在長距離光纖傳輸情況下，維持輸入至原子氣室的激光功率穩(wěn)定，是需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于里德堡原子天線的激光功率穩(wěn)定控制裝置和控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)了激光功率在復(fù)雜光纖傳輸環(huán)境下的超高穩(wěn)定性控制，波動小，特別適用于里德堡原子氣室等對光源穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛的場景，解決了在激光功率穩(wěn)定裝置與原子氣室之間存在長距離光纖傳輸情況下，難以維持輸入至原子氣室的激光功率穩(wěn)定的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種基于里德堡原子天線的激光功率穩(wěn)定控制裝置，包括有可調(diào)光衰減器和pid控制模塊，還包括設(shè)置在里德堡原子天線內(nèi)部的半玻片、分光器、取樣鏡以及光電探測器；

4、可調(diào)光衰減器、半玻片、分光器、取樣鏡、光電探測器以及pid控制模塊依次連接并形成激光功率調(diào)節(jié)的反饋控制環(huán)路，其中，可調(diào)光衰減器，用于根據(jù)控制量，將接收外部激光信號進(jìn)行衰減度調(diào)節(jié)，然后將調(diào)節(jié)后的激光信號通過光纖經(jīng)半波片后輸出至分光器。

5、光電探測器，與分光器通信連接，用于將接收的激光信號轉(zhuǎn)換為光強電信號后輸出至pid控制模塊。

6、分光器，與可調(diào)光衰減器通過光纖通信連接，用于將接收的激光信號進(jìn)行分束后，其中一束輸出至原子氣室，另一束輸出至光電探測器。

7、pid控制模塊，與光電探測器通信連接，用于根據(jù)光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行pid算法調(diào)節(jié)，將攜帶有控制量的數(shù)字控制信號反饋至可調(diào)光衰減器。

8、反饋控制環(huán)路經(jīng)過多次反饋后，當(dāng)pid控制模塊接收的光強電信號和穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息之間的誤差趨近于零時，停止閉環(huán)反饋并維持可調(diào)光衰減器始終處于穩(wěn)定的衰減狀態(tài)，并輸出固定頻率的激光信號至原子氣室。

9、進(jìn)一步地，pid控制模塊包括有接收單元、pid調(diào)節(jié)單元以及輸出單元；

10、接收單元，用于接收來自于光電探測器的光強電信號以及攜帶有光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息的控制信號；

11、pid調(diào)節(jié)單元，用于將光強電信號與穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，得到誤差值，然后根據(jù)誤差值，計算控制量并生成攜帶有控制量的數(shù)字控制信號；

12、輸出單元，用于數(shù)字控制信號輸出至可調(diào)光衰減器。

13、進(jìn)一步地，pid控制模塊與光電探測器之間還通信連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將來自于光電探測器的光強電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出至pid控制模塊。

14、pid控制模塊與可調(diào)光衰減器之間還連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將pid控制模塊輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號并輸出至低通濾波器，低通濾波器用于將模擬控制信號進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲，并輸出至可調(diào)光衰減器。

15、進(jìn)一步地，還包括有上位機，上位機通過總線與pid控制模塊通信連接，其用于進(jìn)行pid參數(shù)設(shè)置和向pid控制模塊發(fā)送攜帶有光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息的控制信號。

16、一種基于里德堡原子天線的激光功率穩(wěn)定控制方法，方法包括以下步驟：

17、可調(diào)光衰減器輸出激光信號經(jīng)光纖傳輸至原子氣室后，經(jīng)分光器輸出一路激光信號至光電探測器，光電探測器將接收的激光信號轉(zhuǎn)換為光強電信號后輸出至pid控制模塊；

18、pid控制模塊根據(jù)接收光強電信號后，根據(jù)光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行pid算法調(diào)節(jié)，輸出攜帶有控制量的數(shù)字控制信號至可調(diào)光衰減器，可調(diào)光衰減器調(diào)節(jié)激光衰減的控制量后輸出激光信號至原子氣室，實現(xiàn)可調(diào)光衰減器的激光功率的閉環(huán)反饋；

19、當(dāng)pid控制模塊接收的光強電信號和穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息之間的誤差趨近于零時，停止閉環(huán)反饋并維持可調(diào)光衰減器始終處于穩(wěn)定的衰減狀態(tài)，并輸出固定頻率的激光信號至原子氣室。

20、進(jìn)一步地，pid控制模塊根據(jù)接收光強電信號后，根據(jù)光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行pid算法調(diào)節(jié)，輸出攜帶有控制量的數(shù)字控制信號至可調(diào)光衰減器，具體包括：

21、接收來自于光電探測器的光強電信號以及攜帶有光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息的控制信號；

22、將光強電信號與穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，得到誤差值，然后根據(jù)誤差值，計算控制量并輸出至可調(diào)光衰減器。

23、進(jìn)一步地，將光強電信號與穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，得到誤差值，然后根據(jù)誤差值，計算控制量并輸出數(shù)字控制信號至可調(diào)光衰減器，具體包括：

24、獲取當(dāng)前光強電信號誤差的比例項值、穩(wěn)定光強信號誤差的積分項值以及預(yù)測光強信號誤差的微分項值，將比例項值、積分項值和微分項值相加，得到當(dāng)前采樣時刻的控制量。

25、進(jìn)一步地，獲取當(dāng)前光強電信號誤差的比例項值，具體包括：

26、獲取當(dāng)前采樣時刻光強電信號的實際輸出功率以及穩(wěn)定光強預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)信息中預(yù)設(shè)的目標(biāo)輸出功率，并計算實際輸出功率與目標(biāo)輸出功率之間的差值，得到當(dāng)前采樣時刻誤差值；

27、獲取標(biāo)定的基準(zhǔn)比例增益，然后將基準(zhǔn)比例增益、光纖長度平方根的倒數(shù)和功率對數(shù)項值三者相乘，得到比例系數(shù)；

28、將當(dāng)前采樣時刻誤差值乘以比例系數(shù)，得到當(dāng)前光強電信號誤差的比例項值。

29、進(jìn)一步地，獲取穩(wěn)定光強信號誤差的積分項值，具體包括：

30、計算開始采樣時刻與結(jié)束采樣時刻之間所有時刻的誤差值之和；

31、獲取標(biāo)定的基準(zhǔn)積分時間，然后將基準(zhǔn)積分時間、光纖長度的平方根項、高功率時縮短積分時間三者相乘，得到積分時間；

32、將誤差值之和、積分時間以及控制周期相乘，得到穩(wěn)定光強信號誤差的積分項值。

33、進(jìn)一步地，獲取預(yù)測光強信號誤差的微分項值，具體包括：

34、獲取當(dāng)前采樣時刻的誤差值以及上一采樣時刻的誤差值之間的差值，然后將差值除以控制周期，得到誤差均值；

35、獲取標(biāo)定的基準(zhǔn)微分時間，然后將基準(zhǔn)微分時間、光纖長度的負(fù)指數(shù)項以及高功率時增大微分時間相乘，得到微分時間；

36、將誤差均值與微分時間相乘，得到預(yù)測光強信號誤差的微分項值。

37、本發(fā)明通過“實時閉環(huán)反饋+光纖傳輸抗擾優(yōu)化+遠(yuǎn)程自適應(yīng)控制”的技術(shù)路線，攻克了長距離光纖傳輸場景下激光功率穩(wěn)定性劣化的難題，為原子氣室進(jìn)行高精度量子傳感、原子鐘及量子通信系統(tǒng)提供了可靠的光源保障，綜合性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有開環(huán)或簡單閉環(huán)控制方案，產(chǎn)生的有益效果如下：

38、1）本發(fā)明通過分光器實時分束監(jiān)測光纖輸出端的激光功率，結(jié)合pid控制模塊的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，直接補償光纖傳輸中的彎曲損耗、溫度敏感性及非線性效應(yīng)引起的功率波動，輸入至原子氣室的激光功率波動小于或等于0.8%，滿足里德堡原子精密操控的亞毫赫茲級光頻移抑制需求，實現(xiàn)了動態(tài)誤差補償；

39、2）當(dāng)pid控制模塊檢測到光強誤差趨近于零時，鎖定可調(diào)光衰減器的衰減狀態(tài)，實現(xiàn)了輸出激光功率的長期穩(wěn)定維持，確保光纖輸出端激光功率在連續(xù)運行12小時內(nèi)波動小于1%，避免原子布居數(shù)失衡與熱擾動；

40、3）分光器將光纖傳輸后的激光信號分為兩束，一束直接用于原子氣室激發(fā)，另一束反饋至光電探測器，實現(xiàn)對光纖傳輸鏈路末端功率的原位監(jiān)測與控制，規(guī)避傳統(tǒng)方案中“前饋補償依賴模型預(yù)測”的局限性。