CN107026386B - 一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置。以两路时序合成为例，该装置由1号脉冲子激光器(1)、2号脉冲子激光器(2)、1号可调反射镜(3)、2号可调反射镜(4)、合束转盘(5)、成像镜头(6)、光电传感器(7)、1号触发信号源(8)、2号触发信号源(9)、处理系统(10)和信号发生器(11)组成。该装置在合束转盘(5)后利用成像镜头(6)与光电传感器(7)测量光束指向，通过触发信号判断当前出光的脉冲子激光器，驱动该脉冲子激光器对应的可调反射镜偏转，使该路光束指向与基准一致。利用该装置可用单个光电传感器和单套处理系统控制多路时序合成光束的指向，改善合成后的光束质量。

Description

一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置
技术领域
本发明涉及光束合成的技术领域，具体涉及一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，可用于改善脉冲光束时序合成后的光束质量。
背景技术
单台激光器输出功率存在物理限制，为获得更高的输出功率，通常采用多台子激光器光束合成的方式。光束合成方式包括相干合成与非相干合成两种。相干合成对各子激光器的线宽、偏振态、相位有严格的要求，实现较为困难。与相干合成相比，非相干合成方式对与子激光器相位等没有严格限制，结构简单，易于实现。非相干合成主要包括谱合成、偏振合成、非相干组束以及时序合成等方式。其中时序合成方式理论上合成后光束质量与单束激光相同，具有良好的发展前景。
时序合成的核心器件是基于折射原理的合束转盘。合束转盘上均匀分布合束晶体和合束孔，通过精确控制转盘转速、位置以及子激光器出光时序实现光束时序合成(见于李红敏，左军卫，徐健，徐一汀，彭钦军，许祖彦，“脉冲激光的非相干合成技术研究”，激光技术.39,237-241,2015)。受到子激光光轴抖动、合束转盘振动、合束晶体表明不平行等因素的影响，合成后各子光束的指向无法保持一致，降低了合成光束质量。为了获得良好的合成光束质量，必须对各子激光的指向做有效控制。目前尚未有时序合成光束指向控制装置或方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决脉冲光束时序合成各子光束指向不一致问题，提供一种用于脉冲光束时序合成的指向控制装置，提高合成后的光束质量。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，该装置由1号脉冲子激光器、2号脉冲子激光器、1号可调反射镜、2号可调反射镜、合束转盘、成像镜头、光电传感器、1号触发信号源、2号触发信号源、处理系统与信号发生器组成；1号触发信号源与1号脉冲子激光器、光电传感器和处理系统通过数据线缆连接；2号触发信号源与2号脉冲子激光器、光电传感器和处理系统通过数据线缆连接；处理系统与光电传感器和1号可调反射镜、2号可调反射镜通过数据线缆连接；光电传感器置于成像镜头的焦平面；信号发生器与1号触发信号源、2号触发信号源通过数据线缆连接。1号触发信号源输出脉冲触发信号时，1号脉冲子激光器输出激光，光电传感器探测光斑位置并发送到处理系统，处理系统根据接收到的光斑位置信号驱动1号可调反射镜动作；1号触发信号源输出脉冲触发信号时2号触发信号源不输出触发信号，2号脉冲子激光器不输出激光。2号触发信号源输出脉冲触发信号时，2号脉冲子激光器输出激光，光电传感器探测光斑位置并发送到处理系统，处理系统根据接收到的光斑位置信号驱动2号可调反射镜动作；2号触发信号源输出脉冲触发信号时1号触发信号源不输出触发信号，1号脉冲子激光器不输出激光。处理系统根据接收到的触发信号源触发信号判断当前输出激光的脉冲子激光器，控制该子激光器对应的可调反射镜偏转，使光电传感器探测到的光斑位置达到基准预定位置。
其中，信号发生器发出第奇数个脉冲信号时，1号触发信号源输出脉冲触发信号，1号脉冲子激光器输出激光，2号触发信号源不输出脉冲触发信号，2号脉冲子激光器不输出激光。
其中，信号发生器发出第偶数个脉冲信号时，2号触发信号源输出脉冲触发信号，2号脉冲子激光器输出激光，1号触发信号源不输脉冲出触发信号，1号脉冲子激光器不输出激光。
其中，1号可调反射镜和2号可调反射镜可以是压电陶瓷、电致伸缩材料、音圈电机驱动器倾斜镜，也可以是安装在电控镜架上的反射镜。
其中，光电传感器可以是CCD或CMOS相机，也可以是四象限探测器或PSD。
其中，处理系统可以是计算机，也可以是专用集成电路板。
另外提供一种用于脉冲光束时序合成的自动指向控制装置的控制方法，处理系统根据接收到的触发信号判断当前输出激光的脉冲子激光器，控制该脉冲子激光器对应的可调反射镜动作，使光电传感器探测到的光斑位置达到基准预定位置，具体实现步骤如下：
步骤1).指定光电传感器上的位置坐标(x0，y0)作为光斑基准位置，通常(x0，y0)选为光电传感器的中心；
步骤2).处理系统接收到1号触发信号源的脉冲触发信号时，表明1号脉冲子激光器输出激光，处理系统接收光电传感器输出的光斑位置坐标(x1，y1)计算光斑坐标偏差(Δx1，Δy1)，其中Δx1＝x1-x0，Δy1＝y1-y0，处理系统向1号可调反射镜输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)，在此过程中维持2号可调反射镜指向不变；
步骤3).处理系统接收到2号触发信号的脉冲触发信号时，表明2号脉冲子激光器输出激光，处理系统接收光电传感器输出的光斑位置坐标(x2，y2)计算光斑坐标偏差(Δx2，Δy2)，其中Δx2＝x2-x0，Δy2＝y2-y0，处理系统向2号可调反射镜输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)，在此过程中维持1号可调反射镜指向不变；
步骤4).重复执行步骤2)与步骤3)。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图，其中1为1号脉冲子激光器，2为2号脉冲子激光器，3为1号可调反射镜，4为2号可调反射镜，5为合束转盘，6为成像镜头，7为光电传感器，8为1号触发信号源，9为2号触发信号源，10为处理系统，11为信号发生器。
图2为本发明用于2台脉冲子激光器时序合成指向控制时的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，该装置由1号脉冲子激光器1、2号脉冲子激光器2、1号可调反射镜3、2号可调反射镜4、合束转盘5、成像镜头6、光电传感器7、1号触发信号源8、2号触发信号源9、处理系统10和信号发生器11组成。1号触发信号源8与1号脉冲子激光器1、光电传感器7和处理系统10通过数据线缆连接；2号触发信号源9与2号脉冲子激光器2、光电传感器7和处理系统10通过数据线缆连接；处理系统10与光电传感器7、1号可调反射镜3、2号可调反射镜4通过数据线缆连接；信号发生器11与1号触发信号源8、2号触发信号源9通过数据线缆连接；光电传感器7置于成像镜头6的焦平面。利用光电传感器7上的光斑位置确定光束指向。其中1号可调反射镜3和2号可调反射镜4可以是压电陶瓷、电致伸缩材料、音圈电机等驱动器倾斜镜，也可以是安装在电控镜架上的反射镜。光电传感器7可以是CCD或CMOS相机，也可以是四象限探测器或PSD。处理系统10可以是计算机，也可以是专用集成电路板。
信号发生器11发出第奇数个脉冲信号时，1号触发信号源8输出的脉冲触发信号处在上升沿或高电平，1号脉冲子激光器1出光，此时2号脉冲子激光器2不出光。光电传感器7探测光斑位置并发送到处理系统10。处理系统10根据接收到的光斑位置信号驱动1号可调反射镜3偏转，调整1号脉冲子激光器1的光束指向。
信号发生器11发出第偶数个脉冲信号时，2号触发信号源9输出的脉冲触发信号处在上升沿或高电平，2号脉冲子激光器2出光，此时1号脉冲子激光器1不出光。光电传感器7探测光斑位置并发送到处理系统10。处理系统10根据接收到的光斑位置信号驱动2号可调反射镜4偏转，调整2号脉冲子激光器2的光束指向。
当光电传感器7是CCD或CMOS相机时，光斑位置通过计算相机采集到的光斑质心位置得到；当光电传感器7是四象限探测器或PSD时，直接输出光斑位置信号。
处理系统10根据接收到的触发信号判断当前输出激光的脉冲子激光器，并控制该脉冲子激光器对应的可调反射镜动作，使光电传感器(7)探测到的光斑位置达到基准位置，具体实现步骤如下：
步骤1).指定光电传感器7上的位置坐标(x0，y0)作为光斑基准位置，通常(x0，y0)选为光电传感器7的中心。
步骤2).处理系统10接收到1号脉冲触发信号8时，表明1号脉冲子激光器1正在输出激光，处理系统10接收光电传感器7输出的光斑位置坐标(x1，y1)计算光斑坐标偏差(Δx1，Δy1)，其中Δx1＝x1-x0，Δy1＝y1-y0，处理系统10向1号可调反射镜3输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)。在此过程中维持2号可调反射镜4指向不变。
步骤3).处理系统10接收到2号脉冲触发信号9时，表明2号脉冲子激光器2输出激光，处理系统10接收光电传感器7输出的光斑位置坐标(x2，y2)计算光斑坐标偏差(Δx2，Δy2)，其中Δx2＝x2-x0，Δy2＝y2-y0，处理系统10向2号可调反射镜4输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)。在此过程中维持1号可调反射镜4指向不变。
步骤4).重复执行步骤2)与步骤3)。
其中处理系统10采用PID控制器控制1号可调反射镜3和2号反射镜4偏转。PID控制器原理和实现方式属于本领域公知技术，在此不再赘述。
上述实施方式以2台脉冲子激光器时序合成指向控制为例进行说明。用于更多台脉冲子激光器时序合成指向控制时，仅需要为每台子激光器再配置一个可调反射镜与一台触发信号源，连接方式与控制原理与上述说明一致。
实施例
用于两路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，1号子激光器与2号子激光器重复频率均为1000Hz。信号发生器输出频率为2000Hz的TTL脉冲信号，高电平触发；1号触发信号源与2号触发信号源输出频率均为1000Hz的TTL脉冲信号，高电平触发；光电传感器选用CMOS相机，采样率为2000Hz；可调反射镜选用压电陶瓷驱动器倾斜镜，动作频率为1000Hz；处理系统采用基于实时Linux操作系统的计算机，处理频率为2000Hz。当信号发生器输出第1、3、5、7…个脉冲时，1号触发信号源输出TTL脉冲触发信号；当信号发生器输出第2、4、6、8…个脉冲时，2号触发信号源输出TTL脉冲触发信号。图2给出了本装置工作的时序图。图中脉冲子激光器出光时用1表示，不出光时用0表示。光电探测器探测光斑时用1表示，不工作时用0表示。处理系统解算控制信号时用1表示，不工作时用0表示。可调反射镜偏转用1表示，保持位置用0表示。

Claims (7)

1.一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：该装置由1号脉冲子激光器(1)、2号脉冲子激光器(2)、1号可调反射镜(3)、2号可调反射镜(4)、合束转盘(5)、成像镜头(6)、光电传感器(7)、1号触发信号源(8)、2号触发信号源(9)、处理系统(10)与信号发生器(11)组成，1号触发信号源(8)与1号脉冲子激光器(1)、光电传感器(7)和处理系统(10)通过数据线缆连接；2号触发信号源(9)与2号脉冲子激光器(2)、光电传感器(7)和处理系统(10)通过数据线缆连接；处理系统(10)与光电传感器(7)、1号可调反射镜(3)、2号可调反射镜(4)通过数据线缆连接；光电传感器(7)置于成像镜头(6)的焦平面；信号发生器(11)与1号触发信号源(8)、2号触发信号源(9)通过数据线缆连接；1号触发信号源(8)输出脉冲触发信号时，1号脉冲子激光器(1)输出激光，光电传感器(7)探测光斑位置并发送到处理系统(10)，处理系统(10)根据接收到的光斑位置信号驱动1号可调反射镜(3)动作；1号触发信号源(8)输出脉冲触发信号时2号触发信号源(9)不输出触发信号，2号脉冲子激光器(2)不输出激光；2号触发信号源(9)输出脉冲触发信号时，2号脉冲子激光器(2)输出激光，光电传感器(7)探测光斑位置并发送到处理系统(10)，处理系统(10)根据接收到的光斑位置信号驱动2号可调反射镜(4)动作；2号触发信号源(9)输出脉冲触发信号时1号触发信号源(8)不输出触发信号，1号脉冲子激光器(1)不输出激光；处理系统(10)根据接收到的触发信号源触发信号判断当前输出激光的脉冲子激光器，控制该子激光器对应的可调反射镜偏转，使光电传感器(7)探测到的光斑位置达到基准预定位置。
2.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：信号发生器(11)发出第奇数个脉冲信号时，1号触发信号源(8)输出脉冲触发信号，1号脉冲子激光器(1)输出激光，2号触发信号源(9)不输出脉冲触发信号，2号脉冲子激光器(2)不输出激光。
3.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：信号发生器(11)发出第偶数个脉冲信号时，2号触发信号源(9)输出脉冲触发信号，2号脉冲子激光器(2)输出激光，1号触发信号源(8)不输脉冲出触发信号，1号脉冲子激光器(1)不输出激光。
4.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：1号可调反射镜(3)和2号可调反射镜(4)可以是压电陶瓷、电致伸缩材料、音圈电机驱动器倾斜镜，也可以是安装在电控镜架上的反射镜。
5.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：光电传感器(7)可以是CCD或CMOS相机，也可以是四象限探测器或PSD。
6.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置，其特征在于：处理系统(10)可以是计算机，也可以是专用集成电路板。
7.如权利要求1所述的一种用于多路脉冲光束时序合成的自动指向控制装置的控制方法，其特征在于：处理系统(10)根据接收到的触发信号判断当前输出激光的脉冲子激光器，控制该脉冲子激光器对应的可调反射镜动作，使光电传感器(7)探测到的光斑位置达到基准预定位置，具体实现步骤如下：
步骤1).指定光电传感器(7)上的位置坐标(x0，y0)作为光斑基准位置，通常(x0，y0)选为光电传感器(7)的中心；
步骤2).处理系统(10)接收到1号触发信号源(8)的脉冲触发信号时，表明1号脉冲子激光器(1)输出激光，处理系统(10)接收光电传感器(7)输出的光斑位置坐标(x1，y1)计算光斑坐标偏差(Δx1，Δy1)，其中Δx1＝x1-x0，Δy1＝y1-y0，处理系统(10)向1号可调反射镜(3)输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)，在此过程中维持2号可调反射镜(4)指向不变；
步骤3).处理系统(10)接收到2号触发信号(9)的脉冲触发信号时，表明2号脉冲子激光器(2)输出激光，处理系统(10)接收光电传感器(7)输出的光斑位置坐标(x2，y2)计算光斑坐标偏差(Δx2，Δy2)，其中Δx2＝x2-x0，Δy2＝y2-y0，处理系统(10)向2号可调反射镜(4)输出偏转控制信号使其偏转，令光斑位置达到(x0，y0)，在此过程中维持1号可调反射镜(3)指向不变；
步骤4).重复执行步骤2)与步骤3)。
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