三點式動態雷射準直系統的製作方法

2023-11-02 23:12:52

專利名稱：三點式動態雷射準直系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射光腔準直技術領域和雷射主動減振技術領域，尤其涉及一種高速動態 雷射準直系統。
技術背景現有的雷射動態準直系統是採用四象限探測器(QPD)檢測光路的失調信息，並採用四 組(或兩組)壓電陶瓷驅動光學調整鏡，從而達到對雷射光束的準直。以四組壓電陶瓷的動 態準直系統為例，即兩組調整水平方向的壓電陶瓷，兩組調整垂直方向的壓電陶瓷，其工作 原理是，半導體雷射器發出雷射，雷射經過準直擴束器後變成平行光，光束經調整鏡後按原 路返回，通過分束器使光束轉向後照射到四象限探測器(QPD)， QPD檢測光路的失調信息 並傳入CPU進行數據處理，利用控制算法計算出驅動壓電陶瓷的電壓值，通過高精度納米微 位移驅動器驅動壓電陶瓷，從而帶動調整鏡轉動，調整震動光路直到光束回到理想狀態，實 現準直系統的閉環動態調整。當調整方向的壓電陶瓷為兩組時，即調整水平方向和調整垂直 方向的壓電陶瓷各為一組，需要增加二維傾斜鉸鏈，使得調整時一端固定， 一端驅動從而實 現動態調整。現有的雷射動態準直系統的缺點是採用四組壓電陶瓷驅動時，因對四組壓電陶瓷的對 稱性要求高，且安裝困難；當調整鏡任意角度放置時，很容易使其中的一組不受力(或處於懸 空狀態)，從而使壓電陶瓷驅動系統相互耦合，其動態特性很差；該系統的檢測範圍小，且檢 測出的失調信號為非線性。採用兩組壓電陶瓷時，因需要二維傾斜鉸鏈，因此體積大，重量 大，系統加工裝調困難；受鉸鏈(彈性機構)的影響，調節範圍和系統的響應速度互相制約， 系統的自由度少，調整與檢測範圍小，且檢測出的失調信號為非線性。 發明內容本發明的目的是提供一種三點式動態雷射準直系統，其具有系統重量輕、結構簡單、安 裝方便、調節範圍大、響應速度快、系統線性度好的優點。 為了達到上述目的，本發明的技術方案如下三點式動態雷射準直系統，主要由雷射器1、擴束器2、偏振分束器(Polarizing Beam Splitter; PBS) 3、反光鏡4、聚焦物鏡5、 PSD與信號處理電路6、三維微驅動器7、三 維微位移傳感器8、 A/D採集電路9、計算機系統IO、 D/A轉換電路11和三路高壓驅動 電路12組成，雷射器l發射雷射信號，雷射信號經過擴束器2和偏振分束器3整形後入 射到反光鏡4上，反光鏡4的反射光經過聚焦物鏡5照射到位置敏感傳感器PSD的光敏
面上，反射光經過PSD與信號處理電路6處理後得到與雷射光束在PSD上的相對位置相 關的電信號，該電信號通過A/D採集電路9轉換後傳輸到計算機系統10;反光鏡4上的 三維微驅動器7的三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器8輸出三路與壓電陶瓷的形 變成比例的電信號，該電信號通過A/D採集電路9轉換後傳輸到計算機系統10;兩路電 信號經過計算機系統10處理後輸出給D/A轉換電路11， D/A轉換電路11將其轉換為模 擬電信號，該模擬電信號經過三路高壓驅動電路12的放大後，驅動三維微驅動器7的三 組壓電陶瓷，從而調整反光鏡4的傾斜角。本發明的有益效果是利用位置檢測元件PSD和三組壓電陶瓷微位移驅動裝置實現 準直系統的閉環檢測控制和解耦控制，具有結構簡單、安裝方便、系統重量輕、調節範 圍大、響應速度快、系統線性度好、精度高等優點。


圖1是本發明的三點式動態雷射準直系統的結構框圖。圖2是本發明的三點式動態雷射準直系統的原理圖。圖3是本發明的三點式動態準直結構示意圖。圖4是本發明的三點式動態雷射準直系統的驅動模型圖。圖5是本發明的三點式動態雷射準直系統的解耦控制結構示意圖。圖6是本發明的三路壓電陶瓷耦合仿真結果的曲線圖。圖7是本發明的解耦後三路壓電陶瓷仿真結果的曲線圖。圖8是本發明的反光鏡任意角度偏轉時光束軌跡的示意圖。圖中1、雷射器，2、擴束器，3、 PBS， 4、反光鏡，5、聚焦物鏡，6、 PSD與信 號處理電路，7、三維微驅動器，8、三維微位移傳感器，9、 A/D採集電路，10、計算機 系統，U、 D/A轉換電路，12、三路高壓驅動電路，13、準直裝置，14、雷射器，15、 光學調整鏡，16、壓電陶瓷，17、分束器，18、擴束器，19、位置敏感傳感器，20、聚 焦透鏡，21、數位訊號處理器，22、雷射光束，23、光學調整鏡。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細地描述三點式動態雷射準直系統是一個高精度高速實時處理系統，該系統的結構組成如圖l所示。當雷射器1發出的雷射經過擴束器2、偏振分束器3整形後入射到反光鏡4上， 其反射光經過聚焦物鏡5後照射到位置敏感傳感器(Position Sensitive Detector; PSD) 的光敏面上，經過光電轉換和信號處理電路6得到與雷射光束在PSD上的相對位置相關 的電信號，通過A/D採集電路9轉換後傳輸到計算機系統10;同時，三維微驅動器7的
三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器8輸出三路與壓電陶瓷的形變成比例的電信 號，經過A/D採集電路9轉換後傳輸到計算機系統10。這些輸入信號經過計算機系統10 處理後，根據控制算法得到輸出值，經過D/A轉換電路11轉換後，經過三路高壓驅動電 路12放大後驅動三維微驅動器7的三組壓電陶瓷，從而調整反光鏡4的傾斜角，實現光 束準直的目的。三點式動態準直裝置採用PSD檢測大範圍光路的失調信息，並採用三組壓電陶瓷驅 動光學調整鏡從而達到對雷射光束的準直。為保證準直裝置能實時準確的反映雷射器光 束的失調信息，需要使準直系統的檢測光束與雷射器的工作光束共光路，這樣才能準確 補償由震動造成的光路偏差。如圖2所示，其為三點式動態雷射準直系統的原理圖。準直裝置13的內部包含輔助 半導體雷射器和檢測控制裝置，光學調整鏡15由三個壓電陶瓷16固定。工作時，半導 體雷射器14發出準直光，通過擴束器18後變成平行光，光束經調整鏡15後按原路返回， 通過分束器17使光束轉向，經聚焦透鏡20後照射到位置敏感傳感器(PSD) 19， PSD 檢測光路的失調信息並傳入數位訊號處理器(Digital Signal Processor; DSP)21進行數據處 理，利用控制算法計算出驅動壓電陶瓷的電壓值，通過高精度納米微位移驅動器驅動壓 電陶瓷，從而帶動調整鏡15轉動，調整震動光路直到光束回到理想狀態，實現準直系統 的閉環高速動態調整。準直系統的精度主要取決於光電檢測的精度，為此本系統選用高性能PSD作為光電 轉換元件。PSD將光電流轉換成電壓，控制壓電晶體的伸縮以達到閉環反饋控制。為了 獲得高精度的雷射檢測精度，該電路要求能夠直接檢測納米級微位移精度，因此，在電 路設計上、電器元件的選用上以及具體製作上都應充分滿足靈敏度高、穩定性好、抗幹 擾性強等要求；同時，要求該信號處理電路能夠快速實現閉環反饋。所以，電路的信號 處理頻率響應要寬、動態響應要快。PSD傳感器的輸出信號比較微弱，所以信號的檢測要經過放大器，以增大信號幅值， 適應進一步處理的要求。為了保證信號檢測的精度、響應速度等要求，放大器應具有高 增益、高穩定度、寬通帶、低零漂和低噪聲等性能。採用運算放大器可以直接將PSD接 收的光電流信號轉換成電壓信號，即將光點位移的變化轉換為差動電壓A^， A^輸出， 再經積分、放大處理直接輸入高穩定性功率放大器，將輸出電壓放大到土150V範圍內， 可以直接驅動微位移器件的伸縮，實現閉環反饋。如圖3所示，其為三點式動態準直結構示意圖。在反光鏡的基座上選取對稱的三點 A、 B、 C作為安裝壓電陶瓷及其微位移機構的位置，壓電陶瓷的微位移機構上已經安裝 相應的應變式位移傳感器用來返回壓電陶瓷的位置信息。三組壓電陶瓷獨立控制，構成 三個控制迴路。由此可以看出，任何一個迴路發生變化都會對另外兩個迴路產生影響， 因此三迴路之間相互耦合。由於耦合的存在會明顯降低控制系統的調節品質，在耦合嚴 重的情況下會使系統無法正常運行，同時，由於壓電陶瓷安裝的不對稱性、垂直放置時 的受力不均勻性及周圍環境的改變會使其工作狀態發生改變，因此，本發明利用下面的控 制算法實現三點式動態雷射準直系統的解耦控制。為了保證準直系統的穩定和響應速度，所採用的解耦控制算法需要動態逐場求出三 組壓電陶瓷各控制迴路的耦合關係，將壓電陶瓷位移信息納入耦合關係，獨立於坐標系， 解耦後，各控制迴路能相互獨立，按各自獨立的控制算法驅動壓電陶瓷，以實現動態實 時準直。具體步驟如下第一步建立解耦控制模型根據三點式動態準直結構建立如圖4所示的準直系統驅動模型，其中，A、 B、 C三 點為三組對稱安裝的壓電陶瓷。為求出控制系統的數學模型，建立如圖4所示的坐標系， 其相應的坐標為A(Xi,ybZ!)、 B(x2,y2，z2)、 C(x3，y3,z3)。在平面鏡的X和Y方向的傾角麼、 A及中心的垂直高度^可表示為風formula see original document page 6(1)formula see original document page 6(2)formula see original document page 6(3)式中，g為壓電陶瓷的位移平均值。第二步耦合傳遞矩陣的動態求解壓電陶瓷的動態調整是由驅動電壓控制，因此該解耦控制系統的操作變量為分別控制三個壓電陶瓷的電壓C、F2、K，而被控制變量則是反光鏡的調整角度A、 A和A。由式(l)、 (2)、 (3)可得A、 A和^與壓電陶瓷各點位移變化量之間的關係可描述為formula see original document page 6(4)由於三個壓電陶瓷之間的不對稱性及受力的不均勻性導致耦合傳遞關係是變化的， 本發明用動態法求解該函數，實現準直系統的動態自動校準。設壓電陶瓷的位移量與操 分別給三個壓電陶瓷電壓增量，例如對壓電陶瓷A，給定增量為AVi，這時由位移傳感器返回的壓電陶瓷的位移變化量為△Z， AZ， AZ,分析系統結構可知一 AZ' 力'一AZ2 ,人1 一，/31△Z3(7)同樣，對壓電陶瓷B、 C，可求出其矩陣係數f 乂 力2一A^ ，力2 =AZ3' △F2(8)一AZ," 7" 一碼，AZ2" ;_ Ar3 ,/33 =△Z3"(9)三個調節器各自的傳遞函數分別為^(S)、屍2(5)、 g(S)，則操作變量^與壓電陶瓷的位移變化量之間的關係矩陣F(S)為—yiA(s) /12屍2(5) 3(5)—/21屍,(5) /22戶2(5) /23屍3(5)/m屍!(S)/32屍2(5)12 ai3 ^21 fl22 "23 "31 "32 "337hA(s) /12屍2(5) /13Jp3(s)-/^(S) /22屍2(S) /23/>3(S) /31柳/32柳/3 )G12(S) G'3(S)' G21(S) G22(S) G23(S) G31(S) G32(S) G33(S)(11)即卞r=g(s)-a(12)AZ3作變量「有如下關係:相應的增量矩陣形式為:2 乂3 2 力3(5)2(6)/力,
這樣，便可由式(5)、 (6)、 (7)及(11)動態求出耦合傳遞矩陣，以便實現準直系統的自動校準。 第三步解耦矩陣求解本系統為三輸入三輸出系統，三個壓電陶瓷構成三個控制迴路，且三個迴路之間相互耦 合，通過解耦控制可以較好的實現控制量耦合的問題。假如對象要求完全解耦，則解耦系統的目標矩陣需要取一個對角陣，即令耦合支路的傳 遞函數為零，並保留各個控制通道的傳遞函數，即將目標矩陣取對角陣GA(S)為、)0 00 G"(力 0 (13)GA(S)則解耦的網絡矩陣D(S)為0 00G33W(14)D(S)=G(S)—'Ga(S)其中，G(S)—'為矩陣G(S)的逆矩陣。解耦控制的結構如圖5所示，解耦網絡串聯到控制網絡與耦合對象之間，這裡用複線箭 頭表示多變量的輸入與輸出。其中，w(s)為操作變量，e(S)為被控制變量，P65)為調節器傳遞函數。該解耦網絡是放在控制系統的順向通道中間，所以，當耦合影響還沒有反映出來 時，就開始了解耦的校正作用，因此具有動態偏差小，響應速度快，過渡時間短等優點，解 耦的實際效果好。根據壓電元件的特性可以將調節器傳遞函數^S)等效為一個典型的二階振蕩環節順=~^——^- (15)其中，^為限流電阻加上壓電元件損耗電阻後總的電阻值；。p為壓電元件的等效電容；、為 壓電元件的等效電感，其值與元件的質量、剛度和等效電容值都有關。 第四步驅動壓電陶瓷當測出光束失調信號後，根據以上公式，對系統的解耦，分別得到三組壓電陶瓷的控制 電壓，並分別對其控制。圖6、圖7分別顯示出該系統解耦前後三迴路每間隔ls的階躍響應 曲線，從圖中可以明顯看出解耦前三條迴路之間相互影響嚴重，系統無法控制；解耦後每 條迴路具有獨立的階躍響應，達到了理論上獨立控制的效果，實現了耦合系統的完全解耦。本發明的三點式動態雷射準直系統通過驅動三個壓電陶瓷實現光束動態準直，具有六自 由度，可實現光束任意角度的偏轉和掃描。採用該系統研製的氧碘化學雷射器光腔自準直系統的角度分辨力可優於0.2urad，重複精度可達1 n rad,工作範圍可達10mrad。圖7為反光 鏡任意角度快速偏轉的光束軌跡。實驗表明，該系統在準直範圍可達4mrad，精度為5urad 的條件下，響應速度優於20Hz。
權利要求
1、三點式動態雷射準直系統，其特徵在於，該準直系統主要由雷射器(1)、擴束器(2)、偏振分束器(3)、反光鏡(4)、聚焦物鏡(5)、PSD與信號處理電路(6)、三維微驅動器(7)、三維微位移傳感器(8)、A/D採集電路(9)、計算機系統(10)、D/A轉換電路(11)和三路高壓驅動電路(12)組成，雷射器(1)發射雷射信號，雷射信號經過擴束器(2)和偏振分束器(3)整形後入射到反光鏡(4)上，反光鏡(4)的反射光經過聚焦物鏡(5)照射到位置敏感傳感器PSD的光敏面上，反射光經過PSD與信號處理電路(6)處理後得到與雷射光束在PSD上的相對位置相關的電信號，該電信號通過A/D採集電路(9)轉換後傳輸到計算機系統(10)；反光鏡(4)上的三維微驅動器(7)的三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器(8)輸出三路與壓電陶瓷的形變成比例的電信號，該電信號通過A/D採集電路(9)轉換後傳輸到計算機系統(10)；兩路電信號經過計算機系統(10)處理後輸出給D/A轉換電路(11)，D/A轉換電路(11)將其轉換為模擬電信號，該模擬電信號經過三路高壓驅動電路(12)的放大後，驅動三維微驅動器(7)的三組壓電陶瓷，從而調整反光鏡(4)的傾斜角。
全文摘要
本發明的三點式動態雷射準直系統屬於雷射光腔準直技術領域以及雷射主動減振技術領域，該雷射準直系統以三組對稱安裝的壓電陶瓷作為準直系統的驅動元件，以光學調整鏡作為光路調整元件，通過實時檢測位置傳感器返回的光路信息，高速動態調整壓電陶瓷，利用光學調整鏡補償光路偏差，實現準直系統的閉環調整，從而使雷射光束保持高速動態準直，進而提高光束質量。本發明的有益效果是系統重量輕，結構簡單，安裝方便，調節範圍大，響應速度快，系統線性度好。
文檔編號G02B27/30GK101158752SQ200710157919
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者何穎秋, 熊木地, 賈思楠 申請人:大連海事大學