CN105425869B - 一种光束指向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束指向控制方法，属于激光器光束控制技术领域，采集光束近场图像，从所述近场图像中提取光束指向信息并将其进行量化，得到光束指向偏差信息，根据所述光束指向偏差信息，实现闭环控制，本发明具有实现光束指向信息的实时诊断、减少调试所需时间、容忍度高、实用性强、适用范围广的特点。

Description

一种光束指向控制方法

技术领域

本发明属于激光器光束控制技术领域，具体地说涉及一种光束指向控制方法。

背景技术

大型固体激光装置的光路调试主要包含对光束位置和光束指向的诊断与控制，通常以一组对应的光束近场、远场中心坐标，确定光束的位置和指向。近场通常是位于平行光路中某处，代表光束的位置；远场位于光路焦面处，代表光束的指向。通常认为实验所获得的激光束近场图像仅包含光束的位置信息，而不包含光束指向信息，因此，光束位置和指向信息必须分别从两幅独立的近场和远场图像中获取。

光束指向信息的诊断一般选用滤波小孔作为基准，常用诊断方法如下：a)采用负透镜对激光进行发散，监测远场位置的小孔成像信息，再将负透镜推出，采集激光的实际远场图像，处理获得远场的形心或质心，与小孔图像中心对比，获得光束指向的偏差信息；b)采用在近场位置推入具有周期性结构的器件，如钢板尺、光栅等，同时采集小孔和光束硬边衍射后的图像，通过对比衍射条纹与小孔中心之间的关系，获得光束指向的偏差信息。上述方法均需要引入辅助的器件或者光学系统，来实现对光束指向信息的提取。由于光束位置和指向信息需要分别从近场和远场图像中获取，导致需要配置两套相应的图像采集系统和辅助器件(如负透镜、光栅等)，增加成本投入，并且无法实时获得光束指向信息和位置信息。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种实现光束位置信息与指向信息的实时诊断、减少调试所需时间、容忍度高、实用性强、适用范围广的光束指向控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光束指向控制方法，采集光束近场图像，从所述近场图像中提取光束指向信息并将其进行量化，得到光束指向偏差，根据所述光束指向偏差，实现闭环控制。

进一步，所述光束近场图像的采集方法为：

由激光源发射激光光束，所述激光光束穿过含滤波小孔的4f成像系统，将穿过所述4f成像系统的光束近场图像成像到激光器的近场测量系统，即得所述光束的近场图像。

进一步，所述光束指向信息的提取方法为：

对所述近场图像进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，观察所述近场二维功率谱密度图，得到光束指向信息。

进一步，对所述近场二维功率谱密度图进行观察的方法为：

在所述近场二维功率谱密度图上呈现一个单圆，此时所述光束经过滤波小孔的中心，即得到所述光束指向信息；

在所述近场二维功率谱密度图上呈现两个部分重叠的单圆，所述两个单圆组成一个套圆，此时所述光束经过滤波小孔时，与滤波小孔的中心存在偏差，即得到所述光束指向信息。

进一步，所述两个单圆分别为4f成像系统的滤波小孔像和其共轭像，所述滤波小孔像与其共轭像的重叠部分越少，所述光束经过滤波小孔时，与滤波小孔中心的偏差越大。

进一步，对所述光束指向信息进行量化的方法为：

对所述近场二维功率谱密度图进行二值化处理，量化所述光束在滤波小孔处的光斑中心与滤波小孔中心的偏差并标记为L，即得到所述光束指向偏差，所述光束的光斑中心与套圆的重合部分中心重合，所述滤波小孔的中心与滤波小孔像的中心重合。

进一步，所述偏差L分解成X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向的偏差ΔY，所述两个单圆的圆心连接线与X轴的夹角标记为θ，则所述ΔX＝L*cosθ，ΔY＝L*sinθ。

进一步，所述偏差L与单圆的直径D、两个单圆的最远距离S匹配，且

进一步，根据所述光束指向偏差，实现闭环控制：

根据X轴和Y轴方向的偏差，调节激光器内反射镜的姿态，调节光束指向，以缩小光束指向偏差，实现对光束指向闭环控制。

进一步，所述激光器的设计标准偏差标记为L′，所述反射镜设置在电动镜架上，通过控制所述电动镜架的电机调节反射镜的姿态，具体调节方法为：

(1)反射镜调节指向信息的系数标定

将所述电机在水平方向和垂直方向，分别移动一步，由所述激光源发射激光光束，利用所述近场测量系统采集光束的近场图像，并进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，量化指向偏差L1、ΔX1和ΔY1，即完成反射镜调节指向信息的系数标定；

(2)计算电机移动步数

将ΔX与ΔX1、ΔY与ΔY1进行比较，所述反射镜在水平方向、垂直方向的移动步数分别为n1、n2，则

(3)将所述电机在水平方向移动n1步，在垂直方向移动n2步，采集光束的近场图像并量化偏差L2、ΔX2和ΔY2；

(4)将L₂与L′进行比较，若L₂≤L′，则完成光束指向闭环控制过程；若L₂＞L′，则重复进行步骤(2)至(3)，直至L≤L′，完成光束指向闭环控制过程。

本发明的有益效果是：

1、本发明只需要采集光束近场图像，就可以获得光束指向信息，实现光束指向信息的实时诊断。

2、本发明只需要对一幅光束图像进行数据处理，降低了光路调试过程中的配置成本及光路设计的复杂性，有效减少调试所需时间。

3、本发明利用光束的近场二维功率谱密度图，实现光束指向闭环控制，不受光束近场调制度、图像质量、波前畸变等因素的影响，容忍度高，实用性强。

4、本发明可以有效解决光束动态波前倾斜测量、光束测量系统调试、主光路过孔问题判断等光路调试问题，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的近场二维功率谱密度图的量化原理图；

图2是本发明的光束出现明显调制的近场图像；

图3是本发明的光束出现明显调制近场图像的二维功率谱密度图；

图4是本发明的光束出现卡光现象的近场图像；

图5是本发明的光束出现卡光现象近场图像的二维功率谱密度图；

其中，图2、图4中横、纵坐标均表示近场图像的尺寸；

图3、图5中横、纵坐标均表示空间频率。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种光束指向控制方法，包括采集光束近场图像，从所述近场图像中提取光束指向信息并将其进行量化，得到光束指向偏差，根据所述光束指向偏差，实现闭环控制。

具体控制过程包括以下步骤：

(1)由激光源发射激光光束，所述激光光束穿过含滤波小孔的4f成像系统，将穿过所述4f成像系统的光束近场图像成像到激光器的近场测量系统，由所述近场测量系统的电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，简称CCD)采集图像，即得所述光束的近场图像；

(2)对所述近场图像进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，观察所述近场二维功率谱密度图，得到光束指向信息；

所述光束经过滤波小孔的中心时，在所述近场二维功率谱密度图上呈现一个单圆，不需要进行光束指向控制；

所述光束经过滤波小孔时与滤波小孔的中心存在偏差时，在所述近场二维功率谱密度图上呈现两个部分重叠的单圆，所述两个单圆组成一个套圆，所述两个单圆的圆心分别记为A、B，且分别为4f成像系统的滤波小孔像和其共轭像，单圆的直径为D，所述两个单圆组成一个套圆，所述套圆的重合部分中心记为C，圆心A和圆心B的连接线与X轴的夹角记为θ，即得到所述光束指向信息；

(3)对所述近场二维功率谱密度图进行二值化处理，量化所述光束在滤波小孔处的光斑中心与滤波小孔中心的偏差并标记为L，即得到所述光束指向偏差，所述光束的光斑中心与套圆的重合部分中心C重合，所述滤波小孔的中心与滤波小孔像的圆心A重合，所述中心C到圆心A、圆心B之间的距离相等，所述距离即为偏差L，所述两个单圆的最远距离记为S；

所述偏差L分解成X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向的偏差ΔY，所述两个单圆的圆心连接线与X轴的夹角标记为θ，则所述ΔX＝L*cosθ，ΔY＝L*sinθ，且

(4)根据X轴和Y轴方向的偏差，调节激光器内反射镜的姿态，调节光束指向，以缩小光束指向偏差，实现对光束指向闭环控制。

所述滤波小孔像与其共轭像的重叠部分越少，所述光束经过滤波小孔时与滤波小孔中心的偏差越大，即光束指向偏差越大；反之，所述滤波小孔像与其共轭像的重叠部分越多，所述光束经过滤波小孔时与滤波小孔中心的偏差越小，即光束指向偏差越小。

所述激光器的设计标准偏差标记为L′，所述反射镜设置在电动镜架上，通过控制所述电动镜架的电机调节反射镜的姿态，具体调节方法为：

(1)反射镜调节指向信息的系数标定

将所述电机在水平方向和垂直方向，分别移动一步，由所述激光源发射激光光束，利用CCD采集光束的近场图像，并进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，量化指向偏差L1、ΔX1和ΔY1，即完成反射镜调节指向信息的系数标定；

(2)计算电机移动步数

将ΔX与ΔX1、ΔY与ΔY1进行比较，所述反射镜在水平方向、垂直方向的移动步数分别为n1、n2，则

(3)将所述电机在水平方向移动n1步，在垂直方向移动n2步，采集光束的近场图像并量化偏差L2、ΔX2和ΔY2；

(4)将L₂与L′进行比较，若L₂≤L′，则完成光束指向闭环控制过程；若L₂＞L′，则重复进行步骤(2)至(3)，直至L≤L′，完成光束指向闭环控制过程。

所述光束指向控制方法可以在神光-Ⅲ主机和大口径高通量等装置或平台上应用，能够较为便捷地解决光束动态波前倾斜测量、光束测量系统调试、主光路过孔问题判断等光路调试问题。

实施例二：

如图2所示，在预放诊断包测得的光束近场图像上出现明显调制信息，由于预放系统的输出光束近场正常，因此，引起近场调制的原因可能为预放系统至主放系统的传输光路中二次光阑加工误差，也可能为预放诊断包内准直误差。

如图3所示，工作人员对所述预放诊断包测得的光束近场图像，进行傅里叶变换得到近场二维功率谱密度图，所述近场二维功率谱密度图上出现两个单圆，并且两个单圆的重叠部分很少，说明光束在通过预放诊断包基准小孔时，出现了明显的偏差，操作者最终确定光束出现准直偏差的诱因。

针对本实施例中出现的调制信息，传统判断方法是逐级判断，包括以下步骤：

首先，判断是否二次光阑所致，通常通过在二次光阑后打场图，查看近场是否有调制，以判断是否二次光阑的问题；

其次，判断预放诊断包的准直精度，通常在诊断包基准小孔处挂场图，查看光束与小孔偏差来进行判断。

以上所述传统判断方法，需要工作人员到现场进行判断。另外，通常光路都是处于封闭状态，判断过程中需要拆盖，并且，判断过程中需要进行多发预发射，费时费事。

实施例三：

如图4所示，在进行装置主发射前的预发射后，在所述主放诊断包测得的光束近场图像上存在卡光现象。由于主放系统中的小孔转轮包含多种不同尺寸的小孔，根据具体情况，将小孔转轮旋转到合适的小孔组，因此，排除了主放光路中滤波小孔卡光的可能性，引起卡光的原因可能为主放光路末级基准小孔到主放输出间的光学元件卡光，也可能为主放诊断包准直误差。

如图5所示，工作人员对所述主放诊断包测得的光束近场图像，进行傅里叶变换得到近场二维功率谱密度图，所述近场二维功率谱密度图上出现两个单圆，说明光束在通过主放诊断包内的基准小孔时存在偏差，最终导致近场图像上存在缺光现象。在这种情况下可以进行大能量主发射，不影响装置的安全运行。

针对本实施例中出现的卡光现象，传统判断方法是需要重新进行光路准直，包括以下步骤：

(1)逐级判断光束在通过主放光路的光学元件时，是否存在卡光现象；

(2)测量主放诊断包的准直误差，通常需要在基准小孔前挂场图，查看光束与小孔偏差来进行判断。

以上所述传统判断方法，效率低、耗时长，无法保证发次有效性。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (3)

1.一种光束指向控制方法，其特征在于，由激光源发射激光光束，所述激光光束穿过含滤波小孔的4f成像系统，将穿过所述4f成像系统的光束近场图像成像到激光器的近场测量系统，得到光束的近场图像，对所述近场图像进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，观察所述近场二维功率谱密度图，得到光束指向信息并将其进行量化，得到光束指向偏差，根据所述光束指向偏差，实现闭环控制；

对所述近场二维功率谱密度图进行观察的方法为：

在所述近场二维功率谱密度图上呈现一个单圆，此时所述光束经过滤波小孔的中心，即得到所述光束指向信息；

在所述近场二维功率谱密度图上呈现两个部分重叠的单圆，所述两个单圆组成一个套圆，此时所述光束经过滤波小孔时，与滤波小孔的中心存在偏差，即得到所述光束指向信息，所述两个单圆分别为4f成像系统的滤波小孔像和其共轭像，所述滤波小孔像与其共轭像的重叠部分越少，所述光束经过滤波小孔时，与滤波小孔中心的偏差越大；

对所述光束指向信息进行量化的方法为：

对所述近场二维功率谱密度图进行二值化处理，量化所述光束在滤波小孔处的光斑中心与滤波小孔中心的偏差并标记为L，即得到所述光束指向偏差，所述光束的光斑中心与套圆的重合部分中心重合，所述滤波小孔的中心与滤波小孔像的中心重合，所述偏差L分解成X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向的偏差ΔY，所述两个单圆的圆心连接线与X轴的夹角标记为θ，则所述ΔX＝L*cosθ，ΔY＝L*sinθ，所述偏差L与单圆的直径D、两个单圆的最远距离S匹配，且

2.根据权利要求1所述的一种光束指向控制方法，其特征在于：根据所述光束指向偏差，实现闭环控制：

根据X轴和Y轴方向的偏差，调节激光器内反射镜的姿态，调节光束指向，以缩小光束指向偏差，实现对光束指向闭环控制。

3.根据权利要求2所述的一种光束指向控制方法，其特征在于：所述激光器的设计标准偏差标记为L′，所述反射镜设置在电动镜架上，通过控制所述电动镜架的电机调节反射镜的姿态，具体调节方法为：

(1)反射镜调节指向信息的系数标定

将所述电机在水平方向和垂直方向，分别移动一步，由所述激光源发射激光光束，利用所述近场测量系统采集光束的近场图像，并进行傅里叶变换，得到近场二维功率谱密度图，量化指向偏差L₁、ΔX₁和ΔY₁，即完成反射镜调节指向信息的系数标定；

(2)计算电机移动步数

将ΔX与ΔX₁、ΔY与ΔY₁进行比较，所述反射镜在水平方向、垂直方向的移动步数分别为n₁、n₂，则

(3)将所述电机在水平方向移动n₁步，在垂直方向移动n₂步，采集光束的近场图像并量化偏差L₂、ΔX₂和ΔY₂；

(4)将L₂与L′进行比较，若L₂≤L′，则完成光束指向闭环控制过程；若L₂＞L′，则重复进行步骤(2)至(3)，直至L≤L′，完成光束指向闭环控制过程。