CN101059334A

CN101059334A - 激光自动准直系统

Info

Publication number: CN101059334A
Application number: CN 200710041062
Authority: CN
Inventors: 于海波; 梁晓燕; 冷雨欣; 杜鹃; 许毅; 何晋平
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: CN100470194C

Abstract

一种激光自动准直系统，包括入射光源，在该入射光源的主光路上依次放置置有第一反射镜的第一带压电陶瓷镜座、置有第二反射镜的第二带压电陶瓷镜座、固定反射镜一片、采样反射镜一片、会聚透镜一片，该系统还包括CCD探头、计算机、反馈控制电路。通过CCD探测光路偏移状况，经计算机数据处理后，驱动并控制带压电陶瓷镜座，使光路回归基准，达到自动操控的目的。本发明方案严格保证空间过两点有且只有一条直线原理的适用性，同时使工程实现更容易、准确。而且，方案中只对一个点采样，即可获得理想的准直光束输出，减小了光能损失和系统误差，同时降低了系统成本。

Description

激光自动准直系统

技术领域

本发明涉及光学控制装置，特别是一种激光自动准直系统。

背景技术

目前的激光自动准直系统(A.Stalmashonak，N.Zhavoronkov，I.V.Hertel，S.Vetrov and K.Schmid，“Spatial control offemtosecond laser system output with submicroradianaccuracy，”Applied Optics 45，1271-1274(2006))的结构如图1所示，主要包括电荷耦合器件(charged coupled device，以下称CCD)探头7、计算机8、反馈控制电路9、第一带压电陶瓷镜座2、第二带压电陶瓷镜座3、第一固定反射镜41、第二固定反射镜42、第一采样反射镜51、第二采样反射镜52、第一会聚透镜61、第二会聚透镜62。其测量原理为：空间过两点有且只有一条直线。其工作过程为：整个光路经过校准后，获得两个采样点(光线打在两片采样反射镜上的点)的光斑位置数据作为光路调整的两个基准点。入射光线经所述的第一带压电陶瓷镜座2反射到所述的第一采样反射镜51上，经第一会聚透镜61聚焦在CCD探头7上，获得第一采样点的光斑偏移信息；透过第一采样反射镜51的光线经第二带压电陶瓷镜座3和第一固定反射镜41打在第二采样反射镜52上，经第二固定反射镜42和第二会聚透镜62也聚焦在CCD探头7上，获得第二采样点的光斑偏移信息；这些偏移信息传递给计算机8，利用计算程序计算得到的校正信息，传递给反馈控制电路9，触发压电陶瓷伸缩，带动第一带压电陶瓷镜座2和第二带压电陶瓷镜座3转动，保证光通过第一采样点和第二采样点。其中，第一采样点和第二采样点的光斑偏移信息分别对应第一带压电陶瓷镜座2和第二带压电陶瓷镜座3的精确定量调整。但是，该装置中，第二带压电陶瓷镜座3在所述的两采样点之间，由于它的转动，会使得光线虽然通过第一采样点和第二采样点，但方向已不能保证一定与基准重合；如果保证一定与基准重合，那么第二带压电陶瓷镜座3将被严格限定围绕基准光线打在其上的参考点转动，这在工程实现上是非常困难的。同时，其采样点有2个，增大了光能损耗和系统误差，也增加了计算机控制时编程的难度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术在设计原理和工程实现上存在的缺点，提供一种激光自动准直系统，以适用于大能量激光系统和对光束稳定性有严格要求的实验系统。

本发明的准直原理为：空间过两点有且只有一条直线。模仿人工手动调节镜架准直光路的过程，考虑到镜架本身的结构特点，采用几何光学光线追迹的方法，首先在数学上推导出偏入射光线回归基准光路需要满足的严格方程组，如下：

\frac{Δy}{f} = \frac{y_{1}}{x_{0} - x_{1}}, \frac{Δz}{f} = \frac{z_{1}}{x_{0} - x_{1}}, y_{2} = y_{0}, z_{0} = 0

a_{1}^{2} + b_{1}^{2} + c_{1}^{2} = 1, a_{2}^{2} + b_{2}^{2} + c_{2}^{2} = 1

(z₁-z₂)b₂＝c₂(y₁-y₂)

a₁(x₁-x₀₁)+b₁(y₁-y₀₁)+c₁(z₁-z₀₁)＝0

a₂(x₂-x₀₂)+b₂(y₂-y₀₂)+c₂(z₂-z₀₂)＝0

a₁(y₁z₂-y₂z₁)+b₁(x₂z₁+x₀z₂-x₀z₁-x₁z₂)+c₁(x₀y₁-x₂y₁-x₀y₂+x₁y₂)＝0

a_{2} (x_{2} - x_{1}) + b_{2} (y_{2} - y_{1}) + c_{2} (z_{2} - z_{1}) = a_{2} \sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}}

\frac{a_{1} (x_{2} - x_{1}) + b_{1} (y_{2} - y_{1}) + c_{1} (z_{2} - z_{1})}{\sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}}} = - \frac{a_{1} (x_{1} - x_{0}) + b_{1} y_{1} + c_{1} z_{1}}{\sqrt{{(x_{1} - x_{0})}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2}}}

其中，(x₀，0，0)为光源点坐标，(0，y₀，0)为基准光线打在第二面带压电陶瓷镜座上点的坐标，Δy、Δz分别为CCD探测到的光线在水平和坚直方向上的偏离量，f为会聚透镜的焦距，(x₀₁，y₀₁，z₀₁)、(x₀₂，y₀₂，z₀₂)分别为第一，二面带压电陶瓷镜座上不动点坐标，以上各量均为已知量；(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)分别为第一、二面带压电陶瓷镜座精确调整后光线打在其上的点的坐标，(a₁，b₁，c₁)、(a₂，b₂，c₂)分别为第一、二面带压电陶瓷镜座精确调整后镜面的单位法矢，这12个量为未知量；对于上述方程组，其解析解不易得到，故采用数值解法：先消元，代入最后两个方程成为二元方程组，再根据探测到的偏离量估计出较准量所在区间，最后利用计算机数值解法，循环运算直到找到误差小于10^-12的解，并据此进一步计算出每块压电陶瓷的伸、缩及距离；通过反馈控制器，触发压电陶瓷伸缩，带动镜架转动，使光路准确回归。

基于本发明的准直原理，为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种激光自动准直系统，包括入射光源、CCD探头、计算机、反馈控制电路，其特点是：在所述的入射光源的主光路上依次放置：有第一反射镜的第一带压电陶瓷镜座、有第二反射镜的第二带压电陶瓷镜座、固定反射镜、采样反射镜、会聚透镜。

所述的第一带压电陶瓷镜座和第二带压电陶瓷镜座平行放置，未加电压时，由入射光源发出的光线入射到第一带压电陶瓷镜座的第一反射镜和第二带压电陶瓷镜座的第二反射镜的入射角均为45度；所述的固定反射镜和采样反射镜平行放置，由所述的第二带压电陶瓷镜座的第二反射镜反射的光线入射到所述的固定反射镜的入射角为45度，由所述的固定反射镜反射的光线入射到所述的采样反射镜的入射角为45度。

所述的会聚透镜垂直于所述的采样反射镜的反射光线且使光束通过会聚透镜的光心，所述的CCD探头的感光面与所述的会聚透镜的焦平面重合，所述的CCD探头的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的反馈控制电路的输入端相连，所述的反馈控制电路的两个输出端分别与所述的第一带压电陶瓷镜座的两个压电陶瓷驱动器相连，该反馈控制电路的另外两个输出端分别与所述的第二带压电陶瓷镜座的两个压电陶瓷驱动器相连，整个光路保持光线在同一水平面内。

所述的第一带压电陶瓷镜座和第二带压电陶瓷镜座的构成相同：包括一基板，第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器对称放置在该基板的两个顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器上的第一调节旋钮位于所述的基板的顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器上还设有第一压电陶瓷驱动导线，所述的第二压电陶瓷驱动器上的第二调节旋钮、第二压电陶瓷驱动导线与所述的第一调节旋钮、第一压电陶瓷驱动导线相对于所述的基板的对角线对称设置，所述的基板的第三顶角上还设有第三调节旋钮，所述的第三调节旋钮与基板的接触点是不动点。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)作为基准的两个点分别为主光路上打在固定反射镜上的点和采样点，而且这两个基准点之间无任何光学元器件，这样就保证了两点确定一条直线原理的适用性。

2)由于采样反射镜与固定反射镜平行安置，使得光线打在其上的两点所反映的偏移信息仅为倍数关系；又因为采样点较固定反射镜上的点到光源的光程更长，故可将两个基准点浓缩为采样点一点。这样，减少了光路上镜片数量，减小了主光路上的光能损失和本系统的系统误差，也降低了系统成本。

3)在数学推导过程中，充分考虑到了镜架的结构特点和工程实现的可行性，通过两个带压电陶瓷镜座的联动，使光路准确回归基准的过程一步到位。带压电陶瓷镜座的第二调节旋钮在镜架调整过程中始终保持不变。在数学推导时，充分考虑到了这一约束，避免了现有方案中为保证准直原理的适用性而不得不将带压电陶瓷镜座严格限定于围绕基准光线打在其上的参考点转动这一工程难题，使工程实现变得容易，同时也提高了调整的精度。

4)计算程序的设计思路简单。

5)本装置设计思路清晰、结构简单、精度高、操作简便、可移植性好，实用性很强，有很好的推广意义。

附图说明

图1为已知技术的激光自动准直系统结构示意图。

图2为本发明激光自动准直系统的结构示意图。

图3为本发明带压电陶瓷镜座的结构示意图。

图4是本发明计算程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图2，图2为本发明激光自动准直系统的结构示意图。该激光自动准直系统，包括入射光源1，在该入射光源1的主光路上依次放置：有第一反射镜21的第一带压电陶瓷镜座2、有第二反射镜31的第二带压电陶瓷镜座3、固定反射镜4、采样反射镜5、会聚透镜6，该系统还包括CCD探头7、计算机8、反馈控制电路9。安装时，以一束稳定性较好的激光水平入射做为基准光线，所述的第一带压电陶瓷镜座2和第二带压电陶瓷镜座3平行放置，未加电压时，由入射光源1发出的光线入射到第一带压电陶瓷镜座2的第一反射镜21和第二带压电陶瓷镜座3的第二反射镜31的入射角均为45度；所述的固定反射镜4和采样反射镜5平行放置，由所述的第二带压电陶瓷镜座3的第二反射镜31反射的光线入射到所述的固定反射镜4的入射角为45度，由所述的固定反射镜4反射的光线入射到所述的采样反射镜5的入射角为45度。所述的会聚透镜6垂直于所述的采样反射镜5的反射光线且使光束通过会聚透镜6的光心，所述的CCD探头7的感光面与所述的会聚透镜6的焦平面重合，所述的CCD探头7的数据线输出端与所述的计算机8的串行输入端相连，所述的计算机8的串行输出端与所述的反馈控制电路9的输入端相连，所述的反馈控制电路9的两个输出端分别与所述的第一带压电陶瓷镜座2的两个压电陶瓷驱动器相连，该反馈控制电路9的另外两个输出端分别与所述的第二带压电陶瓷镜座3的两个压电陶瓷驱动器相连，整个光路保持光线在同一水平面内，以获得基准光线。这样安装主要是为了降低编制计算程序的难度。

安装完成后，从入射光源1发出的光经第一带压电陶瓷镜座2、第二带压电陶瓷镜座3入射到固定反射镜4上射出，这部分光路称为主光路。采样反射镜5被安装在主光路的出射光路上，且与固定反射镜4平行，将出射光线偏移距离和偏移方向信息经会聚透镜6投影到CCD探头7上，这些信息再传递给计算机8，经计算得到的校正数据结果传送给反馈控制电路9，触发两个带压电陶瓷镜座的联动，使光线回归基准主光路。

图3为本发明带压电陶瓷镜座的结构示意图。请参阅图3。所述的第一带压电陶瓷镜座2和第二带压电陶瓷镜座3的构成相同：包括一基板14，第一压电陶瓷驱动器101、第二压电陶瓷驱动器102对称放置在该基板14的两个顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器101上的第一调节旋钮111位于所述的基板14的顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器101上还设有第一压电陶瓷驱动导线121，所述的第二压电陶瓷驱动器102上的第二调节旋钮112、第二压电陶瓷驱动导线122与所述的第一调节旋钮111、第一压电陶瓷驱动导线121相对于所述的基板14的对角线对称设置，所述的基板14的第三顶角上还设有第三调节旋钮13，该第三调节旋钮13与基板14的接触点是不动点。

在数学推导过程中，充分考虑到了镜架的结构特点和工程实现的可行性，通过两个带压电陶瓷镜座的联动，使光路准确回归基准的过程一步到位。镜架的装置如图3所示。在镜架调整的过程中，压电陶瓷驱动器的伸缩会导致其上的调节旋钮与基板14的接触点发生改变；左下角的第三调节旋钮13，在镜架调整过程中始终保持不变，因而该第三调节旋钮13与基板14的接触点是镜架调整过程中必然存在且唯一的不动点。在数学推导时，充分考虑到了这一约束，避免了现有技术中为保证准直原理的适用性而不得不将第一带压电陶瓷镜座2、第二带压电陶瓷镜座3严格限定于围绕基准光线打在其上的参考点转动这一工程难题，使工程实现变得容易，同时也提高了调整的精度。

图4是本发明计算程序的流程图。首先，载入采样点的基准数据，探测偏离信息；若该偏离信息与基准数据相同，则继续探测偏离信息，若该偏离信息与基准数据不同，则计算每块压电陶瓷伸缩量；从计算机串口输出该压电陶瓷伸缩量到反馈控制电路；最后确认是否结束，若是，则程序结束，若否，则重新载入采样点的基准数据进行校准。

本发明激光自动准直系统，是一种用于激光光路的自动准直控制装置，通过CCD探测光路偏移状况，经计算机数据处理后，驱动并控制带压电陶瓷镜座，使光路回归基准，达到自动操控的目的。本发明方案严格保证空间过两点有且只有一条直线原理的适用性，同时使工程实现更容易、准确。而且，方案中只对一个点采样，即可获得理想的准直光束输出，减小了光能损失和系统误差，同时降低了系统成本。

Claims

1、一种激光自动准直系统，包括入射光源(1)、CCD探头(7)、计算机(8)、反馈控制电路(9)，其特征在于：在所述的入射光源(1)的主光路上依次放置：有第一反射镜(21)的第一带压电陶瓷镜座(2)、有第二反射镜(31)的第二带压电陶瓷镜座(3)、固定反射镜(4)、采样反射镜(5)、会聚透镜(6)；

所述的第一带压电陶瓷镜座(2)和第二带压电陶瓷镜座(3)平行放置，未加电压时，由入射光源(1)发出的光线入射到第一带压电陶瓷镜座(2)的第一反射镜(21)和第二带压电陶瓷镜座(3)的第二反射镜(31)的入射角均为45度；所述的固定反射镜(4)和采样反射镜(5)平行放置，由所述的第二带压电陶瓷镜座(3)的第二反射镜(31)反射的光线入射到所述的固定反射镜(4)的入射角为45度，由所述的固定反射镜(4)反射的光线入射到所述的采样反射镜(5)的入射角为45度；

所述的会聚透镜(6)垂直于所述的采样反射镜(5)的反射光线且使光束通过该会聚透镜(6)的光心，所述的CCD探头(7)的感光面与所述的会聚透镜(6)的焦平面重合，所述的CCD探头(7)的输出端与所述的计算机(8)的输入端相连，所述的计算机(8)的输出端与所述的反馈控制电路(9)的输入端相连，所述的反馈控制电路(9)的两个输出端分别与所述的第一带压电陶瓷镜座(2)的两个压电陶瓷驱动器相连，该反馈控制电路(9)的另外两个输出端分别与所述的第二带压电陶瓷镜座(3)的两个压电陶瓷驱动器相连，整个光路保持光线在同一水平面内。

2、根据权利要求1所述的激光自动准直系统，其特征在于所述的第一带压电陶瓷镜座(2)和第二带压电陶瓷镜座(3)的构成相同：包括一基板(14)，第一压电陶瓷驱动器(101)和第二压电陶瓷驱动器(102)对称放置在该基板(14)的两个顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器(101)上的第一调节旋钮(111)位于所述的基板(14)的顶角位置上，所述的第一压电陶瓷驱动器(101)上还设有第一压电陶瓷驱动导线(121)，所述的第二压电陶瓷驱动器(102)上的第二调节旋钮(112)、第二压电陶瓷驱动导线(122)与所述的第一调节旋钮(111)、第一压电陶瓷驱动导线(121)相对于所述的基板(14)的对角线对称设置，所述的基板(14)的第三顶角上还设有第三调节旋钮(13)，所述的第三调节旋钮(13)与基板(14)的接触点是不动点。