三点式动态激光准直系统技术方案

本发明专利技术的三点式动态激光准直系统属于激光光腔准直技术领域以及激光主动减振技术领域，该激光准直系统以三组对称安装的压电陶瓷作为准直系统的驱动元件，以光学调整镜作为光路调整元件，通过实时检测位置传感器返回的光路信息，高速动态调整压电陶瓷，利用光学调整镜补偿光路偏差，实现准直系统的闭环调整，从而使激光光束保持高速动态准直，进而提高光束质量。本发明专利技术的有益效果是：系统重量轻，结构简单，安装方便，调节范围大，响应速度快，系统线性度好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光光腔准直
和激光主动减振
，尤其涉及一种高速动态 激光准直系统。技术背景现有的激光动态准直系统是采用四象限探测器(QPD)检测光路的失调信息，并采用四 组(或两组)压电陶瓷驱动光学调整镜，从而达到对激光光束的准直。以四组压电陶瓷的动 态准直系统为例，即两组调整水平方向的压电陶瓷，两组调整垂直方向的压电陶瓷，其工作 原理是，半导体激光器发出激光，激光经过准直扩束器后变成平行光，光束经调整镜后按原 路返回，通过分束器使光束转向后照射到四象限探测器(QPD)， QPD检测光路的失调信息 并传入CPU进行数据处理，利用控制算法计算出驱动压电陶瓷的电压值，通过高精度纳米微 位移驱动器驱动压电陶瓷，从而带动调整镜转动，调整震动光路直到光束回到理想状态，实 现准直系统的闭环动态调整。当调整方向的压电陶瓷为两组时，即调整水平方向和调整垂直 方向的压电陶瓷各为一组，需要增加二维倾斜铰链，使得调整时一端固定， 一端驱动从而实 现动态调整。现有的激光动态准直系统的缺点是采用四组压电陶瓷驱动时，因对四组压电陶瓷的对 称性要求高，且安装困难；当调整镜任意角度放置时，很容易使其中的一组不受力(或处于悬 空状态)，从而使压电陶瓷驱动系统相互耦合，其动态特性很差；该系统的检测范围小，且检 测出的失调信号为非线性。采用两组压电陶瓷时，因需要二维倾斜铰链，因此体积大，重量 大，系统加工装调困难；受铰链(弹性机构)的影响，调节范围和系统的响应速度互相制约， 系统的自由度少，调整与检测范围小，且检测出的失调信号为非线性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三点式动态激光准直系统，其具有系统重量轻、结构简单、安 装方便、调节范围大、响应速度快、系统线性度好的优点。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下三点式动态激光准直系统，主要由激光器1、扩束器2、偏振分束器(Polarizing Beam Splitter; PBS) 3、反光镜4、聚焦物镜5、 PSD与信号处理电路6、三维微驱动器7、三 维微位移传感器8、 A/D采集电路9、计算机系统IO、 D/A转换电路11和三路高压驱动 电路12组成，激光器l发射激光信号，激光信号经过扩束器2和偏振分束器3整形后入 射到反光镜4上，反光镜4的反射光经过聚焦物镜5照射到位置敏感传感器PSD的光敏面上，反射光经过PSD与信号处理电路6处理后得到与激光光束在PSD上的相对位置相 关的电信号，该电信号通过A/D采集电路9转换后传输到计算机系统10;反光镜4上的 三维微驱动器7的三组压电陶瓷上安装的三维微位移传感器8输出三路与压电陶瓷的形 变成比例的电信号，该电信号通过A/D采集电路9转换后传输到计算机系统10;两路电 信号经过计算机系统10处理后输出给D/A转换电路11， D/A转换电路11将其转换为模 拟电信号，该模拟电信号经过三路高压驱动电路12的放大后，驱动三维微驱动器7的三 组压电陶瓷，从而调整反光镜4的倾斜角。本专利技术的有益效果是利用位置检测元件PSD和三组压电陶瓷微位移驱动装置实现 准直系统的闭环检测控制和解耦控制，具有结构简单、安装方便、系统重量轻、调节范 围大、响应速度快、系统线性度好、精度高等优点。 附图说明图1是本专利技术的三点式动态激光准直系统的结构框图。图2是本专利技术的三点式动态激光准直系统的原理图。图3是本专利技术的三点式动态准直结构示意图。图4是本专利技术的三点式动态激光准直系统的驱动模型图。图5是本专利技术的三点式动态激光准直系统的解耦控制结构示意图。图6是本专利技术的三路压电陶瓷耦合仿真结果的曲线图。图7是本专利技术的解耦后三路压电陶瓷仿真结果的曲线图。图8是本专利技术的反光镜任意角度偏转时光束轨迹的示意图。图中1、激光器，2、扩束器，3、 PBS， 4、反光镜，5、聚焦物镜，6、 PSD与信 号处理电路，7、三维微驱动器，8、三维微位移传感器，9、 A/D采集电路，10、计算机 系统，U、 D/A转换电路，12、三路高压驱动电路，13、准直装置，14、激光器，15、 光学调整镜，16、压电陶瓷，17、分束器，18、扩束器，19、位置敏感传感器，20、聚 焦透镜，21、数字信号处理器，22、激光光束，23、光学调整镜。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细地描述三点式动态激光准直系统是一个高精度高速实时处理系统，该系统的结构组成如图l所示。当激光器1发出的激光经过扩束器2、偏振分束器3整形后入射到反光镜4上， 其反射光经过聚焦物镜5后照射到位置敏感传感器(Position Sensitive Detector; PSD) 的光敏面上，经过光电转换和信号处理电路6得到与激光光束在PSD上的相对位置相关 的电信号，通过A/D采集电路9转换后传输到计算机系统10;同时，三维微驱动器7的三组压电陶瓷上安装的三维微位移传感器8输出三路与压电陶瓷的形变成比例的电信 号，经过A/D采集电路9转换后传输到计算机系统10。这些输入信号经过计算机系统10 处理后，根据控制算法得到输出值，经过D/A转换电路11转换后，经过三路高压驱动电 路12放大后驱动三维微驱动器7的三组压电陶瓷，从而调整反光镜4的倾斜角，实现光 束准直的目的。三点式动态准直装置采用PSD检测大范围光路的失调信息，并采用三组压电陶瓷驱 动光学调整镜从而达到对激光光束的准直。为保证准直装置能实时准确的反映激光器光 束的失调信息，需要使准直系统的检测光束与激光器的工作光束共光路，这样才能准确 补偿由震动造成的光路偏差。如图2所示，其为三点式动态激光准直系统的原理图。准直装置13的内部包含辅助 半导体激光器和检测控制装置，光学调整镜15由三个压电陶瓷16固定。工作时，半导 体激光器14发出准直光，通过扩束器18后变成平行光，光束经调整镜15后按原路返回， 通过分束器17使光束转向，经聚焦透镜20后照射到位置敏感传感器(PSD) 19， PSD 检测光路的失调信息并传入数字信号处理器(Digital Signal Processor; DSP)21进行数据处 理，利用控制算法计算出驱动压电陶瓷的电压值，通过高精度纳米微位移驱动器驱动压 电陶瓷，从而带动调整镜15转动，调整震动光路直到光束回到理想状态，实现准直系统 的闭环高速动态调整。准直系统的精度主要取决于光电检测的精度，为此本系统选用高性能PSD作为光电 转换元件。PSD将光电流转换成电压，控制压电晶体的伸缩以达到闭环反馈控制。为了 获得高精度的激光检测精度，该电路要求能够直接检测纳米级微位移精度，因此，在电 路设计上、电器元件的选用上以及具体制作上都应充分满足灵敏度高、稳定性好、抗干 扰性强等要求；同时，要求该信号处理电路能够快速实现闭环反馈。所以，电路的信号 处理频率响应要宽、动态响应要快。PSD传感器的输出信号比较微弱，所以信号的检测要经过放大器，以增大信号幅值， 适应进一步处理的要求。为了保证信号检测的精度、响应速度等要求，放大器应具有高 增益、高稳定度、宽通带、低零漂和低噪声等性能。采用运算放大器可以直接将PSD接 收的光电流信号转换成电压信号，即将光点位移的变化转换为差动电压A^， A^输出， 再经积分、放大处理直接输入高稳定性功率放大器，将输出电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
三点式动态激光准直系统，其特征在于，该准直系统主要由激光器（１）、扩束器（２）、偏振分束器（３）、反光镜（４）、聚焦物镜（５）、ＰＳＤ与信号处理电路（６）、三维微驱动器（７）、三维微位移传感器（８）、Ａ／Ｄ采集电路（９）、计算机系统（１０）、Ｄ／Ａ转换电路（１１）和三路高压驱动电路（１２）组成，激光器（１）发射激光信号，激光信号经过扩束器（２）和偏振分束器（３）整形后入射到反光镜（４）上，反光镜（４）的反射光经过聚焦物镜（５）照射到位置敏感传感器ＰＳＤ的光敏面上，反射光经过ＰＳＤ与信号处理电路（６）处理后得到与激光光束在ＰＳＤ上的相对位置相关的电信号，该电信号通过Ａ／Ｄ采集电路（９）转换后传输到计算机系统（１０）；反光镜（４）上的三维微驱动器（７）的三组压电陶瓷上安装的三维微位移传感器（８）输出三路与压电陶瓷的形变成比例的电信号，该电信号通过Ａ／Ｄ采集电路（９）转换后传输到计算机系统（１０）；两路电信号经过计算机系统（１０）处理后输出给Ｄ／Ａ转换电路（１１），Ｄ／Ａ转换电路（１１）将其转换为模拟电信号，该模拟电信号经过三路高压驱动电路（１２）的放大后，驱动三维微驱动器（７）的三组压电陶瓷，从而调整反光镜（４）的倾斜角。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊木地，贾思楠，何颖秋，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]