CN105137595A - 激光光束扫描角度触发装置 - Google Patents

Abstract

一种激光光束扫描角度触发装置，包括了激光光源、光收发结构、激光光束扫描振镜、反射镜组、光电探测器和模拟除法器。本发明以高速激光光束扫描振镜为基础，能够实现高速高精度的激光光束扫描角度触发，可以在扫描振镜扫描的一个周期内生成两个或四个激光光束扫描角度触发脉冲，具有很大的灵活性和实用性。本发明装置还具有结构简单紧凑，易于实现，抗干扰能力强，受外界杂散光和平台振动的影响较小等特点，具有广泛的应用前景。

Description

激光光束扫描角度触发装置

技术领域

本发明涉及一种激光光束扫描角度触发装置。

背景技术

高速高精度激光光束扫描角度触发是深空探测、卫星激光通信、激光成像雷达等技术领域中的关键技术(参见[1]李安虎，刘立人，孙建锋.大口径精密激光光束扫描装置[J].机械工程学报，2009,45(1)：200～204.)。实现高速高精度激光光束扫描角度触发需要对微小扫描角度具有很快的响应速度。在旋转机械的控制中，对于角位置精密定位和测量已有比较成熟的方法，在角位置的测量中经常采用圆感应同步器或者光学轴角编码器作为角位置传感器，配以相应的处理电路及显示输出接口，可以得到很高的测角精度，但由于这些测角设备的体积、重量和功耗都比较大，从而限制了他们的运用(参见[2]张伯珩，边川平，李露瑶等.光电位置传感器在转角精密定位中的应用[J].光子学报，2001,30(4)：505～507.)。通过精确识别接收光斑的位置能够精确计算激光照射方位，并根据成像理论进一步计算激光入射角度，光束的角度偏移信息从而转换为光电探测器平面上的光斑偏移量，这种由识别接收光斑位置推算出光束角度偏移信息的技术主要有CCD成像探测技术、四象限探测技术等。CCD靶面通常具有很高空间分辨率，对激光入射角度的测量可以达到很高的精度，但由于CCD工作原理限制，在信号转移阶段，CCD对照射到其光敏面上的光信号不敏感，当测量高速扫描角度时容易产生漏检，CCD帧频越低，漏检率越高(参见[3]陈云亮，于思源，马晶等.一种新型的卫星光通信高速跟瞄探测装置[J].光电子·激光，2005,16(5)：596～600.[4]吴海波，程玉宝，张创新.激光方位探测技术的分析[J].中国电子科学研究院学报，2010,5(2)：159～164.)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光光束扫描角度触发装置，以实现高速高精度的激光触发。该装置具有触发精度高、响应速度快、抗干扰能力强和结构简单的特点，具有广泛的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光光束扫描角度触发装置，特点在于其构成包括激光光源、光收发结构、激光光束扫描振镜、反射镜组、光电探测器和模拟除法器，所述的光收发结构包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，激光光源的输出端接光收发结构的第一端口，输入的激光在光收发结构分为两路：一路作为激光功率参考信号经第二端口输入所述的光电探测器并转换为参考电信号，该参考电信号输出至模拟除法器；另一路经过第三端口出射到所述的激光光束扫描振镜上，经激光光束扫描振镜的反射激光输出到反射镜组上，当激光光束扫描振镜反射的激光与反射镜组内的反射镜的反射面相垂直时，该反射镜组反射的激光返回所述的激光光束扫描振镜，再通过第三端口进入所述的光收发结构，由第四端口输出扫描角度触发光信号经光电探测器转换为扫描角度触发脉冲电信号，该扫描角度触发脉冲电信号进入所述的模拟除法器，该模拟除法器将所述的扫描角度触发脉冲电信号除以所述的参考电信号，输出稳定的激光光束扫描角度触发脉冲电信号。

所述的光收发结构为第一光收发结构、第二光收发结构或第三光收发结构。

所述的第一光收发结构包括：1分2光纤分束器、光纤环形器和第一光纤准直器，所述的1分2光纤分束器通过第一端口接所述的激光光源的输出端，所述的1分2光纤分束器将接收到的激光分成两路：一路作为激光功率参考信号，经第二端口输入所述的光电探测器，另一路经光纤环形器、第一光纤准直器和第三端口输出到激光光束扫描振镜，返回的激光经第三端口、第一光纤准直器、光纤环形器、第四端口输入所述的光电探测器。

所述的第二光收发结构包括：1分2光纤分束器、第一光纤准直器、偏振分束器、四分之一波片和第二光纤准直器，所述的1分2光纤分束器经第一端口与所述的激光光源的输出端相连，所述的1分2光纤分束器将输入的激光分成两路激光：一路作为激光功率参考信号从第二端口输出到所述的光电探测器，另一路经过第一光纤准直器、偏振分束器，该偏振分束器将接收到的线偏振光分为水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束透过偏振分束器，经过四分之一波片转换为圆偏振光经第三端口出射到所述的激光光束扫描振镜，返回的激光经第三端口、四分之一波片、偏振分束器、第二光纤准直器、第四端口输入所述的光电探测器。

所述的第三光收发结构包括：光纤隔离器、2×2光纤耦合器和第一光纤准直器，所述的光纤隔离器经第一端口与所述的激光光源的输出端相连，所述的光纤隔离器将输入的激光出射到2×2光纤耦合器，该2×2光纤耦合器将输入光分为两路激光：一路作为激光功率参考信号经第二端口输出到所述的光电探测器，另一路经过第一光纤准直器、第三端口出射到激光光束扫描振镜，返回的激光经第三端口、第一光纤准直器、第四端口输入所述的光电探测器。

所述的激光光束扫描振镜是平面光束扫描振镜或具有多个扫描面的激光光束扫描振镜。

所述的反射镜组为一个反射镜或二个反射镜组成。

所述的光电探测器为双通道的光电探测器，一个通道探测角度触发光信号，另一个通道探测激光功率参考信号。

本发明具有如下特点：

1、本发明所述的反射镜组由一块或两块反射镜组成，可以在激光光束扫描一个周期内生成两个或四个扫描角度触发脉冲信号，具有很大的灵活性。

2、本发明所述的光收发结构有三种不同的结构，可以根据实际情况进行选择，具有很强的实用性。

3、本发明所述的光收发结构接收的扫描角度触发光信号偏转角度为激光光束扫描振镜扫描角的4倍，并且通过光纤准直器收集触发光信号，可以实现高精度的扫描角度触发。

4、本发明装置结构简单紧凑，易于实现，受外界杂散光和平台振动的影响较小。

本发明的技术效果：

1、光收发结构中，光纤准直器的耦合角度较小，输出激光光束扫描角度触发脉冲脉宽较窄，通过合理设置扫描角度触发脉冲的触发点，可以达到高精度的扫描角度触发。

2、激光光束扫描振镜可以用平面振镜也可以用具有多个扫描面的激光光束扫描振镜，从而实现对一个或多个扫描角度同时触发。

3、本发明所述的光电探测器将光收发结构接收的角度触发信号和激光器功率参考信号转换为电信号，输出到模拟除法器中进行除法运算，可以大大降低激光光源输出激光功率波动对扫描角度触发脉冲信号的影响，并且模拟除法器相对于数字除法器来说不需要复杂的算法实现，响应速度快，结构更为简单。

附图说明

图1为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置总体结构图。

图2为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置的第一光收发结构的结构图。

图3为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置的第二光收发结构的结构图。

图4为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置的第三光收发结构的结构图。

图5为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置的第一反射镜的结构图。

图6为本发明实施例1激光光束扫描角度触发装置的第二反射镜的结构图。

图7为本发明实施例1第一光纤准直器接收光偏转角示意图。

图8为本发明实施例1第一光纤准直器耦合效率随接收光偏转角变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先参阅图1，图1是本发明激光光束扫描角度触发装置总体结构图。由图1可见，本发明激光光束扫描角度触发装置，其构成包括：激光光源11、光收发结构12、激光光束扫描振镜13、反射镜组14、光电探测器15和模拟除法器16。上述部件位置关系如下：

所述的激光光源11通过端口21输出激光到光收发结构12中，经过光收发结构12分为两路，一路作为激光功率参考信号，通过端口22输出到光电探测器15上，再通过端口25输出电信号到模拟除法器16上；另一路经过端口23出射到激光光束扫描振镜13上，激光光束扫描振镜13反射激光到反射镜组14上，当激光光束扫描振镜13反射的激光与反射镜组14内的反射镜的反射面相垂直时，反射镜组14反射激光到激光光束扫描振镜13上，再通过端口23输入到光收发结构12中，再通过端口24输出扫描角度触发光信号到光电探测器15上转换为扫描角度触发脉冲电信号，再通过端口26输出扫描角度触发脉冲电信号到模拟除法器16上，模拟除法器16将端口26输出的电信号除以端口25输出的电信号，输出稳定的激光光束扫描角度触发脉冲电信号。

所述的光收发结构12包括三种结构，即第一光收发结构(请参见图2)、第二光收发结构(请参见图3)和第三光收发结构(请参见图4)。

所述的反射镜组为第一反射镜组(请参见图5)或第二反射镜组(请参见图6)。

所述的第一光收发结构包括：1分2光纤分束器31、光纤环形器32和第一光纤准直器33。所述的1分2光纤分束器31通过第一端口21接所述的激光光源11的输出端，所述的1分2光纤分束器31将接收到的激光分成两路：一路作为激光功率参考信号，经第二端口22输入所述的光电探测器15，另一路经光纤环形器32，第一光纤准直器33，经第三端口23输出到激光光束扫描振镜13，当激光光束扫描振镜13反射的激光与反射镜组14内反射镜的反射面相垂直时，反射镜组14反射激光到激光光束扫描振镜13，再经第三端口23被第一光纤准直器33接收，经过光纤环形器32，通过第四端口24输出到光电探测器15上。

所述的第二光收发结构包括：1分2光纤分束器31、第一光纤准直器41、偏振分束器42、四分之一波片43和第二光纤准直器44。上述部件的位置关系如下：：1分2光纤分束器31通过端口21接收激光光源11发出的激光，并将接收到的激光分成两路，一路作为激光功率参考信号，通过端口22输出，另一路经过第一光纤准直器41输出到偏振分束器42上，偏振分束器42将接收到的线偏振光分为水平(H方向)偏振光束和垂直(V方向)偏振光束，水平(H方向)偏振光束透过偏振分束器42，经过四分之一波片43转换为圆偏振光通过端口23出射到激光光束扫描振镜13上，当激光光束扫描振镜13反射的激光与反射镜组14内反射镜的反射面相垂直时，反射镜组14反射激光到激光光束扫描振镜13上，再通过端口23出射到四分之一波片43上转换为垂直(V方向)偏振光束，经过偏振分束器42反射后，经过第二光纤准直器44耦合进光纤，通过端口24输出到光电探测器15上。

所述的第三光收发结构包括：光纤隔离器51、2×2光纤耦合器52和第一光纤准直器33。上述部件的位置关系如下：光纤隔离器51通过端口21接收激光光源11输出的激光，并出射到2×2光纤耦合器52上，经过2×2光纤耦合器52分为两路激光，一路作为激光功率参考信号，通过端口22输出到光电探测器15上，另一路经过第一光纤准直器33，通过端口23出射到激光光束扫描振镜13上，当激光光束扫描振镜13反射的激光与反射镜组14内反射镜的反射面相垂直时，反射镜组14反射激光到激光光束扫描振镜13上，再通过端口23入射到第一光纤准直器33上，第一光纤准直器33接收扫描角度触发光信号并耦合进2×2光纤耦合器52中分为两路，一路经过光纤隔离器51进行隔离，另一路通过端口24输出到光电探测器15上。

所述的第一反射镜组由一个反射镜61组成。当激光光束扫描振镜13扫描到与反射镜61的夹角为θ1时，激光光束扫描振镜13上的反射光与反射镜61反射面垂直，反射镜61反射激光，通过激光光束扫描振镜13再次反射，通过端口23输出到光收发结构12中。

所述的第二反射镜组由反射镜62和反射镜63组成。上述部件的位置关系如下：反射镜62与反射镜63的夹角为θ3，当激光光束扫描振镜13扫描到与反射镜62的夹角为θ1时，激光光束扫描振镜13上的反射光与反射镜61反射面垂直，反射镜62反射激光，通过激光光束扫描振镜13再次反射，通过端口23输出到光收发结构12中；当激光光束扫描振镜13扫描到与反射镜63的夹角为θ2时，激光光束扫描振镜13上的反射光与反射镜63反射面垂直，反射镜63反射激光，通过激光光束扫描振镜13再次反射，通过端口23输出到光收发结构12中。

所述的第一光纤准直器33的发射光与接收光的夹角θ，为第一光纤准直器33接收光的偏转角(请参见图7)。光纤准直器的耦合效率η_θ与θ的关系如下：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\θ}}=8{\mathrm{\β}}^2{\left|{\∫}_0^1\exp \left(-{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ρ}}^2\right)J_0\left(2\mathrm{\β}\mathrm{\θ}f\mathrm{\ρ}/\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\ρ}d\mathrm{\ρ}\right|}^2$

其中D为第一光纤准直器33前端透镜口径，f为第一光纤准直器33焦距，ω为第一光纤准直器33接入的光纤芯径，λ为第一光纤准直器33接收的光波长。通过几何光学可以推算出，偏转角θ为激光光束扫描振镜13扫描角的4倍，激光光束扫描振镜13的一个微小角度偏转可以输出一个窄触发脉冲，可以实现很高的触发精度。

下面列举一个实施例1的具体设计参数：

光收发结构12为第一类光收发结构，包括1分2光纤分束器31、光纤环形器32和第一光纤准直器33。激光器11输出激光波长λ为1550nm，第一光纤准直器33口径D为3mm，第一光纤准直器33焦距f为15.58mm，光纤环形器32的芯径ω为10.4um为，图8为实施例1具体设计参数下的光纤准直器耦合效率随接收光偏转角变化关系图。经过计算可以得到能耦合进第一光纤准直器33的接收光偏转角为2mrad。模拟除法器16输出电压噪声功率谱密度为带宽为250MHz，可以计算出模拟除法器16输出噪声电压为0.79mV。模拟除法器16输出峰值电压为1V，采集卡12位采集，采样率为60MHz，可以得出采集卡量化误差为0.07mV。激光光束扫描振镜13角速度为1400rad/s，耦合进第一光纤准直器33的接收光偏转角为激光光束扫描振镜13的扫描角的4倍，因此耦合进第一光纤准直器33的接收光偏转角速度为5600rad/s，可以得出耦合进第一光纤准直器33的接收光每偏转93.33urad采集卡采集一次，同样可以根据模拟除法器16输出触发信号峰值电压1V，得出采集卡每次采集信号的平均增幅为93.33mV，远大于模拟除法器16输出噪声和采集卡量化噪声。因此设计的激光光束扫描角度触发装置可以实现激光光束扫描振镜23.33urad扫描角的触发精度。

Claims (8)

1.一种激光光束扫描角度触发装置，特征在于其构成包括激光光源(11)、光收发结构(12)、激光光束扫描振镜(13)、反射镜组(14)、光电探测器(15)和模拟除法器(16)，所述的光收发结构(12)包括第一端口(21)、第二端口(22)、第三端口(23)和第四端口(24)，激光光源(11)的输出端接光收发结构(12)的第一端口(21)，输入的激光在光收发结构(12)分为两路：一路作为激光功率参考信号经第二端口(22)输入所述的光电探测器(15)并转换为参考电信号，该参考电信号输出至模拟除法器(16)上；另一路经过第三端口(23)出射到所述的激光光束扫描振镜(13)上，经激光光束扫描振镜(13)反射激光到是的反射镜组(14)上，当激光光束扫描振镜(13)反射的激光与反射镜组(14)内的反射镜的反射面相垂直时，该反射镜组(14)反射的激光返回所述的激光光束扫描振镜(13)，再通过第三端口(23)进入所述的光收发结构(12)，由第四端口(24)输出扫描角度触发光信号经光电探测器(15)转换为扫描角度触发脉冲电信号，该扫描角度触发脉冲电信号进入所述的模拟除法器(16)，该模拟除法器(16)将所述的扫描角度触发脉冲电信号除以所述的参考电信号，输出稳定的激光光束扫描角度触发脉冲电信号。

2.根据权利要求1所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的光收发结构为第一光收发结构、第二光收发结构或第三光收发结构。

3.根据权利要求2所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的第一光收发结构包括：1分2光纤分束器(31)、光纤环形器(32)和第一光纤准直器(33)，所述的1分2光纤分束器(31)通过第一端口(21)接所述的激光光源(11)的输出端，所述的1分2光纤分束器(31)将接收到的激光分成两路：一路作为激光功率参考信号，经第二端口(22)输入所述的光电探测器(15)，另一路经光纤环形器(32)、第一光纤准直器(33)和第三端口(23)输出到激光光束扫描振镜(13)，返回的激光经第三端口(23)、第一光纤准直器(33)、光纤环形器(32)、第四端口(24)输入所述的光电探测器(15)。

4.根据权利要求2所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的第二光收发结构包括：1分2光纤分束器(31)、第一光纤准直器(41)、偏振分束器(42)、四分之一波片(43)和第二光纤准直器(44)，所述的1分2光纤分束器(31)经第一端口(21)与所述的激光光源(11)的输出端相连，所述的1分2光纤分束器(31)将输入的激光分成两路激光：一路作为激光功率参考信号从第二端口(22)输出到所述的光电探测器(15)，另一路经过第一光纤准直器(41)、偏振分束器(42)，该偏振分束器(42)将接收到的线偏振光分为水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束透过偏振分束器(42)，经过四分之一波片(43)转换为圆偏振光经第三端口(23)出射到所述的激光光束扫描振镜，返回的激光经第三端口(23)、四分之一波片(43)、偏振分束器(42)、第二光纤准直器(44)、第四端口(24)输入所述的光电探测器(15)。

5.根据权利要求2所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的第三光收发结构包括：光纤隔离器(51)、2×2光纤耦合器(52)和第一光纤准直器(33)，所述的光纤隔离器(51)经第一端口(21)与所述的激光光源(11)的输出端相连，所述的光纤隔离器(51)将输入的激光出射到2×2光纤耦合器(52)，该2×2光纤耦合器(52)将输入光分为两路激光：一路作为激光功率参考信号经第二端口(22)输出到所述的光电探测器(15)，另一路经过第一光纤准直器(33)、第三端口(23)出射到激光光束扫描振镜(13)，返回的激光经第三端口(23)、第一光纤准直器(33)、第四端口(24)输入所述的光电探测器(15)。

6.根据权利要求1所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的激光光束扫描振镜(13)是平面光束扫描振镜或具有多个扫描面的激光光束扫描振镜。

7.根据权利要求1所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的反射镜组(14)为一个反射镜或二个反射镜组成。

8.根据权利要求1至7任一项所述的激光光束扫描角度触发装置，其特征在于所述的光电探测器为双通道的光电探测器，一个通道探测角度触发光信号，另一个通道探测激光功率参考信号。