电压放大器赋能：太赫兹激光稳定输出控制的创新应用

实验名称：太赫兹激光稳定输出控制原理

测试设备：电压放大器、THz激光探测器、数据采集卡等。

实验过程：

图1：THz激光稳定控制系统结构

THz激光稳定控制系统原理如图1所示，主要包括THz激光探测器，数据采集卡，电压放大器。其中THz激光功率计探测到THz激光后得到直流电压信号。由计算机图形化编程Labview控制的数据采集卡对THz激光功率信号进行采集，并对采集到的信号进行分析，并给出误差电压信号控制数据采集卡上的D/A转换器输出模拟电压信号，经电压放大器放大后反馈至泵浦激光器谐振腔的压电陶瓷上。若电压增加，功率增加，则电压变化方向不变，电压继续增加，若功率降低则电压变化方向反向。使THz激光功率始终保持在极大值的位置。我们称之为极大值法，流程图如图2所示。

图2：THz激光稳定控制系统流程示意图

测试结果：

图3：光泵THz激光主动稳定控制装置

实验装置如图3所示，THz激光器采用直流激励的机械斩波调QCO2激光器作为泵浦源，调节光栅角度输出谱线9P(36)支，重复频率20kHz时，得到泵浦激光的平均功率最高为6.7W。在THz振荡器内充入甲醇工作气体，工作气压15Pa获得脉冲THz激光最高平均功率为7.2mW。THz激光经高阻硅镜片分束后，一束THz激光反射至P4型热释电探测器，探测到的脉冲信号送至控制系统经放大及整流电路后由计算机控制的采集卡采集电压信号分析电压变化后给出误差电压信号经电压放大器放大后反馈至泵浦激光器谐振腔压电陶瓷从而调节泵浦激光的频率，使THz激光稳定在极大值的位置。另一束THz激光透过硅片后入射至THz激光功率计，通过计算机实时记录监视THz激光的功率变化情况。

图4：THz激光自由运转功率的漂移

实验中，光泵THz激光系统处于自由运转的状态时，在15分钟内测量并记录了THz激光功率的变化情况，实验结果如图4所示，THz激光功率变化范围为1.5mW~6mW，变化具有一定的随机性，率变化速度最大0.088mW/s，功控制系统响应时间小于50ms，控制电压步长最小为500V/4096=0.12V，满足控制精度的要求，通过计算激光功率稳定度为0.75。压电陶瓷最大伸缩量10µm，因此压电陶瓷电压在0~500V变化时，对于F-P谐振腔及波长为9.69µm的泵浦激光而言，泵浦激光频率的变化周期大于2s，满足调谐要求。泵浦激光器的谐振腔长度为1.5m，自由光谱范围约为100MHz，甲醇气体共振吸收频率距泵浦激光谱线中心+24MHz左右，位于泵浦激光可调谐范围内。可粗略的估算最佳泵浦频率处泵浦激光功率大约处于最大功率和最小功率之间。

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审核编辑 黄宇