激光光束特定方向準(zhǔn)直方法與技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光光束特定方向準(zhǔn)直方法與技術(shù)摘要:基于光束漂移量反饋通過(guò)PZT 驅(qū)動(dòng)的微角度控制,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和控制激光光束特定方向的平漂量和角漂量,以達(dá)到出射光束特定方向的高穩(wěn)定性。準(zhǔn)直系統(tǒng)中對(duì)光束平漂量和角漂量進(jìn)行了分離檢測(cè),并各自構(gòu)成了平漂量和角漂量反饋控制執(zhí)行系統(tǒng),減小了平漂量和角漂量反饋控制中的相互耦合,提高了準(zhǔn)直精度及準(zhǔn)直效率。實(shí)驗(yàn)表明,該方法特定方向準(zhǔn)直精度可達(dá)5 10 - 8 rad。關(guān)鍵詞:激光準(zhǔn)直; 光束漂移; 激光基準(zhǔn); 激光Laser Beam Collimation Method and Technology in Given Beam Direction

2、Abstract: in this method, displacement and angle excursions of laser beam from given direction was measured and controlled dynamically in real time through micro-angle measuring and micro-angle controlling systems based on piezoelectric driving, in the collimation system displacement excursion and a

3、ngle excursions of laser beam was measured separately and each of them has a independent feedback control system to restrain and angle excursion is decreased so the collimation precision and collimation efficiency are improved. Experiments prove the collimation precision of laser beam can reach 510-

4、8 rad. 1 引言激光器由于受其本身的熱變形、環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)等因素的影響,出射的激光束在傳播過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生漂移,主要表現(xiàn)為光束的平漂和角漂,其量級(jí)一般在10 - 410 - 6 rad。這一弱點(diǎn)限制了激光器準(zhǔn)直精度的進(jìn)一步提高,影響了其在實(shí)際中的運(yùn)用。目前的許多方法,如激光方向穩(wěn)定法1 、位相板衍射準(zhǔn)直法2 ,3 、雙光束補(bǔ)償準(zhǔn)直法4 、單模光纖準(zhǔn)直法、CCD傳真法等57 ,都是為解決這一問(wèn)題而提出的。但此類方法,均將激光光束在任意方向的平漂和角漂作為一個(gè)綜合影響量,來(lái)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)直,增加了準(zhǔn)直難度及準(zhǔn)直系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低了準(zhǔn)直效率。在激光長(zhǎng)距離準(zhǔn)直技術(shù)中,有時(shí)只需對(duì)激光光束傳播中的某個(gè)

5、空間位置方向(激光束截面的x 方向或y 方向) 進(jìn)行準(zhǔn)直;在許多應(yīng)用場(chǎng)合, 對(duì)測(cè)量結(jié)果起作用的只是光束截面的某個(gè)特定方向的穩(wěn)定性,此種情況下只需對(duì)所用光束特定方向進(jìn)行準(zhǔn)直, 這樣既可降低難度、減小系統(tǒng)復(fù)雜性,同時(shí)又能提高特定方向的準(zhǔn)直效率及精度。為此,本文提出抑制光束特定方向的漂移量反饋控制方法及技術(shù)。2 特定方向反饋控制準(zhǔn)直法2. 1 分離檢測(cè)光束角漂量分離檢測(cè)法見(jiàn)圖1 ,將二像限探測(cè)器( TEPD ,two2element photodioe) 光敏面中心對(duì)稱線置于聚焦物鏡的焦點(diǎn)處,與TEPD 中心對(duì)稱線垂直的方向即為將要準(zhǔn)置的特定方向,安放二像限硅光電池使紙面為將需準(zhǔn)直的特定方向面,如圖

6、1 (a) 所示。 當(dāng)光束產(chǎn)生平漂量x 時(shí),由于入射光束平行于光軸經(jīng)聚焦物鏡后仍聚于焦點(diǎn)上, TEPD 對(duì)光束的平漂量不敏感。當(dāng)光束產(chǎn)生角漂即相對(duì)光軸以角入射時(shí),光束聚焦于聚焦物鏡的焦平面上并發(fā)生偏移, 見(jiàn)圖1 (b) ,偏移TEPD 的中心位置量為y =f 。其中,為光束角漂量,y 為光束焦點(diǎn)偏移TEPD 中心線, f 為聚焦物鏡焦距。顯然,選取較大的焦距f ,可增加TEPD 對(duì)角漂量的探測(cè)能力。光束在紙面方向角漂y 為 此主題相關(guān)圖片如下：光束平漂量分離檢測(cè)法見(jiàn)圖2 ,使TEPD 1 的中心對(duì)稱線與TEPD 2 的中心對(duì)稱線平行。在動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)始時(shí),轉(zhuǎn)角反射鏡首先依據(jù)TEPD 2 檢測(cè)的光束

7、角漂移量,進(jìn)行反饋調(diào)整,來(lái)抑制光束的角漂。分光鏡BS 1 位于轉(zhuǎn)角反射鏡之后,其反射到TEPD 1 上的光束紙平面角漂量也同樣得到抑制。光束角漂被抑制的越小,TEPD 2 接受的信號(hào)中所含角度漂移量的成分就越小,此時(shí)TEPD 1 檢測(cè)到的值主要為激光束在紙平面內(nèi)的平漂量。這樣,就基本上實(shí)現(xiàn)了激光束在紙平面內(nèi)平漂量的分離檢測(cè)。 2. 2 平移鏡平移特性光束平移調(diào)整見(jiàn)圖3 。當(dāng)光束進(jìn)入平移鏡(兩平行平面鏡組成) 出射時(shí),依據(jù)反射定律其出射角始終與入射角一致,即平移鏡并不改變光束的方向角。如圖3 (b) 所示。當(dāng)入射光束產(chǎn)生平移時(shí),其出射光線同樣亦產(chǎn)生相應(yīng)的平移。這種特性確保了用平移鏡對(duì)光束進(jìn)行平移

8、調(diào)整時(shí),對(duì)光束角漂量不產(chǎn)生影響,避免了光束平移量反饋控制和角漂量反饋控制之間的相互耦合。此主題相關(guān)圖片如下：此主題相關(guān)圖片如下：2. 3 轉(zhuǎn)角反射鏡轉(zhuǎn)角特性如圖4 (a) 所示,當(dāng)反射鏡繞入射面內(nèi)的O 點(diǎn)由O2A 面轉(zhuǎn)過(guò)角到O2B 面時(shí), 反射光束將從O2c 轉(zhuǎn)向O2b ,其偏移角x 為x = 2。如圖4 (b) 所示,當(dāng)反射鏡繞入射面與反射鏡鏡面的交線A A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí),法線將從o2n 轉(zhuǎn)向o2m ,其出射光線也將從a2o2c面內(nèi)的o2c 光束轉(zhuǎn)向a2o2b 面內(nèi)的o2b 光束,其轉(zhuǎn)角為y = 2(角很小) 。光束在空間上的角漂總可以分解為沿光束傳播方向的兩個(gè)相互垂直的角漂移分量,這樣通過(guò)反

9、射鏡依據(jù)圖4 (a) 、4 ( b) 兩相互垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng),就可實(shí)現(xiàn)出射光束的空間角控制。x = 2,y = 2 (4)此主題相關(guān)圖片如下：3 反饋控制準(zhǔn)直過(guò)程及系統(tǒng)構(gòu)成漂移量反饋控制光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖5 。激光器出射的光束經(jīng)初級(jí)準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄馍湎蚬馐揭歧R,光束平移鏡出射的光經(jīng)轉(zhuǎn)角反射鏡射向分光鏡1 (BS1) 和分光鏡2 (BS2) ,BS1 反射的光照射在TEPD 1 中心上用于探測(cè)光束的平漂,BS2 反射的光經(jīng)聚焦物鏡聚焦在QPD 2 中心,TEPD 2 位于聚焦物鏡的焦平面上,用于探測(cè)光束的角漂移量。準(zhǔn)直過(guò)程中,計(jì)算機(jī)首先依據(jù)TEPD 1 檢測(cè)出的激光束在特定方向上的角漂其大小可

10、由式(1) 確定 ,來(lái)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度反射鏡使激光束向角漂減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng),來(lái)減小激光束的角度漂移。TEPD 2 探測(cè)的值主要體現(xiàn)為激光器的平漂,其大小可以通過(guò)控制特定方向的平移反饋控制機(jī)構(gòu)來(lái)抑制。光束漂移量反饋控制準(zhǔn)直系統(tǒng)中,TEPD 1 和轉(zhuǎn)角反射鏡構(gòu)成光束漂移量反饋控制系統(tǒng),時(shí)實(shí)控制光束的角漂量。TEPD2 和光束平漂量控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成光束漂移量反饋控制系統(tǒng),時(shí)實(shí)控制光束的平漂量。時(shí)實(shí)反饋控制準(zhǔn)直過(guò)程中,激光束的平漂量及角漂量實(shí)現(xiàn)了分離檢測(cè)和各自實(shí)時(shí)反饋控制,減小了激光束控制過(guò)程中的相互耦合,提高了光束漂移量控制精度和準(zhǔn)直效率。 準(zhǔn)直系統(tǒng)中激光器選用美國(guó)JDS Uniphase 公司產(chǎn)的1

11、145P 型號(hào),其出射功率為23 mW。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器選用中科院成都光電所的可伸縮壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(伸縮范圍3 m) ,與自行研制的四壓電驅(qū)動(dòng)電源及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相配,角度反射鏡控制分辨力達(dá)1 10 - 8 rad ,調(diào)整范圍達(dá)20 10 - 6 rad。平移控制鏡分辨力達(dá)5 nm ,控制范圍達(dá)2 000 nm , TEPD 采用日本HAMAMATSU 公司產(chǎn)的S6241 型號(hào),聚焦透鏡的焦距選用f = 150 mm ,信號(hào)采集及控制卡采用研華PCL813B。此主題相關(guān)圖片如下：4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)論依據(jù)基準(zhǔn)型圓柱度儀激光基準(zhǔn)的實(shí)際需求,在準(zhǔn)直距離為500 mm 處,對(duì)其光束在紙面方向準(zhǔn)直后的漂移量(包括平漂量和角漂量) 綜合作用效果進(jìn)行了準(zhǔn)直效果測(cè)試。測(cè)