CN101158752A - 三点式动态激光准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

三点式动态激光准直系统

技术领域

本发明涉及激光光腔准直技术领域和激光主动减振技术领域，尤其涉及一种高速动态激光准直系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明的技术方案如下：

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 BeamSplitter；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。

本发明的有益效果是：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是本发明的三点式动态激光准直系统的结构框图。

图2是本发明的三点式动态激光准直系统的原理图。

图3是本发明的三点式动态准直结构示意图。

图4是本发明的三点式动态激光准直系统的驱动模型图。

图5是本发明的三点式动态激光准直系统的解耦控制结构示意图。

图6是本发明的三路压电陶瓷耦合仿真结果的曲线图。

图7是本发明的解耦后三路压电陶瓷仿真结果的曲线图。

图8是本发明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，11、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

下面结合附图对本发明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1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ΔV_x，ΔV_y输出，再经积分、放大处理直接输入高稳定性功率放大器，将输出电压放大到±150V范围内，可以直接驱动微位移器件的伸缩，实现闭环反馈。

如图3所示，其为三点式动态准直结构示意图。在反光镜的基座上选取对称的三点A、B、C作为安装压电陶瓷及其微位移机构的位置，压电陶瓷的微位移机构上已经安装相应的应变式位移传感器用来返回压电陶瓷的位置信息。三组压电陶瓷独立控制，构成三个控制回路。由此可以看出，任何一个回路发生变化都会对另外两个回路产生影响，因此三回路之间相互耦合。由于耦合的存在会明显降低控制系统的调节品质，在耦合严重的情况下会使系统无法正常运行，同时，由于压电陶瓷安装的不对称性、垂直放置时的受力不均匀性及周围环境的改变会使其工作状态发生改变，因此，本发明利用下面的控制算法实现三点式动态激光准直系统的解耦控制。

为了保证准直系统的稳定和响应速度，所采用的解耦控制算法需要动态逐场求出三组压电陶瓷各控制回路的耦合关系，将压电陶瓷位移信息纳入耦合关系，独立于坐标系，解耦后，各控制回路能相互独立，按各自独立的控制算法驱动压电陶瓷，以实现动态实时准直。具体步骤如下：

第一步：建立解耦控制模型

根据三点式动态准直结构建立如图4所示的准直系统驱动模型，其中，A、B、C三点为三组对称安装的压电陶瓷。为求出控制系统的数学模型，建立如图4所示的坐标系，其相应的坐标为A(x₁，y₁，z₁)、B(x₂，y₂，z₂)、C(x₃，y₃，z₃)。在平面镜的X和Y方向的倾角φ_x、φ_y及中心的垂直高度h可表示为：

$\sin {\mathrm{\φ}}_x={\mathrm{\φ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_x}{d_x}=\frac{\stackrel{\‾}{Z_3}-\stackrel{\‾}{Z_2}}{\stackrel{\‾}{x_3}-\stackrel{\‾}{x_2}}---\left(1\right)$

$\sin {\mathrm{\φ}}_y={\mathrm{\φ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_y}{d_y}=\frac{2\stackrel{\‾}{Z_1}-\stackrel{\‾}{Z_2}-\stackrel{\‾}{Z_3}}{\stackrel{\‾}{{2y}_1}-\stackrel{\‾}{y_2}-\stackrel{\‾}{y_3}}---\left(2\right)$

$h=\frac{\stackrel{\‾}{Z_1}+{\stackrel{\‾}{Z}}_2+\stackrel{\‾}{Z_3}}{3}--\left(3\right)$

式中，

为压电陶瓷的位移平均值。

第二步：耦合传递矩阵的动态求解

压电陶瓷的动态调整是由驱动电压控制，因此该解耦控制系统的操作变量为分别控制三个压电陶瓷的电压V₁、V₂、V₃，而被控制变量则是反光镜的调整角度φ_x、φ_y和h。由式(1)、(2)、(3)可得φ_x、φ_y和h与压电陶瓷各点位移变化量之间的关系可描述为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x\\ {\mathrm{\φ}}_y\\ h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{Z_1}\\ \stackrel{\‾}{Z_2}\\ \stackrel{\‾}{Z_3}\end{array}\right]---\left(4\right)$

由于三个压电陶瓷之间的不对称性及受力的不均匀性导致耦合传递关系是变化的，本发明用动态法求解该函数，实现准直系统的动态自动校准。设压电陶瓷的位移量与操作变量V_i有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1=f_1(V_1,V_2,V_3)\\ Z_2=f_2(V_1,V_2,V_3)\\ Z_3=f_3(V_1,V_2,V_3)\end{array}\right.---\left(5\right)$

相应的增量矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔZ}}_1\\ {\mathrm{\ΔZ}}_2\\ {\mathrm{\ΔZ}}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{11}& f_{12}& f_{13}\\ f_{21}& f_{22}& f_{23}\\ f_{31}& f_{32}& f_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_1\\ {\mathrm{\ΔV}}_2\\ {\mathrm{\ΔV}}_3\end{array}\right]---\left(6\right)$

分别给三个压电陶瓷电压增量，例如对压电陶瓷A，给定增量为ΔV₁，这时由位移传感器返回的压电陶瓷的位移变化量为ΔZ¹，ΔZ₂，ΔZ₃。分析系统结构可知

$f_{11}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_1},f_{21}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_2}{\mathrm{\Δ}{V}_1},f_{31}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_3}{\mathrm{\Δ}{V}_1}---\left(7\right)$

同样，对压电陶瓷B、C，可求出其矩阵系数：

$f_{12}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_1^{\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_2},f_{22}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_2^{\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_2},f_{32}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_3^{\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_2}---\left(8\right)$

$f_{13}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_1^{\′\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_3},f_{23}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_2^{\′\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_3},f_{33}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_3^{\′\′}}{\mathrm{\Δ}{V}_3}---\left(9\right)$

三个调节器各自的传递函数分别为P₁(S)、P₂(S)、P₃(S)，则操作变量V_i与压电陶瓷的位移变化量之间的关系矩阵F(S)为：

$F\left(S\right)=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{11}{P}_1\left(S\right)& f_{12}{P}_2\left(S\right)& f_{13}{P}_3\left(s\right)\\ f_{21}{P}_1\left(S\right)& f_{22}{P}_2\left(S\right)& f_{23}{P}_3\left(S\right)\\ f_{31}{P}_1\left(S\right)& f_{32}{P}_2\left(S\right)& f_{33}{P}_3\left(S\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

结合式(4)，那么耦合传递矩阵，即操作变量V_i与被控制变量φ_x、φ_y和h之间的关系矩阵为：

$G\left(S\right)=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& {\text{a}}_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{f}_{11}{P}_1\left(S\right)& f_{12}{P}_2\left(S\right)& f_{13}{P}_3\left(s\right)\\ f_{21}{P}_1\left(S\right)& f_{22}{P}_2\left(S\right)& f_{23}{P}_3\left(S\right)\\ f_{31}{P}_1\left(S\right)& f_{32}{P}_2\left(S\right)& f_{33}{P}_3\left(S\right)\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}{G}_{11}\left(S\right)& G_{12}\left(S\right)& G_{13}\left(S\right)\\ G_{21}\left(S\right)& G_{22}\left(S\right)& G_{23}\left(S\right)\\ G_{31}\left(S\right)& G_{32}\left(S\right)& G_{33}\left(S\right)\end{array}\right]---\left(11\right)$

即

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x\\ {\mathrm{\φ}}_y\\ h\end{array}\right]=G\left(S\right)\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]---\left(12\right)$

这样，便可由式(5)、(6)、(7)及(11)动态求出耦合传递矩阵，以便实现准直系统的自动校准。

第三步：解耦矩阵求解

本系统为三输入三输出系统，三个压电陶瓷构成三个控制回路，且三个回路之间相互耦合，通过解耦控制可以较好的实现控制量耦合的问题。

假如对象要求完全解耦，则解耦系统的目标矩阵需要取一个对角阵，即令耦合支路的传递函数为零，并保留各个控制通道的传递函数，即将目标矩阵取对角阵G_Λ(S)为：

$G_{\mathrm{\Λ}}\left(S\right)=\left[\begin{array}{ccc}{G}_{11}\left(s\right)& 0& 0\\ 0& G_{22}\left(s\right)& 0\\ 0& 0& G_{33}\left(s\right)\end{array}\right]---\left(13\right)$

则解耦的网络矩阵D(S)为：

D(S)＝G(S)^-1G_Λ(S)    (14)

其中，G(S)^-1为矩阵G(S)的逆矩阵。

解耦控制的结构如图5所示，解耦网络串联到控制网络与耦合对象之间，这里用复线箭头表示多变量的输入与输出。其中，R(S)为操作变量，C(S)为被控制变量，P(S)为调节器传递函数。该解耦网络是放在控制系统的顺向通道中间，所以，当耦合影响还没有反映出来时，就开始了解耦的校正作用，因此具有动态偏差小，响应速度快，过渡时间短等优点，解耦的实际效果好。

根据压电元件的特性可以将调节器传递函数P(S)等效为一个典型的二阶振荡环节：

$P\left(S\right)=\frac{k}{L_p{C}_p{s}^2+R{C}_{p}s+1}---\left(15\right)$

其中，R为限流电阻加上压电元件损耗电阻后总的电阻值；C_p为压电元件的等效电容；L_p为压电元件的等效电感，其值与元件的质量、刚度和等效电容值都有关。

第四步：驱动压电陶瓷

当测出光束失调信号后，根据以上公式，对系统的解耦，分别得到三组压电陶瓷的控制电压，并分别对其控制。图6、图7分别显示出该系统解耦前后三回路每间隔1s的阶跃响应曲线，从图中可以明显看出：解耦前三条回路之间相互影响严重，系统无法控制；解耦后每条回路具有独立的阶跃响应，达到了理论上独立控制的效果，实现了耦合系统的完全解耦。

本发明的三点式动态激光准直系统通过驱动三个压电陶瓷实现光束动态准直，具有六自由度，可实现光束任意角度的偏转和扫描。采用该系统研制的氧碘化学激光器光腔自准直系统的角度分辨力可优于0.2μrad，重复精度可达1μrad，工作范围可达10mrad。图7为反光镜任意角度快速偏转的光束轨迹。实验表明，该系统在准直范围可达4mrad，精度为5urad的条件下，响应速度优于20Hz。

Claims (1)

1.三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。

Images