一种用于CPT磁力仪的VCSEL激光管参数自动调节方法

孙晓洁，张笑楠，寇　军，杨　锋

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

一种用于CPT磁力仪的VCSEL激光管参数自动调节方法

孙晓洁，张笑楠，寇军，杨锋

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

为了解决手动调节VCSEL激光管运行参数困难的问题，提出了一种用于CPT磁力仪的VCSEL激光管参数自动调节方法。首先，在稳定原子气室温度的基础上，通过步进增加激光管的驱动电流并探测光强，确定扫描电流的范围；其次，在初始工作温度基础上增加激光管温度步进，重复扫描三角波驱动电流，并全范围搜寻吸收峰；当首次读取到吸收峰后，利用调节电流精确锁定在当前工作温度条件下吸收峰对应的电流值，同时微调温度，调整吸收峰到最佳位置；最后，记录当前的激光管工作参数，完成整个VCSEL激光管参数自动调节过程。采用上述方法能够快速实现VCSEL激光管的测试及工作参数的设置，提高了工作效率和整机性能。

VCSEL激光管；工作温度；驱动电流；参数自动调节；CPT磁力仪

0　引言

磁场测量可用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防、医学诊断、地质调查及考古研究等领域［1-2］。常见的几种弱磁场测量仪器包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪等。但是目前上述磁力仪在体积、功耗、测量范围和精度等方面都存在令人不满意的地方，比如磁通门磁力仪的探头部分多由在高磁导率的磁芯上缠绕线圈制作而成，体积和重量较大、测量精度偏低；质子旋进磁力仪耗电量大，只能进行低带宽间断测量；光泵磁力仪虽然具有较高的灵敏度和响应频率，但其探头体积较大［3-4］；超导量子干涉磁力仪必需的低温制冷系统使得其结构复杂，体积庞大。近几年，随着量子光学和原子操控技术的发展，基于相干布局囚禁（Coherent Population Trapping，CPT）效应的量子干涉磁力仪通过检测激光与原子作用后的透射光谱来实现对磁场的测量［5］。垂直腔表面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）是CPT磁力仪中的一个重要组成部分，而VCSEL的波长受工作温度和工作电流的影响，因此，选择适当的温度和电流以获得CPT磁力仪正常工作所需的激光波长是十分重要的。

目前针对CPT磁力仪样机，采用手动调节VCSEL激光管参数的方式效率低，需要多次调试参数。因此，急需一种VCSEL激光管参数的自动调节方法。本文在介绍CPT磁力仪系统设计原理的基础上，详细研究了VCSEL激光管驱动电路的设计及VCSEL激光管参数自动调节的方法。采用本文提出的方法，方便了VCSEL激光管的测试及工作参数的设置，提高了工作效率，同时使得基于CPT原理的磁力仪在VCSEL激光管最优工作温度和工作电流条件下运行，整机性能更稳定。

1　CPT磁力仪的系统设计原理

CPT磁力仪系统由核心处理器、VCSEL激光管驱动电路、VCSEL激光管、光学镜片、原子气室、原子气室温控电路、光电探测器和信号采集电路组成，其结构示意图如图1所示。利用VCSEL激光管产生的激光束，通过光学镜片调整强度后，与原子气室内的原子相互作用。原子气室内封装铷原子和缓冲气体，提供测量磁场的干涉介质。其后，由光电探测器接收带有磁场信息的光信号，并把光信号转化为电信号，供信号采集电路获取。信号采集电路由模拟-数字转换电路构成，转换后的数字信号输入到核心处理器，进行信息处理，得到测量的磁场值［6］。

图1　CPT磁力仪的系统结构示意图Fig.1　Elements of the CPT magnetometer

原子气室需要在恒定温度下工作，这是因为当温度过低时，其中的铷原子为固态并且几乎都贴附在气室壁上，导致相互作用原子极少，使得光全部透过，从而不能满足产生CPT共振的条件；当温度过高时，由于光被原子气室吸收得过于强烈，导致CPT共振信号很小，很难被观测到。原子气室温控电路实现对原子气室的温度控制。由核心处理器采样原子气室温度，然后调整加热电压，当检测到高于温度设定上限时，停止加热；反之，当低于温度设定下限时，开始加热，使得原子气室的温度保持在具有良好CPT现象的范围内。

2　VCSEL激光管驱动电路设计

虽然VCSEL激光管具有体积小、光束方向性好、动态调制频率高、响应比较迅速等特点，但由于存在个体差异性，每个VCSEL激光管所需设置的工作温度和工作电流并不相同。VCSEL激光管驱动电路主要包括温度控制和电流控制两部分。

2.1VCSEL激光管的温度控制

VCSEL激光管采用具有内部集成半导体热电制冷调节器（Thermal Electric Cooler，TEC）和负温度系数热敏电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC）的激光管，因此方便控制激光管的工作温度。TEC是一个可以自由控制加热或者制冷的芯片，控制端由外接的电流来控制是加热还是制冷。NTC是一个负温度系数的热敏电阻，利用恒流源芯片REF200产生的电流流经热敏电阻，从而在NTC输入端产生电压，通过测量此电压值就能得到此时热敏电阻的阻值。NTC阻值随温度变化公式为：

其中，Top为当前温度，R为此温度对应的NTC阻值，K表示取开尔文温度。由式（1）可以反推出此时激光管的工作温度。

温度控制通过采集VCSEL激光管的NTC端处的电压，推导出当前温度，并与核心处理器中的设定温度进行比较，对偏差值采用PID控制后，通过数字-模拟转换器输出调节VCSEL激光管的TEC电流信号，再经过运放完成电流放大，以驱动TEC实现温度控制。

2.2VCSEL激光管的电流控制

VCSEL激光管的电流控制包括扫描电流和调节电流两部分，其原理框图如图2所示。扫描电流电路采用反向比例放大电路，由16位数字-模拟转换器输出幅值连续可调的电压，并通过后续的电压-电流转换电路转换为VCSEL激光管的驱动电流，该部分所控制的电流范围为0 mA～2.2mA。调节电流电路由12位数字-模拟转换器输出幅值连续可调的电压，同样经过电压-电流转换电路后，所调整电流的范围为0 mA～120mA，其主要作用是精确调整激光管驱动电流，使激光管输出波长范围在794.976nm附近。电压-电流转换电路包括三部分，第一部分是电压求和放大电路，将扫描电流和调节电流按比例进行求和放大；第二部分是PI控制器电路；第三部分是AD623仪表放大器，将电流采样电阻上的电压信号放大作为电流闭环反馈回路。

图2　VCSEL激光管电流控制原理图Fig.2　Schematic of the current control for VCSEL

3　VCSEL激光管参数自动调节方法

本文所设计的VCSEL激光管参数自动调节方法是在稳定原子气室温度的基础上，在激光管温度和电流的最大可调范围内，分阶段进行电流扫描、温度步进和精确调整，以便得到最佳的工作参数。参数自动调节流程图如图3所示，具体步骤如下：

图3　VCSEL激光管参数自动调节流程图Fig.3　Flow chart of self-regulating the VCSEL’s parameters

1）根据所测试VCSEL激光管的技术指标，在CPT磁力仪的核心处理器中设置其测试参数范围，包括最大限制电流（Imax）和电流步进（ΔI），初始工作温度（Tmin）、最高工作温度（Tmax）及温度步进（ΔT）；

2）利用原子气室温控电路加热原子气室并使其稳定在工作温度范围内；

3）设置扫描电流和调节电流初始值为0，以步进ΔI逐渐增加扫描电流，核心处理器通过信号采集电路读取光电探测器的响应，当检测到光强增强时，取此时的驱动电流值为Imin，从而确定扫描电流的范围（Imin～Imax）；

4）初始化激光管工作温度在Tmin，在保持温度不变的情况下，设置激光管扫描三角波驱动电流，通过三角波电流全范围扫描搜寻吸收谱线；

5）利用核心处理器判断是否出现吸收谱线，如果没有出现，就逐渐增加温度步进ΔT，重复扫描三角波驱动电流和搜寻吸收峰；如果出现，则进入步骤6；

6）当首次读取到吸收谱线后，利用激光管的调节电流精确锁定在当前工作温度条件下，吸收谱线处的电流值为Ix，判断Ix是否在最佳位置附近（一般可取为0.8×Imax），如果是，进入步骤8，否则转到步骤7；

7）微调激光管温度，重复进行步骤6；

8）记录当前的激光管工作参数，包括激光管工作温度、吸收谱线电流值以及激光管驱动电流扫描范围，可以通过上传到计算机、液晶屏显示或记录到非易失存储器等方式，结束VCSEL激光管参数自动调节过程。

在上述VCSEL激光管参数自动调节步骤中，涉及的参数如最大限制电流（Imax）、初始工作温度（Tmin）和最高工作温度（Tmax）是由所使用的VCSEL激光管本身性能决定的，参照激光管的数据手册即可；而另外两个参数：电流步进（ΔI）和温度步进（ΔT）是确定VCSEL激光管工作点的重要参数。由图4所示在不同工作温度下，VCSEL激光管输出光与电流的关系图可以看出：1）不管温度如何变化，驱动VCSEL激光管输出总存在一个阈值电流（大概在1mA左右），那么以步进ΔI逐渐增加扫描电流，总会得到激光管有效的扫描电流区间，实验中取ΔI=0.5mA，经过两次步进就可得到驱动电流Imin；2）对于某一温度，当电流在有效区间内扫描时，可以得到随电流增大而增大的输出光强，通过步进ΔT，最终得到所需的吸收谱线。

图4　不同温度下，VCSEL激光管输出光与电流的关系Fig.4　Relationship between the output light and the current of the VCSEL under different temperature

4　实验结果

以PHILIPS（Vixar）公司产的6脚795mm± 1nm单模VCSEL激光管为例，参数自动调节就是通过调整激光管驱动电流和温度，确保在激光边带波长对称扫描的同时，激光中心波长（794.976nm）不变。依照参数自动调节流程，首先设置激光管测试参数：最大限制电流Imax=2.2mA，电流步进ΔI=0.5mA，初始工作温度Tmin=310K，最高工作温度Tmax=330K及温度步进ΔT=0.5K；等到原子气室加热温度稳定后，从零开始以步进ΔI增加扫描电流，当光电探测器探测到光强增强时，读取此时的驱动电流为1mA，因此Imin=1mA，确定激光管的扫描电流范围为1mA～2.2mA。

然后在保持激光管工作温度310K情况下，给出三角波扫描电流，处理器采集光电探测器信号，判断是否出现吸收谱线，如果没有吸收谱线，将温度依次调高到310.5K、311K、311.5K，重复扫描三角波驱动电流和搜寻吸收谱线，出现吸收谱线的扫描曲线如图5所示。之后，再次精确调节电流和温度，使得吸收谱线处的电流值在0.8×2.2mA=1.76 mA附近，记录调节后的激光管工作温度和工作电流，以便在后续的运行中使用。

图5　大范围电流扫描的吸收谱线Fig.5　Atomic absorption spectrum of the scanning current

5　结论

随着高分辨率激光光谱学和量子光学研究的发展，基于原子—激光相互作用的一系列非线性光学现象被发现，如CPT及电磁诱导透明等，利用这些新的物理现象制备出窄线宽的原子共振信号，可实现对磁场的高精度测量。在CPT磁力仪中，VCSEL激光管运行参数的设置影响产生的CPT信号，从而影响磁力仪的分辨率。驱动电流和温度是确定VCSEL激光管工作状态的两个重要参数，如果在每次启动CPT磁力仪时都需要手动调节激光管运行参数，不仅效率低下，而且严重影响了磁力仪的实用性。本文所提的自动调节VCSEL激光管参数的方法降低了手动调节的繁琐，同时能够快速找到VCSEL激光管较优的工作温度和电流，提高了CPT磁力仪的整体性能。在此基础上，我们需要进一步研究如何找到吸收谱线极值对应的驱动电流，完成自动激光频率锁定，最终实现CPT磁力仪对磁场的自动测量。

［1］张昌达，董浩斌.重力和磁力勘探进入新时期［J］.物探与化探，2010，34（1）∶1-6. ZHANG Chang-da，DONG Hao-bin.A new development period of the gravity and magnetic exploration［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2010，34（1）∶1-6.

［2］邵珠君，华冰，康国华.磁强计在航天器上的应用与前景［J］.导航与控制，2014，13（6）∶50-54. SHAO Zhu-jun，HUA Bing，KANG Guo-hua.Application and prospect of magnetometers in spacecraft［J］. Navigation and Control，2014，13（6）∶50-54.

［3］张振宇，程德福，连明昌，等.氦光泵磁力仪信号检测控制回路的设计［J］.电子测量与仪器学报，2011，5（4）∶366-371. ZHANG Zhen-yu，CHENG De-fu，LIAN Ming-chang，et al.Design of4He optically pumped magnetometer’s signal detection and control loop［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2011，5（4）∶366-371.

［4］张振宇.氦光泵磁测技术研究［D］.吉林大学，2012. ZHANG Zhen-yu.Research on optically pumped Helium magnetic measurement technology［D］.Jilin University，2012.

［5］刘国宾，孙献平，顾思洪，等.高灵敏度原子磁力计研究进展［J］.物理，2012，41（12）∶803-810. LIU Guo-bin，SUN Xian-ping，GU Si-hong，et al.Progress in high sensitive atomic magnetometers［J］.Physics，2012，41（12）∶803-810.

［6］黄宇翔.CPT原子磁力仪的初步研究［D］.浙江大学，2013. HUANG Yu-xiang.Preliminary investigation on CPT atom magnetometer［D］.Zhejiang University，2013.

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

青年科学基金项目（编号：11204011）

孙晓洁，女，博士，工程师，研究方向为模式识别与智能系统。