CN102368589B - 一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法 - Google Patents

Abstract

一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法，该方法基于漂移量移动平均值(MA)原理，对脉冲光束进行单脉冲校正，可以及时有效地稳定光束，校正随机漂移。其关键在于提出合适的漂移量校正公式y(k)＝ξ·y(k-1)+η·x(k)(其中，k为脉冲数，x(k)是第k个脉冲的漂移量，y(k)是第k个脉冲的校正量，ξ是通过仿真优化得出的一个系数值，η是一与激光器自身特性相关的参数)，实现对光束漂移的闭环实时校正。本发明为脉冲激光束的稳定提供了一种快速准确的手段；在光束控制、信号探测等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法

技术领域

本发明属于光束控制领域，涉及一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法。

背景技术

自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光技术以其单色性好、方向性好、稳定性好、高亮度等优点被广泛应用在生产生活及科学研究的多个领域。但是激光器工作时，由于诸多因素的影响，会使得输出光束在传播过程中产生漂移，从而影响激光在精密测量和精密加工等方面的应用。脉冲激光器光束漂移来源主要有以下几个方面：(1)激光器本身发光机理会导致光束产生漂移；(2)装置及大地抖动引起的随机漂移；(3)光束传播路径中的外界传输环境(周围环境的温度、压力、湿度、振动等)的变化引起传输系统状态的不稳定。

目前一般运用以下措施减小光束漂移：(1)对于激光器系统选用热变形小的材料。(2)排热降温法。可采用水冷降温法，或高速吹风机纵向吹气法排走大量的热量。(3)应用自适应光学及多元回归对光束漂移进行综合修正。在发射系统中加入变形镜，矫正光束波前畸变，补偿大气传输造成的影响。(4)利用激光装置整体温漂闭环反馈控制法和激光方向稳定性专用装置控制漂移。

现有技术的缺点是：(1)多为硬件上的改进：加入新的元件、装置或是改变原有材料；(2)多针对连续光，鲜有专门针对脉冲激光的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服已有不足，提供一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法，为实时在线控制脉冲激光光束的漂移提供了一种快速准确的手段，节省时间和成本。

本发明采用的技术方案是：一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法，已知光源波长、初始几何参数、入射脉冲的随机漂移范围及一个脉冲段所含脉冲数m(m为正整数)，具体实现步骤如下：

步骤一确定脉冲窗口数n及脉冲数k，n，k均为正整数，且n≤k≤m-1；；

步骤二根据如下的漂移量移动平均值公式，以脉冲窗口数为基准进行计算漂移量移动平均值；

漂移量移动平均值公式k＝n，n+1，...m，n为脉冲窗口数，k为脉冲数，x(k)是第k个脉冲的漂移量，x_MA(k)是第k个脉冲漂移量移动平均值，由于光束漂移可以分为位置漂移和指向漂移，因此由上式可推知具体的两种漂移量移动平均值公式，如下：

位置漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值)；

指向漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值)；

步骤三依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式分别对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，使其归0；

漂移量校正公式y(k)＝ξ·y(k-1)+η·x(k)(其中，k为脉冲数，x(k)是第k个脉冲的漂移量，y(k)是第k个脉冲的校正量，ξ是通过仿真优化得出的一个系数值，η是一与激光器自身特性相关的参数)，由漂移量校正公式可推出位置漂移量和指向漂移量校正公式，如下：

位置漂移量校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，(l是位置漂移校正量)；

指向漂移量校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，(r是指向漂移校正量)；

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

步骤四判断脉冲数k是否等于m-1(m为一段脉冲的总脉冲数)，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

所述光源根据实际需求选择，从红外到紫外的光波波段均可。

本发明的原理：由脉冲激光器特性可知，出射激光脉冲和脉冲之间光束漂移都不相同，但也有一定规律可循，激光脉冲序列可以被分为许多段，各段都由一定的脉冲数组成，在段与段之间，脉冲的平均漂移量会发生较大幅度的跳变，而在一段范围内，脉冲激光器位置和指向漂移的评价可以用动态平均值(moving average，MA)描述，MA数学表达式描述如下：

$s_{\mathrm{MA}}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}s(k-j),k=n,n+1,...m$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{MA}}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\θ}(k-j),k=n,n+1,...m$

公式中每段含m个脉冲，设定移动窗的窗长n，s为位置漂移量，θ为指向漂移量，s_MA(k)和θ_MA(k)分别表示第k个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值。该式表明在每段范围内，下一个脉冲的漂移量可以根据之前的n个脉冲的漂移量估算出来，这就可以做到提前调节，达到稳定光束的目的。

本发明与现有技术相比具有的优点是：

(1)本发明使用校正量公式进行光束稳定，易于实现，便于操作，降低成本；

(2)通过监控每一脉冲的漂移量，可实现单脉冲随机漂移的稳定；

(3)本发明使用范围广，从红外到紫外波段皆适用，在光束控制等领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为发明实施例1中的校正前后效果图；

图3为发明实施例2中所加载的地面抖动图样；

图4为发明实施例2中的校正前后效果图；

图5为发明实施例3中的校正前后效果图；

图6为发明实施例4中所加载的地面抖动图样；

图7为发明实施例4中的校正前后效果图。

具体实施方式

本发明是基于漂移量移动平均值校正机理对脉冲激光束进行稳定，控制随机漂移的方法。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1的具体步骤如下：

在没有地面抖动的情况下，此例只考虑激光器自身的随机漂移时，已知光源波长、初始几何参数及随机入射脉冲漂移范围：光源波长632.8纳米，光束传播距离10米，入射脉冲位置漂移[-0.1，0.1]毫米，指向漂移[-0.2，0.2]毫弧度，脉冲段中的脉冲数m(m为正整数)，此例中取m＝2000；

步骤一确定脉冲窗口数n与脉冲数k(n，k为正整数，且n≤k≤m-1)，此例中n＝100，k＝100；

步骤二根据如下的漂移量移动平均值公式，计算前100个脉冲的漂移量移动平均值，并将此值作为第一组漂移量移动平均值，

位置漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值)，

指向漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值)；

步骤三依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式对对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值进行修正，使其归0，

位置漂移的校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，(l是位置漂移校正量)

指向漂移的校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，(r是指向漂移校正量)

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

步骤四判断脉冲数k是否等于1999，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

校正图样如图2所示，图中虚线代表校正前的位置漂移量的移动平均值，实线表示利用补偿量校正后的位置漂移量的移动平均值。从图2可以看出，采取该校正算法都可以有效地降低漂移量的移动平均值，校正后的该值在初始阶段出现持续一段脉冲数的较大跳变，随后逐步趋稳。因指向漂移与位置漂移的校正机理类似，故在此给出位置漂移的图样。

实施例2

本发明实施例2的具体步骤如下：

来自地面的抖动会带来光学元件振动，也会影响光束稳定性。为了对比地面抖动对校正光束指向漂移的影响，现考虑加载地面扰动后的校正图样。所加载的地面扰动设定为正弦漂移量，如图3所示；

已知光源波长、初始几何参数及随机入射脉冲漂移范围：光源波长632.8纳米，光束传播距离10米，入射脉冲位置漂移[-0.1，0.1]毫米，指向漂移[-0.2，0.2]毫弧度，脉冲段中的脉冲数m(m为正整数)，此例中取m＝2000；

步骤一确定脉冲窗口数n与脉冲数k(n，k为正整数，且n≤k≤m-1)，此例中n＝100，k＝100；

步骤二根据如下的漂移量移动平均值公式，计算前100个脉冲的漂移量移动平均值，并将此值作为第一组漂移量移动平均值，

位置漂移量移动平均值k＝n，n+1，...m(s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值)，

指向漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值)；

步骤三依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式对对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值进行修正，使其归0，

位置漂移的校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，(l是位置漂移校正量)

指向漂移的校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，(r是指向漂移校正量)

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

步骤四判断脉冲数k是否等于1999，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

校正图样如图4所示，未校正的位置漂移量的移动平均值用虚线表示，校正后的用实线表示。采取该校正方法，可使漂移量的移动平均值大大降低，在初始阶段出现一段不稳定的跳变，在200个脉冲后逐步趋稳。因指向漂移与位置漂移的校正机理类似，故在此给出位置漂移的图样。

实施例3

本发明实施例3的具体步骤如下：

在没有地面抖动的情况下，此例只考虑激光器自身的随机漂移时，已知光源波长、初始几何参数及随机入射脉冲漂移范围：光源波长325纳米，光束传播距离15米，入射脉冲位置漂移[-0.2，0.2]毫米，指向漂移[-0.1，0.1]毫弧度，脉冲段中的脉冲数m(m为正整数)，此例中取m＝5000；

步骤一确定脉冲窗口数n与脉冲数k(n，k为正整数，且n≤k≤m-1)，此例中n＝200；k＝200；

步骤二根据如下的漂移量移动平均值公式，计算前200个脉冲的漂移量移动平均值，并将此值作为第一组漂移量移动平均值，

位置漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值)，

指向漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值)；

步骤三依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式对对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值进行修正，使其归0，

位置漂移的校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，(l是位置漂移校正量)

指向漂移的校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，(r是指向漂移校正量)

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

步骤四判断脉冲数k是否等于4999，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

校正图样如图5所示，图中虚线代表未校正时位置漂移量的移动平均值，实线表示利用该方法后的位置漂移量的移动平均值。通过观察图5可知，该方法可以有效地降低漂移量的移动平均值，校正后的移动平均值在200-400个脉冲内有小幅跳动，随后趋稳。因指向漂移与位置漂移的校正机理类似，故在此给出位置漂移的图样。

实施例4

本发明实施例4的具体步骤如下：

为了对比地面抖动对校正光束指向漂移的影响，现考虑加载地面扰动后的校正图样。所加载的地面扰动设定为正弦漂移量，如图6所示；

已知光源波长、初始几何参数及随机入射脉冲漂移范围：光源波长325纳米，光束传播距离15米，入射脉冲位置漂移[-0.2，0.2]毫米，指向漂移[-0.1，0.1]毫弧度，脉冲段中的脉冲数m(m为正整数)，此例中取m＝5000；

步骤一确定脉冲窗口数n与脉冲数k(n，k为正整数，且n≤k≤m-1)，此例中n＝200；k＝200；

步骤二根据如下的漂移量移动平均值公式，计算前200个脉冲的漂移量移动平均值，并将此值作为第一组漂移量移动平均值，

位置漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值)，

指向漂移量移动平均值

k＝n，n+1，...m(θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值)；

步骤三依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式对对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值进行修正，使其归0，

位置漂移的校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，(l是位置漂移校正量)

指向漂移的校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，(r是指向漂移校正量)

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

步骤四判断脉冲数k是否等于4999，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

校正图样如图7所示，图中虚线代表未校正时位置漂移量的移动平均值，实线表示利用该方法后的位置漂移量的移动平均值。通过观察图7可知，使用本发明方法稳定光束后，漂移量的移动平均值的降幅较大，随后在200-400个脉冲附近逐步趋稳。因指向漂移与位置漂移的校正机理类似，故在此给出位置漂移的图样。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

本发明的保护范围并不仅限于以上实施例，应包括权利要求书中的全部内容；并且本领域技术人员从以上的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容。

Claims (2)

1.一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法，其特征在实现步骤如下：

已知光源波长、初始几何参数、入射脉冲的随机漂移范围及一个脉冲段所含脉冲数m，其中m为正整数；

步骤一：确定脉冲窗口数n及脉冲数k，n,k均为正整数，且n≤k≤m-1；

步骤二：根据如下的漂移量移动平均值公式，以脉冲窗口数为基准计算漂移量移动平均值；

漂移量移动平均值公式

k＝n,n+1，...m，n为脉冲窗口数，k为脉冲数，x(k)是第k个脉冲漂移量，x_MA(k)是第k个脉冲漂移量移动平均值；

光束漂移分为位置漂移和指向漂移，由上式推出具体的两种漂移量移动平均值公式，如下：

位置漂移量移动平均值

k＝n,n+1，...m，s为入射脉冲光束的位置漂移量，s_MA是位置漂移量移动平均值，

指向漂移量移动平均值

k＝n,n+1，...m，θ为其指向漂移量，θ_MA是指向漂移量移动平均值；

步骤三：依据步骤二计算出的位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值，利用如下的校正量公式分别对每一个位置漂移量移动平均值和指向漂移量移动平均值进行校正，使其归0；

漂移量校正公式y(k)＝ξ·y(k-1)+η·x(k)，其中，k为脉冲数，x(k)是第k个脉冲的漂移量，y(k)是第k个脉冲的校正量，ξ是通过仿真优化得出的一个系数值，η是一与激光器自身特性相关的参数；由漂移量校正公式可推出位置漂移量和指向漂移量校正公式，如下：

位置漂移量校正公式l(k)＝ξ·l(k-1)+η·s(k)，l是位置漂移校正量；

指向漂移量校正公式r(k)＝ξ·r(k-1)+η·θ(k)，r是指向漂移校正量；

当k＝1时，l(0)＝0，r(0)＝0；

在每个脉冲段范围内，下一个脉冲的漂移量根据之前的n个脉冲的漂移量估算出来，将计算公式得出的漂移校正量去校正光束漂移，进行提前调节，达到稳定光束的目的；

步骤四：判断脉冲数k是否等于m-1，若不等于，则依次重复步骤二和步骤三；若等于，则结束。

2.根据权利要求1所述的一种稳定脉冲激光束随机漂移的方法，其特征在于：所述光源波长根据实际需求选择，从红外到紫外的光波波段均可。

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