氟化钙晶体 根据氟化钙晶体谐振腔的压力调节速度

大家好，氟化钙晶体相信很多的网友都不是很明白，包括根据氟化钙晶体谐振腔的压力调节速度也是一样，不过没有关系，接下来就来为大家分享关于氟化钙晶体和根据氟化钙晶体谐振腔的压力调节速度的一些知识点，大家可以关注收藏，免得下次来找不到哦，下面我们开始吧！

响应速度是压力调谐方法的优势，在前边的研究中已经对氟化钙晶体谐振腔的压力调谐系数做了测试与分析，但是在响应速度测试中，机械结构的施压速度过慢，远远低于压力调谐的极限响应速度，以至于在测试其响应速度时，所得到的结果更多的代表了机械结构的响应速度。

因此我们需要一种更高速的施压方法，在这样的需求下，我们决定采用磁场控制压力的方式，通过高频交流电信号来对氟化钙晶体谐振腔施加高频的压力信号，以调谐系统对高频信号的响应情况来表征晶体谐振腔的压力调谐响应速度。在本章中，我们详细介绍了实验过程中所使用的关键技术与实验系统的构建方法，并对最终结果进行了分析。

在实验中，我们希望通过高频磁场的作用来观察系统的频率响应，即系统对于外部刺激的反应情况。然而，观察到谐振频率的微小变化并不容易，因此需要一种方法将其转化成更加易于测量和观察的信号。这里我们采用了PDH锁频技术。PDH锁频技术是一种利用激光和谐振腔相互作用的方法，可以将可调谐激光器的频率锁定到谐振腔的谐振频率上。

这种方式可以降低噪声和杂信干扰，提高信号信噪比和灵敏度。在激光器的控制系统中，PID的三个参数决定了控制的稳定性、响应速度等参数，因此需要对这三个参数进行多次整定，以期达到最佳的锁频效果。

比例环节以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。比例环节控制反应较快，在磁传感系统中，加大比例系数Kp，系统的稳态误差减小，但是稳定性可能变差，甚至使得工作系统失去稳定。

针对以上各种情况，需要对控制器输入量误差值e以及时间常数Ti和比例系数Kp进行以下参数整定：

2.当误差值e中等大小时，需选用较小的Kp值以避免出现较大超调；由于积分环节对系统的控制影响比较大，所以合适的Ti值即可。

3.当误差值e较小时，为了确保系统的稳定性，需选用较大的Kp和Ti值，避免由于二者选值的不适当而导致的系统不稳定。在回音壁模式耦合系统中，因为谐振点所在的波长的解调曲线斜率最大，所以一般来说，PID算法的期望值一般设置为谐振点所在的频率值。

频率锁定后将透射谱信号接入示波器观察，可以发现示波器所显示的谐振谱线会变成一条直线，这个直线的功率大小一般与所锁定的谐振峰值功率相等。如图4-4所示，谐振谱由于频率锁定，其功率维持在一个水平，该谱线中所出现的振动和波动信号是锁频后的环境噪声对谐振腔的影响导致的。

1.氟化钙晶体谐振腔

磁场需要通过与永磁铁相互作用来实现磁场与压力的相互转换，实验的磁场使用线圈来提供。耦合结构需要根据磁场施压的需要重新设计。我们将耦合结构的上层玻璃片去除，将其替代为一个直径10mm的永磁铁，为了防止磁铁滑落或偏移，需要将磁铁与氟化钙晶体腔粘接，同时必须防止粘接剂接触到晶体谐振腔的侧表面。

永磁铁的质量与体积不能过大，以防止磁场影响使磁铁跌落。耦合结构变化后，光纤锥在耦合时无法再通过显微镜与CCD相机俯视观察，因此在耦合时，必须向光纤锥内通入红光，通过透射红光的光强变化来判断光纤是否已经接触到氟化钙晶体谐振腔。

提供磁场的线圈固定悬浮在永磁铁上方20mm处，线圈外接电源，通过控制电源的功率与频率来间接控制压力的大小与频率。为了调整线圈的高度与位置，需要将线圈固定在位移台上，并调整位移台高度，使其能够悬浮于耦合结构上。耦合结构如图4-5所示。

2.磁调谐的系统结构

磁调谐的系统结构，其中耦合结构采用图4-5所示的结构，同时示波器需要更换为频谱仪，用以观察信号的频域响应，实验所用的系统结构图如4-6所示，蓝色虚线框中的是耦合结构。系统完成耦合后，需要进行锁频调试，使用激光器控制程序调试设置相关参数，通过示波器观察锁频后的透射谱线来判断锁频参数是否达到理想状态。

在锁频过程中，控制软件会同时显示透射谱线和解调信号的压电电压-传输电压图像，在设置锁相环参数时，需要控制调制信号的频率和幅值，同时观察解调信号的波形与相位，将其调制到与波形相对应，即可开始进行锁定，并整定PID参数，如图4-7所示，图中红色曲线是透射谱线，蓝色曲线则是解调信号。

解调信号的整定可以帮助系统确定耦合点的位置，PID参数则决定了激光器频率跟随谐振峰的能力，开始锁频后，系统会在坐标系中以红点显示目前的频率（即压电电压）和功率（传输电压）位置，此时需要观察的是频率位置是否稳定，功率位置是否与耦合峰相同，如果出现功率位置偏上，则说明锁定未能成功，如果频率位置出现持续偏移，则说明环境影响较大，谐振频率也出现了持续漂移。

系统参数整定合适后，可以看到红点纵向稳定且横向漂移不明显。开始锁定后的图像如图4-8所示，图示坐标中左边红点为激光器锁定点的位置，右边红点则是目标锁定点，可以看到由于锁定后能量在氟化钙晶体谐振腔中大量聚集，由此导致谐振腔温度上升，从而使谐振频率出现了偏移（氟化钙的热光系数为负，因此其热漂移方向与大部分谐振腔相反）。

1.响应速度极限

磁调谐系统中所采用的耦合结构只是顶层的玻璃片换成了磁铁，而压力的来源从直接接触的铜柱变成了磁场直接作用于磁铁，这种类似的结构设计是为了最大程度模拟压力调谐系统的结构。压力调谐的本质是力作用于晶体谐振腔，并导致晶体谐振腔发生形变以及折射率变化，这二者的响应速度极限决定了压力调谐的响应速度理论极限。

想要表征压力调谐的响应速度，直接的方法是通过系统阶跃响应来测量，即向晶体谐振腔施加一个突变的恒定力，然后测量系统的响应时间，但是这种方法在实际操作中比较困难，由于压力调谐响应速度较高，因此对阶跃信号的质量要求也较高，提供阶跃信号的系统本身响应需要高于压力调谐系统的响应速度，否则得到的阶跃信号并不能代表系统的特性。

如下图所示，此阶跃响应是通过给定一个恒定磁场，然后锁频，突然撤去磁场后测量得到的，但是根据图像计算出的响应时间更接近于直流电源的关断响应。为了更加准确地表征压力调谐的响应，我们使用高频信号来观察系统的频域响应。

线圈由信号发生器控制，通过输出不同频率的交流电来控制压力变化，从而向谐振腔施加交变的压力信号，压力的交替变化会使谐振波长出现交替位移，在锁频后的谱线中，其表现为谱线的波动，进而可以从频谱仪中观察其在不同频率下的响应，并确定其频率响应范围。

通过直流电源给线圈施加不同大小的电流来控制磁场强度，并实时记录电流大小和谐振谱线，最终计算得到磁调谐系统的调谐系数。如图4-10所示，测量得到的调谐系数为11.22kHz/mA，总调谐范围11.6MHz。局限于线圈的大小和电源功率限制，磁调谐系统能够实现的调谐范围较小，其所对应的压力大约为1.1kPa到11.6kPa。

同时由于相对较小的压力谐振频移，温度在实验过程中会造成较大的影响。高品质因数谐振腔的谐振谱线受到的环境影响会较大，在实验测试中发现除了温度之外，声音、空气流动、地面振动等环境因素都会使谐振谱线出现与之相应的变化，比如温度导致谐振频率持续漂移，声音和地面振动导致谱线的耦合深度出现波动，空气流动也会带来短暂的温度变化。

在进行实验时需要严格控制外部变量。将线圈的直流电源改换至信号发生器，并完成锁频的参数整定，需要注意在实验时线圈温度会持续上升，并影响实验系统，因此需要在线圈和谐振腔之间增加阻隔物，此处选择用玻璃。调整信号发生器输出信号的频率，并实时记录频谱数据。

如图4-11所示，图（a）展示了氟化钙晶体谐振腔的压力调谐频率响应，图中横坐标是信号发生器控制的频率，纵坐标则是频谱图中对应频率位置信号的信噪比。插图中所展示的是施加到系统的时域信号图。实验过程中发现频域在200kHz出现了一个较大的底噪信号，它的宽度大概有50kHz，因此接近该频率的响应信号信噪比较低。

从图中可以得出结论，氟化钙晶体谐振腔的压力调谐最高能够响应的频率信号为1.2MHz，信号在超过1.2MHz后逐渐被噪声淹没，无法再观察到。如图4-11中图（b）展示了信号发生器设置为10kHz时的频谱图，纵坐标dbm是功率单位，用于表示电力、光功率等量级的大小。

图中出现的边带来自于激光器压电调谐的噪声。由于噪声的干扰，实验所测量得到的频率响应曲线无法测量得到可靠的3dB带宽，部分信号被噪声淹没，无法测量，而频率响应信号也出现了较大波动，因此可靠的响应带宽需要更好的PDH锁频环境来测量。

从压力调谐的频率响应范围来看，压力调谐的响应速度具有着较高的优势，实验过程中面临着锁频后信号的信噪比较差的问题，我们认为这也影响了实际测量出的信号信噪比，因为有部分信号被噪声过多的淹没。优化信号信噪比的方案主要是进一步优化PDH锁频的效果，并尝试利用磁场实现非接触式的压力调谐，以便将耦合系统封装至一个与外界相隔离的容器中。

本文主要探究氟化钙晶体谐振腔的压力调谐响应速度，从测量方法和所使用的技术细节进行了描述。详细介绍了PDH锁频技术，并提出了磁调谐系统的结构与实现方案，以此来解决为系统提供高频压力信号的难题。我们对磁调谐系统进行了测试评估，测量了该系统能够实现的调谐系数与调谐范围，以验证该方案的可行性。

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