ПИД-регулятор для термостатирования эталона частоты

Внедрение: 2015 г.

Новосибирскими учёными представлен [1] одночастотный источник излучения на длине волны 457 нм на основе второй гармоники Nd:YVO4 лазера с диодной накачкой. Стабилизация частоты источника по полосе пропускания опорного эталона позволила получить ширину спектральной линии излучения не более 1 кГц. С применением модуля E14-440D реализована термостабилизация опорного эталона с помощью ПИД-регулятора, позволяющая поддерживать температуру корпуса эталона с точностью 1 мК.

В основе разработанного высокостабильного эталона частоты лежит интерферометр Фабри-Перо. Базой интерферометра является полый цилиндр из оптического ситалла, на торцах которого закреплены зеркала (рисунок 1). Он обладает низким коэффициентом теплового расширения 10^-7 1/К, что позволяет обеспечить стабильность расстояния между зеркалами и, соответственно, создать высокостабильный интерферометр, полоса пропускания которого служит опорой для стабилизации частоты Nd:YVO4 лазера.
 

Рисунок 1. Схема высокостабильного эталона.

Несмотря на низкий коэффициент теплового расширения ситалла, изменение его температуры на 1 К ведет к изменению частоты излучения на 30 МГц. Важным этапом в повышении стабильности частоты источника излучения является термостабилизация эталона. Поддержание определенного значения температуры позволит уменьшить влияние внешних изменений температуры на базу интерферометра и, соответственно, повысить стабильность частоты излучения источника.

На рисунке 2 представлена разработанная и реализованная система термостабилизации, управляемая с ПК, которая обладает возможностью поддерживать температуру корпуса эталона со стабильностью на уровне 1 мК, что соответствует разработкам, используемым в современных установках ведущих лабораторий мира, связанных с оптическими стандартами частоты.

Рисунок 2. Схема термостабилизации опорного эталона R(T) – термистор, Rнагр – инфракрасная термопленка.

Комментарии от L-Card: 1) Представленная схема измерения основана на применении парных источников тока (в данном случае - 100 мкА) и прецизионного резистора (10 кОм), сопротивление которого равно сопротивлению термистора R(T) при нормированной для термистора температуре. 2) При данном включении n-канального полевого транзистора в цепи управления заземлённым должен быть исток транзистора, если ПК заземлён. При этом транзистор будет открываться положительным напряжением на затворе, поданным с выхода ЦАП.

Эталон помещается в металлический корпус, нагревателем которого выступает инфракрасная термопленка, с подключенным к ней источником питания 40 Вт. Этот корпус изолируется камерой из пенополистирола. В качестве датчика температуры используется термистор ThorLabs TH10K, обладающий чувствительностью к изменению температуры 40 мВ/К. Поддержание температуры производится с помощью ПИД-регулятора, реализованного на базе аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей E14-440D и разработанного с помощью программного обеспечения NI LabVIEW виртуального прибора (рисунок 3).

Виртуальный прибор обеспечивает управление ключом, замыкающим цепь на подачу мощности на нагреватель, а также визуализацию и сохранение данных. Управление мощностью осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции в диапазоне от 0 до 100 % с шагом в 0,1 %.

Рисунок 3. Виртуальный прибор на основе NI LabVIEW.

Были рассчитаны коэффициенты ПИД-регулятора по методу Циглера-Никольса по параметрам отклика объекта на единичный скачок. Проводились эксперименты по подбору оптимальных параметров ПИД-регулятора. На данном этапе достигнута стабилизация корпуса по температуре в пределах 1 мК (рисунок 4). 

Рисунок 4. Зависимость температуры корпуса термостабилизации от времени. Уставка: 22 °C, стабильность температуры: ±1 мК.

Источник:
Тропников М. А., Гончаров А. Н., Шилов А. М. Источник излучения для стандарта частоты на основе холодных атомов магния. – Международное научное объединение "Prospero". – Москва. – 2015. – № 2 (14). – С. 105–111.

Разработчик: Тропников М. А., Гончаров А. Н., Шилов А. М. (Новосиб.нац.исслед.гос.университет, Институт лазерной физики Сиб. отделения РАН)