雷射光斑實時監測與光路自動準直的裝置的製作方法

2023-04-24 21:03:46

專利名稱：雷射光斑實時監測與光路自動準直的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射，是一種雷射光斑實時監測與光路自動準直的裝置，可適 用於任何需要進行光斑監測與光束自動準直的光學系統，利用壓電陶瓷電動鏡架自 動調整光學系統的光路，準直後雷射光束空間穩定性<0.5微弧度，可應用於各種需 要光斑精確ll定的光學系統和實驗研究領域。
背景技術：
在光學技術的發展中，對於雷射能量的穩定性，脈衝寬度穩定性和空間指向穩 定性的要求也不斷地提高。雷射光斑的空間指向穩定性對於系統輸出雷射的穩定非 常重要，而且很多物理實驗，諸如空心光纖壓縮、光學參量放大、載波相位穩定等 都對光束指向穩定性要求很高，或者由於數據的採集時間相對比較長而對光束指向 的穩定性要求比較高。然而環境溫度變化引起鏡架的熱脹冷縮，實驗儀器震動等引 起實驗平臺的震動，空氣的擾動等因素都影響系統中雷射光斑的穩定性，特別是當 光路較長時，光束指向常常因為這些原因而變得不穩。因此， 一種可以實時監測激 光光斑並可以自動準直雷射光束的裝置對許多領域研究都是非常實用的，這樣的光 路自準直系統可以提高雷射器長時運行效率和實驗的精度。目前在大型雷射裝置中，自動準直系統已成為必不可少的重要組成部分，如雷射核聚變裝置，為了確保系統每次運行時，從振蕩器發出的雷射束能夠穩定、精確地穿過預放大^1、主放大器、倍頻器、靶室，並精確地照射到微型靶丸上，雷射裝置均配置了光路自動準直系統。在這種大型的低重複頻率的雷射系統中， 一般利用兩個CCD攝像頭測量其近場和遠場位置，然後用步進電機控制的鏡架來校正偏移的光路。這種準直系統的結構顯得複雜，而且歩進電機控制的反饋過程較為遲鈍，需要幾分鐘才能完成一次光路調整，光路的調整精度也不高，對於高重複頻率的雷射系統則無法滿足要求，例如在重複頻率為lkHz的雷射系統中，步進電機由於本身運動時間長而根本不能滿足系統要求。但隨著雷射技術的迅速發展，對光路自動準直的精度、速度和效率卻提出了越來越高的要求。 發明內容為了適應高重複頻率和高精度雷射系統的要求，在繼承上述低重複頻率自動準
直系統的設計原理同時，克服上述在先技術中存在的不足，本實用新型提出一種雷射光斑實時監測與光路自動準直的裝置，該裝置應具有結構簡化、精度高、速度快 和效率好的特點。本實用新型的技術解決方案如下一種雷射光斑實時監測與光路自動準直裝置，包括裝有第一 45'全反鏡的第 一壓電陶瓷電動鏡架和裝有第二 45"全反鏡的第二壓電陶瓷電動鏡架， 一驅動器的輸 出端分別連接所述的第一壓電陶瓷電動鏡架和第二壓電陶瓷電動鏡架的控制端，該驅動器的輸入端連接計算機控制輸出端， 一待準直的雷射光束照射在所述的第一 45" 全反鏡上，在所述的第一 45"全反鏡和第二 45'全反鏡的之間且靠近第一 45"全反鏡 的光路上設有第一分束片，在所述的第二 45'全反鏡的反射光束方向設置第一全反射 鏡，在該第一全反射鏡的反射光路上設置第二分束片，該第二分束片的反射光束方 向有第二全反射鏡，在第二全反射鏡的反射光束和第一分束片的反射光束的交叉位 置有一CCD攝像頭，該CCD攝像頭的輸出端與所述的計算機的輸入端相連，所述的 計算機具有圖像採集卡和監測控制程序。所述的監測控制程序是利用最新的虛擬儀器圖形編程軟體(LabView)來編寫 的，以下簡稱為LabView程序。該LabView程序包括光斑採集、計算處理和反饋控 制三部分。LabView程序主要分為光斑採集、計算處理和反饋控制三個步驟首先CCD攝像 頭採集兩個參考點的雷射光斑，採集到的雷射光斑經過信號線傳輸到電腦的圖像採 集卡上，圖像釆集卡將模擬圖像轉換為數字圖像，程序通過調用圖像採集卡的動態 連接庫來存儲並顯示雷射光斑圖像；接著，計算機計算兩個光斑中心與設定的參考 中心位置的偏差量，再結合光路、光斑大小和電動調整架的驅動精度等參量計算出 電動鏡架需要調整的步數和方向；最後，計算機給電動鏡架的驅動器發出驅動指令 驅動鏡架，使雷射重新回到P1和P2兩個參考點上，從而使其後面的光束自動準直。LabView程序的光斑採集部分，需要調用動態連接庫來驅動圖像採集卡。調用 步驟如下在LabView的模塊對話框(Block Diagram)中選擇庫功能模塊(Call Library Function)，點擊此模塊的配置(Configure)選項，在彈出的對話框內設 置好庫名字(library name)和相關參數(parameter )，參數設置正確與否直接 影響圖像採集卡輸出圖像的質量。程序通過調用動態連接庫的不同功能函數可以設 置圖像的亮度、位數、飽和度、色度、緩衝大小等。經過一系列參數初始化後，調用圖像抓拍功能函數抓拍圖像到緩衝，再將緩存區的光斑圖像直接調入LabView的圖 形處理程序。也可以將圖像保存在指定目錄下，再從指定目錄下讀取光斑圖像，但 是這樣延緩處理時間。LabView程序的圖像計算處理部分包括去小光斑、闊值化、邊沿光滑、贗色圖顯示、光斑數計算、各個光斑中心坐標計算、中心坐標和基準坐標漂移量計算等。 在光斑採集中，光斑數應為2個，但由於CCD攝像頭測得的可能是其他地方的反射或 者光斑本身帶有小的雜散光斑而多於2個。因此在圖像處理程序中，首先需要去除圖 像中可能存在的小光斑；接著對採集到的雷射光斑進行閾值化處理，去除CCD攝像頭 及光斑本身噪聲的影響，閾值範圍可以手動調節以獲得最佳的光斑形狀；然後平滑 雷射光斑的ii緣，獲得一個邊沿光滑的光斑；最後精確計算出光斑幾何中心。計算 得到的兩個光斑中心坐標與設定的基準坐標相減便得到了兩個光斑中心坐標的漂移 值，再將中心坐標漂移值輸入波形顯示圖中，便能實時監測光斑中心坐標的飄動情 況。同時，將CCD攝像頭測得的光斑實時顯示在界面上，利用贗色圖來標記雷射光 斑，從而可以更加直觀地觀測雷射光斑模式。LabView程序的反饋控制部分，是通過控制驅動器來驅動壓電陶瓷電動鏡架 的Ml, M2實i見的。壓電陶瓷電動鏡架在標準微調情況下每一步的精度為30nm，鏡架 的長高均為54mm，所以鏡架的轉動精度接近於O. 5urad。在反饋控制前，先對驅動器各個接口的速度、加速度、運動模式等參數初始化並保存。在執行反饋控制時， LabView程序首先根據前面計算得到的光斑中心漂移量，再結合光路、光斑大小和電動鏡架的驅動精度等參量計算出電動鏡架需要調整的步數和方向；然後將其翻譯成 控制指令發送給驅動器；驅動器根據指令發送電信號驅動壓電陶瓷電動鏡架完成光 路調整，使得雷射重新回到P1和P2兩個參考點上，實現光束自動準直。需要說明的是，在光斑模式和光斑中心飄動的監測光路中，可以將CCD攝像頭 放在鏡架後面，通過測量鏡片透射的很弱的雷射來檢測，這種擺放不會影響系統光 路。如果雷射光斑比CCD攝像頭的有效探測面大，可以在CCD攝像頭前面加一正透鏡 聚焦縮束到CCD攝像頭上；同樣，如果雷射光斑太小則可以利用一負透鏡來擴束。上述雷射光斑實時監測與光路自動準直裝置的具體使用步驟如下所述(1) 按照上述要求搭好裝置，並編寫好監控程序。(2) 首先手動調整雷射光束l使其平行於光學平臺，並準確打到光學元件中心。
(3) 啟動電腦，打開軟體，觀察CCD攝像頭採集到的雷射光斑，微調第一分 束片9和第二分束片10，使得兩個光斑對稱地顯示在監測窗口中央。(4) 調節光斑處理的閾值範圍，獲得最佳的光斑形狀。(5) 根據需要設置和優化驅動器各個接口的速度、加速度、運動模式等參數。(6) 運行監控程序，開始實時監測雷射光斑和自動準直雷射光束。 本實用新型的準直基本原理是光路中引起光軸漂移的因素都可以歸結為光軸的失調，也就是說可以認為所有光學元件的同軸性很好，入射的光束髮生了角移和 平移。光軸的失調可以由兩塊反射鏡改變其傾角後得到糾正，即入射的光軸雖然發 生了角移和平移，但經過兩塊反射鏡後出射的光軸卻和理想的光軸重合。光路自動 準直系統一般將光斑採樣系統設在光路中相隔一定距離的兩個位置，依據"不重合 的兩點決定一條直線"的原理，來調整光路。與在先技術相比，本實用新型顯著地簡化了結構，提高了精度、速度和效率，具有以下顯著的特點(1) 本實用新型利用單個CCD攝像頭監測雷射光斑，利用高精度的壓電陶瓷電動鏡架替代在先技術的步進電機電動鏡架來調整偏移光路，並且編寫一套測量一計算一反饋控制的軟體來實時監測光斑和自動準直光路，監測光斑的頻率約10Hz， 反饋控制頻率約lHz，完全可以降低和消除抖動周期在1秒以上的光斑飄動。裝置 簡單，調節簡單，結構緊湊，並可以集成在一塊0.5m2的實驗平板上。而在先技術 結構複雜，不易小型化。(2) 本實用新型採用壓電陶瓷驅動鏡架，響應快，效率高，而且調整精度也 高。而在先技術採用步進電機驅動鏡架，響應慢，效率低，且調整精度亦不高。(3) 本實用新型的光斑監測頻率約lOHz，反饋控制頻率約lHz，完全可以降 低和消除抖動周期在一秒以上的光斑飄動，由於溫度，空氣擾動等影響是慢變化影 響，周期在1秒到20秒之間，因此本裝置能有效降低這些慢變化引起的光斑飄動。 而在先技術需要幾分鐘才能完成一次光路調整，對於抖動周期在分鐘以內的變化無 法完成調整。(4) 本實用新型採用最新的測量控制開發軟體LabView編寫，程序能實時監 測光斑模式和光斑中心漂移變化。而在先技術的監控程序不能實時監測光斑模式， 且程序界面不直觀。


圖1為本實用新型的雷射光斑實時監測與光路自動準直裝置示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新 型的保護範圍。先請參閱圖1，圖1為實施本實用新型方法的雷射光斑實時監測與光路自動準直裝置示意圖。由圖可見，本實用新型雷射光斑實時監測與自動準直裝置，特徵在於包括具有第一 45"全反鏡Ml的第一壓電陶瓷電動鏡架2和具有第二 45"全反鏡M2的第二壓電陶瓷電動鏡架3， 一驅動器4的輸出端分別連接所述的第一壓電陶瓷電動鏡架2和第二壓電陶瓷電動鏡架3的控制端，該驅動器4的輸入端連接計算機6控制輸出端， 一待準直的雷射光束1照射在所述的第一 45'全反鏡Ml上，在所述的第一 45"全反鏡Ml和第二 45"全反鏡M2的之間且靠近第二 45'全反鏡M2的光路上設有第一分束片9，在所述的第二45"全反鏡M2的反射光束方向設置第一全反射鏡(7)，在該第一全反射鏡7的反射光路上設置第二分束片10，該第二分束片10的反射光束方向有第二全反射鏡8，在第二全反射鏡8的反射光束和第一分束片9的反射光束的交叉位置有一 CCD攝像頭5，該CCD攝像頭5的輸出端與所述的計算機6的輸入端相連，所述的計算機6裝有圖像採集卡和監測控制程序。本實施例裝置是根據兩點確定一條直線基本原理來實現雷射光束的自動準直和穩定的。如圖1，第一 45"全反鏡Ml和第二 45'全反鏡M2為兩個調整點，需相隔一定距離，約lm左右。Pl和P2為兩個參考點,P1點位置通過M1來調節，P2點位置通過M2來調節。其中Pl點離M2鏡片非常近，因此可以近似認為它就在M2上。值得注意的是，在M1的調節過程中，也會影響P2點的坐標漂移，因此M2在驅動過程中還需要補償M1驅動的影響。Ml與Pl間距離為Ll、 M2和P2間距離為L2、 CCD攝像頭的象素大小、光斑大小、光斑測量與數據處理等都會影響系統的穩定精度。L1與L2越大、光斑越大和象素越多，則光斑穩定精度越高。本實施例的待準直的雷射光束1的重複頻率為lkHz，中心波長為800nm。第一壓電陶瓷電動鏡架2和第二壓電陶瓷電動鏡架3採用美國新焦點公司(New FocusInc.)生產的壓電陶瓷電動鏡架，驅動器4採用美國新焦點公司生產的iPico驅動器，CCD攝像頭5採用黑白CCD攝像頭，有效探測大小為7.95mmX6.45mm，單個象素大小為8.6umX8.3um，圖像採集卡採用大恆公司的CG410板卡。其中計算機6可以通過RS232串行線連接控制iPico驅動器4，也可以用網線接入網絡，通過網絡
來控制iPico驅動器4，具體連接控制方式參考公司開發手冊，根據需要選擇決定。 驅動器4通過四根RS485控制線連接控制第一壓電陶瓷電動鏡架2和第二壓電陶瓷 電動鏡架3的兩維方向。監測控制程序用LabView軟體來編程，程序的光斑採集部分調用大恆公司提供 的動態連接庫來驅動CG410圖像採集卡，各個參數的設置參考大恆公司開發手冊提 供的動態連接庫參數設置說明，經過一系列參數初始化後，調用圖像抓拍功能函數 抓拍圖像到緩衝，再將緩存區的光斑圖像直接調入LabView的圖形處理程序。在圖 像處理程序中，首先利用圖像模塊(vision)的去小光斑功能(remove small particles) 來去除圖像中可能存在的小光斑接著利用圖像模塊的閾值功能(IMAQ Threshold) 對採集到的撒光光斑進行閾值化處理；然後利用圖像模塊的形態功能(IMAQ Morphology)來平滑雷射光斑的邊緣，獲得一個邊沿光滑的光斑；最後利用圖像模 塊的光斑分析功能(IMAQ Particle Analysis)精確計算出光斑幾何中心。計算得到的 兩個光斑中心坐標與設定的基準坐標相減便得到了兩個光斑中心坐標的漂移值，再 將中心坐標溧移值輸入波形顯示圖中，便能實時監測光斑中心坐標的飄動情況，利 用贗色圖來標記雷射光斑從而可以更加直觀地觀測雷射光斑模式。反饋控制部分， 是通過控制ipico驅動器驅動壓電陶瓷電動鏡架實現的，先對驅動器各個接口的速 度、加速度、運動模式等參數初始化並保存，再根據甜面計算得到的光斑中心漂移 量等參量計算出電動鏡架需要調整的步數和方向；然後將其翻譯成MCL (Motion Control Language,具體指令語法參考New focus公司的開發手冊)指令並調用串 行通訊模塊(serial)將MCL指令發送給驅動器；驅動器根據MCL指令發送電信號 驅動壓電陶瓷電動鏡架完成光路調整。本實用新型裝置經試用表明光斑中心坐標的飄動呈現一定的準周期性，大的 起伏間隔時間在3秒左右，小的起伏間隔時間也在1秒以上，而一個反饋控制循環 的執行時間約為1秒，所以能夠使雷射光斑中心穩定在給定基準位置周圍很小的範 圍內，從而很好地穩定雷射光束指向，準直後雷射光束空間穩定性0.5urad，在實驗 考核中得到了滿意的結果。
權利要求1、一種雷射光斑實時監測與光路自動準直裝置，特徵在於包括裝有第一45°全反鏡(M1)的第一壓電陶瓷電動鏡架(2)和裝有第二45°全反鏡(M2)的第二壓電陶瓷電動鏡架(3)，一驅動器(4)的輸出端分別連接所述的第一壓電陶瓷電動鏡架(2)和第二壓電陶瓷電動鏡架(3)的控制端，該驅動器(4)的輸入端連接計算機(6)控制輸出端，一待準直的雷射光束(1)照射在所述的第一45°全反鏡(M1)上，在所述的第一45°全反鏡(M1)和第二45°全反鏡(M2)的之間且靠近第一45°全反鏡(M1)的光路上設有第一分束片(9)，在所述的第二45°全反鏡(M2)的反射光束方向設置第一全反射鏡(7)，在該第一全反射鏡(7)的反射光路上設置第二分束片(10)，該第二分束片(10)的反射光束方向有第二全反射鏡(8)，在第二全反射鏡(8)的反射光束和第一分束片(9)的反射光束的交叉位置有一CCD攝像頭(5)，該CCD攝像頭(5)的輸出端與所述的計算機(6)的輸入端相連，所述的計算機(6)裝有圖像採集卡和監測控制程序。
專利摘要一種雷射光斑實時監測與光路自動準直的裝置，該方法是利用單個CCD攝像頭採集雷射光斑，壓電陶瓷電動鏡架自動準直光路，利用計算機進行光斑處理和實時監控。本實用新型裝置監測光斑的頻率約10Hz，反饋控制頻率約1Hz，完全可以降低和消除抖動周期在1秒以上的光斑飄動，準直後的雷射空間穩定性＜0.5微弧度，本實用新型具有結構簡化、精度高、速度快和效率好的特點。
文檔編號G02B27/30GK201044014SQ20072006869
公開日2008年4月2日 申請日期2007年4月6日 優先權日2007年4月6日
發明者軍 劉, 鵬 劉, 尉鵬飛, 曾志男, 李儒新, 李小芳, 陳曉偉 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所