一種用于CPT磁力儀的VCSEL激光管參數自動調節方法

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激光管參數自動調節方法

孫曉潔，張笑楠，寇軍，楊鋒

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

為了解決手動調節VCSEL激光管運行參數困難的問題，提出了一種用于CPT磁力儀的VCSEL激光管參數自動調節方法。首先，在穩定原子氣室溫度的基礎上，通過步進增加激光管的驅動電流并探測光強，確定掃描電流的范圍；其次，在初始工作溫度基礎上增加激光管溫度步進，重復掃描三角波驅動電流，并全范圍搜尋吸收峰；當首次讀取到吸收峰后，利用調節電流精確鎖定在當前工作溫度條件下吸收峰對應的電流值，同時微調溫度，調整吸收峰到最佳位置；最后，記錄當前的激光管工作參數，完成整個VCSEL激光管參數自動調節過程。采用上述方法能夠快速實現VCSEL激光管的測試及工作參數的設置，提高了工作效率和整機性能。

VCSEL激光管；工作溫度；驅動電流；參數自動調節；CPT磁力儀

0　引言

磁場測量可用于地球物理研究、油氣和礦產勘查、軍事國防、醫學診斷、地質調查及考古研究等領域［1-2］。常見的幾種弱磁場測量儀器包括磁通門磁力儀、質子旋進磁力儀、光泵磁力儀、超導量子干涉磁力儀等。但是目前上述磁力儀在體積、功耗、測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率的磁芯上纏繞線圈制作而成，體積和重量較大、測量精度偏低；質子旋進磁力儀耗電量大，只能進行低帶寬間斷測量；光泵磁力儀雖然具有較高的靈敏度和響應頻率，但其探頭體積較大［3-4］；超導量子干涉磁力儀必需的低溫制冷系統使得其結構復雜，體積龐大。近幾年，隨著量子光學和原子操控技術的發展，基于相干布局囚禁（Coherent Population Trapping，CPT）效應的量子干涉磁力儀通過檢測激光與原子作用后的透射光譜來實現對磁場的測量［5］。垂直腔表面發射半導體激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）是CPT磁力儀中的一個重要組成部分，而VCSEL的波長受工作溫度和工作電流的影響，因此，選擇適當的溫度和電流以獲得CPT磁力儀正常工作所需的激光波長是十分重要的。

目前針對CPT磁力儀樣機，采用手動調節VCSEL激光管參數的方式效率低，需要多次調試參數。因此，急需一種VCSEL激光管參數的自動調節方法。本文在介紹CPT磁力儀系統設計原理的基礎上，詳細研究了VCSEL激光管驅動電路的設計及VCSEL激光管參數自動調節的方法。采用本文提出的方法，方便了VCSEL激光管的測試及工作參數的設置，提高了工作效率，同時使得基于CPT原理的磁力儀在VCSEL激光管最優工作溫度和工作電流條件下運行，整機性能更穩定。

1　CPT磁力儀的系統設計原理

CPT磁力儀系統由核心處理器、VCSEL激光管驅動電路、VCSEL激光管、光學鏡片、原子氣室、原子氣室溫控電路、光電探測器和信號采集電路組成，其結構示意圖如圖1所示。利用VCSEL激光管產生的激光束，通過光學鏡片調整強度后，與原子氣室內的原子相互作用。原子氣室內封裝銣原子和緩沖氣體，提供測量磁場的干涉介質。其后，由光電探測器接收帶有磁場信息的光信號，并把光信號轉化為電信號，供信號采集電路獲取。信號采集電路由模擬-數字轉換電路構成，轉換后的數字信號輸入到核心處理器，進行信息處理，得到測量的磁場值［6］。

圖1　CPT磁力儀的系統結構示意圖Fig.1　Elements of the CPT magnetometer

原子氣室需要在恒定溫度下工作，這是因為當溫度過低時，其中的銣原子為固態并且幾乎都貼附在氣室壁上，導致相互作用原子極少，使得光全部透過，從而不能滿足產生CPT共振的條件；當溫度過高時，由于光被原子氣室吸收得過于強烈，導致CPT共振信號很小，很難被觀測到。原子氣室溫控電路實現對原子氣室的溫度控制。由核心處理器采樣原子氣室溫度，然后調整加熱電壓，當檢測到高于溫度設定上限時，停止加熱；反之，當低于溫度設定下限時，開始加熱，使得原子氣室的溫度保持在具有良好CPT現象的范圍內。

2　VCSEL激光管驅動電路設計

雖然VCSEL激光管具有體積小、光束方向性好、動態調制頻率高、響應比較迅速等特點，但由于存在個體差異性，每個VCSEL激光管所需設置的工作溫度和工作電流并不相同。VCSEL激光管驅動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激光管采用具有內部集成半導體熱電制冷調節器（Thermal Electric Cooler，TEC）和負溫度系數熱敏電阻（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是一個負溫度系數的熱敏電阻，利用恒流源芯片REF200產生的電流流經熱敏電阻，從而在NTC輸入端產生電壓，通過測量此電壓值就能得到此時熱敏電阻的阻值。NTC阻值隨溫度變化公式為：

其中，Top為當前溫度，R為此溫度對應的NTC阻值，K表示取開爾文溫度。由式（1）可以反推出此時激光管的工作溫度。

溫度控制通過采集VCSEL激光管的NTC端處的電壓，推導出當前溫度，并與核心處理器中的設定溫度進行比較，對偏差值采用PID控制后，通過數字-模擬轉換器輸出調節VCSEL激光管的TEC電流信號，再經過運放完成電流放大，以驅動TEC實現溫度控制。

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節電流兩部分，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位數字-模擬轉換器輸出幅值連續可調的電壓，并通過后續的電壓-電流轉換電路轉換為VCSEL激光管的驅動電流，該部分所控制的電流范圍為0 mA～2.2mA。調節電流電路由12位數字-模擬轉換器輸出幅值連續可調的電壓，同樣經過電壓-電流轉換電路后，所調整電流的范圍為0 mA～120mA，其主要作用是精確調整激光管驅動電流，使激光管輸出波長范圍在794.976nm附近。電壓-電流轉換電路包括三部分，第一部分是電壓求和放大電路，將掃描電流和調節電流按比例進行求和放大；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放大作為電流閉環反饋回路。

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

3　VCSEL激光管參數自動調節方法

本文所設計的VCSEL激光管參數自動調節方法是在穩定原子氣室溫度的基礎上，在激光管溫度和電流的最大可調范圍內，分階段進行電流掃描、溫度步進和精確調整，以便得到最佳的工作參數。參數自動調節流程圖如圖3所示，具體步驟如下：

圖3　VCSEL激光管參數自動調節流程圖Fig.3　Flow chart of self-regulating the VCSEL’s parameters

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

2）利用原子氣室溫控電路加熱原子氣室并使其穩定在工作溫度范圍內；

3）設置掃描電流和調節電流初始值為0，以步進ΔI逐漸增加掃描電流，核心處理器通過信號采集電路讀取光電探測器的響應，當檢測到光強增強時，取此時的驅動電流值為Imin，從而確定掃描電流的范圍（Imin～Imax）；

4）初始化激光管工作溫度在Tmin，在保持溫度不變的情況下，設置激光管掃描三角波驅動電流，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吸收譜線，如果沒有出現，就逐漸增加溫度步進ΔT，重復掃描三角波驅動電流和搜尋吸收峰；如果出現，則進入步驟6；

6）當首次讀取到吸收譜線后，利用激光管的調節電流精確鎖定在當前工作溫度條件下，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，進入步驟8，否則轉到步驟7；

7）微調激光管溫度，重復進行步驟6；

8）記錄當前的激光管工作參數，包括激光管工作溫度、吸收譜線電流值以及激光管驅動電流掃描范圍，可以通過上傳到計算機、液晶屏顯示或記錄到非易失存儲器等方式，結束VCSEL激光管參數自動調節過程。

在上述VCSEL激光管參數自動調節步驟中，涉及的參數如最大限制電流（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，參照激光管的數據手冊即可；而另外兩個參數：電流步進（ΔI）和溫度步進（ΔT）是確定VCSEL激光管工作點的重要參數。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系圖可以看出：1）不管溫度如何變化，驅動VCSEL激光管輸出總存在一個閾值電流（大概在1mA左右），那么以步進ΔI逐漸增加掃描電流，總會得到激光管有效的掃描電流區間，實驗中取ΔI=0.5mA，經過兩次步進就可得到驅動電流Imin；2）對于某一溫度，當電流在有效區間內掃描時，可以得到隨電流增大而增大的輸出光強，通過步進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系Fig.4　Relationship between the output light and the current of the VCSEL under different temperature

4　實驗結果

以PHILIPS（Vixar）公司產的6腳795mm± 1nm單模VCSEL激光管為例，參數自動調節就是通過調整激光管驅動電流和溫度，確保在激光邊帶波長對稱掃描的同時，激光中心波長（794.976nm）不變。依照參數自動調節流程，首先設置激光管測試參數：最大限制電流Imax=2.2mA，電流步進ΔI=0.5mA，初始工作溫度Tmin=310K，最高工作溫度Tmax=330K及溫度步進ΔT=0.5K；等到原子氣室加熱溫度穩定后，從零開始以步進ΔI增加掃描電流，當光電探測器探測到光強增強時，讀取此時的驅動電流為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器信號，判斷是否出現吸收譜線，如果沒有吸收譜線，將溫度依次調高到310.5K、311K、311.5K，重復掃描三角波驅動電流和搜尋吸收譜線，出現吸收譜線的掃描曲線如圖5所示。之后，再次精確調節電流和溫度，使得吸收譜線處的電流值在0.8×2.2mA=1.76 mA附近，記錄調節后的激光管工作溫度和工作電流，以便在后續的運行中使用。

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

5　結論

隨著高分辨率激光光譜學和量子光學研究的發展，基于原子—激光相互作用的一系列非線性光學現象被發現，如CPT及電磁誘導透明等，利用這些新的物理現象制備出窄線寬的原子共振信號，可實現對磁場的高精度測量。在CPT磁力儀中，VCSEL激光管運行參數的設置影響產生的CPT信號，從而影響磁力儀的分辨率。驅動電流和溫度是確定VCSEL激光管工作狀態的兩個重要參數，如果在每次啟動CPT磁力儀時都需要手動調節激光管運行參數，不僅效率低下，而且嚴重影響了磁力儀的實用性。本文所提的自動調節VCSEL激光管參數的方法降低了手動調節的繁瑣，同時能夠快速找到VCSEL激光管較優的工作溫度和電流，提高了CPT磁力儀的整體性能。在此基礎上，我們需要進一步研究如何找到吸收譜線極值對應的驅動電流，完成自動激光頻率鎖定，最終實現CPT磁力儀對磁場的自動測量。

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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

青年科學基金項目（編號：11204011）

孫曉潔，女，博士，工程師，研究方向為模式識別與智能系統。