CN110806219B - 一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统 - Google Patents

一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统 Download PDF

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Abstract

一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，通过频率裂解分析器实时激励并检测待修调工件的惯性特性变化，反馈并控制超快激光同步精准去重，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件激光微量修调功能。修调过程和检测过程都在真空腔室中完成，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件在位修调的功能；还通过光电探测器、电光调制器和检偏器精确控制激光修调的脉冲数目，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件亚微克精度修调的技术指标。本发明具有修调操作简便、修调精度高、修调区域可控等优点，在航空航天领域惯性导航系统中具有广泛的应用前景。

Description

一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统
技术领域
本发明属于谐振式惯性器件制造技术领域，具体涉及到一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统。
背景技术
谐振式惯性器件，主要包括半球谐振陀螺，微半球谐振陀螺、石英摆片加速度计和石英振梁加速度计等。谐振式惯性器件具有精度高、能耗低、寿命长、抗冲击，结构简单、免维护等特点，近年来在航空航天领域得到广泛应用。谐振式惯性器件敏感功能构件因挠曲变形形成具有谐振特性的驻波，在外界激励条件下驻波会引起振型进动，检测其频率裂解值变化可获知姿态或位置信息。
谐振式惯性器件敏感功能构件惯性特性，直接影响着谐振式惯性器件精度和可靠性。在实际加工制造中，由于敏感功能构件质量分布不平衡引起其不同方位的谐振频率差异，导致驻波频率裂解增大，造成谐振式惯性器件工作性能下降。因此需要进行谐振式惯性器件敏感功能构件的修调工艺，完成敏感功能构件表面特定区域精确质量去重，提升其惯性特性，确保谐振式惯性仪表性能。
目前谐振式惯性器件敏感功能构件的修调设备有离子束刻蚀、化学腐蚀、机械研磨和激光烧蚀等四类。这几类修调设备均存在一些技术瓶颈：离子束刻蚀所需设备昂贵且修调操作复杂，化学腐蚀设备修调定位精度差，机械研磨设备残余应力较大，激光烧蚀设备去重精度差。
为了提升修调的质量精度和位置精度，简化修调工艺流程，减小残余应力产生，需要研究一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，解决目前设备修调效率低、修调去重精度差的技术问题。该系统具有修调操作简便、修调精度高、修调区域可控等优点。
本发明采用的技术方案为:
一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，包括超快激光器、分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器、检偏器、激光加工头、激励及检测工装、多轴运动平台、频率裂解分析器、工控机、真空腔室及真空泵；
超快激光器输出超快激光脉冲光束，通过分束器将激光光束分成两束，较弱一束送入光电探测器，用于时域同步信号触发，光电探测器将所述较弱激光光束的光信号转变为同步触发的电信号，并提供给工控机；
较强一束通过起偏器输出水平线偏振光，再透过电光调制器改变激光的偏振方向，然后入射至检偏器；通过偏振器之后的激光光束送入激光加工头进行激光聚焦，并定位于待加工工件表面细小区域；
待加工工件装配在激励及检测工装上，再放置在多轴运动平台上，通过调节多轴运动平台调整待加工工件的修调区域；
待加工工件、激励及检测工装、多轴运动平台均放置在真空腔室内部，同时通过真空泵维持真空腔室真空度；
激励及检测工装激励所述待加工工件的固有振动特性，同时检测待加工工件的固有振动频率，提供给频率裂解分析器，频率裂解分析器测量所述待加工工件的固有频率裂解值，确定并输出所述待加工工件的修调的具体区域和去重重量给工控机，工控机根据所述修调的具体区域控制多轴运动平台对准修调的具体区域，根据所述同步触发电信号控制电光调制器的工作状态，实现激光脉冲数目的控制，进而匹配所述去重重量。
进一步的，所述电光调制器用于快速改变激光的偏振方向，当没有触发信号时，激光偏振方向不变；当其受到触发时，改变激光偏振方向与之前的成90°角。
进一步的，所述检偏器用于设定激光的偏振方向，其偏振方向与前面起偏器的偏振方向相互垂直。
进一步的，通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器的联合工作，控制飞秒激光输出的脉冲数目，实现石英半球谐振子精确去重。
进一步的，所述超快激光器的波长为750nm-1080nm基频、375nm-540nm二次谐波或250nm-360nm三次谐波，脉冲宽度在10fs到10ps范围内，脉冲能量在1nJ到10μJ范围内，脉冲重复率在10Hz到100MHz范围内，光束指向稳定性精度≤10μrad/nm，激光功率稳定性精度≤1％，激光发散角≤5mrad，和光束质量M2≤1.5。
进一步的，分束器的反射率≤10％或者≥90％；光电探测器的采集响应时间≤100ns。
进一步的，所述起偏器的偏振方向优选为水平方向。
进一步的，所述电光调制器的触发响应时间≤100ns，所述检偏器的偏振方向优选为竖直方向。
进一步的，所述激光加工头为聚焦物镜，其放大倍率在5X到100X范围内，所述激励及检测工装的激励频率在5KHz到200KHz范围内，检测频率在5KHz到200KHz范围内。
进一步的，多轴运动平台优选为定位精度≤10μm的六自由度运动平台；所述频率裂解分析器的频率分辨率≤0.01Hz，真空腔室的真空度≤1Pa。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)与当前修调设备相比，本发明系统通过激光加工头和激励及检测工装将激光去重和工件检测两个工序在同一真空腔室内完成，激光去重后可直接检测待加工工序谐振特性变化，实现超快激光在位修调功能，避免上述两工序之间工件装配与定位操作，修调步骤简便。
(2)与当前修调设备相比，本发明系统通过超快激光器输出激光的持续时间超短且吸收能量低，则单个超短脉冲去除材料重量≤0.1μg，通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器快速控制激光传输光路通断，精确控制激光作用待加工工件的脉冲个数完成高精度去重功能，可实现修调重量精度≤0.1μg
(3)与当前修调设备相比，本发明系统通过激光加工头和多轴运动平台精确调节至待加工工件修调位置，利用激光高精度指向和多轴运动平台精密移动，可实现修调定位精度≤1μm。
附图说明
图1是本发明修调系统的示意图。
附图标号说明：
101-超快激光器；102-分束器；103-光电探测器；104-起偏器；105-电光调制器；106-检偏器；107-激光加工头；108-待加工工件；109-激励及检测工装；110-多轴运动平台；111-频率裂解分析器；112-工控机；113-真空腔室；114-真空泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明公开了谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，属于谐振式惯性器件制造技术领域。本发明所公开的谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，包括超快激光器、分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器、检偏器、激光加工头、激励及检测工装、多轴运动平台、频率裂解分析器、工控机、真空腔室及真空泵。
通过频率裂解分析器实时激励并检测待修调工件的惯性特性变化，反馈并控制超快激光同步精准去重，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件激光微量修调功能。修调过程和检测过程都在真空腔室中完成，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件在位修调的功能；还通过光电探测器、电光调制器和检偏器精确控制激光修调的脉冲数目，可实现谐振式惯性器件敏感功能构件亚微克精度修调的技术指标。本发明系统具有修调操作简便、修调精度高、修调区域可控等优点，在航空航天领域惯性导航系统中具有广泛的应用前景。
具体的，如图1所示，本发明所述修调系统包括超快激光器、分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器、检偏器、激光加工头、激励及检测工装、多轴运动平台、频率裂解分析器、工控机、真空腔室及真空泵。
优选的，所述待测工件优选为半球型谐振器，圆柱型谐振子、摆片式谐振器和振梁式谐振器等。
超快激光器输出超快激光脉冲光束，通过分束器将激光光束分成两束，较弱一束用于时域同步信号触发，较强一束用于激光修调。
优选的，所述超快激光器的波长优选为750nm-1080nm基频或375nm-540nm二次谐波或250nm-360nm三次谐波，脉冲宽度在10fs到10ps范围内，脉冲能量在1nJ到10μJ范围内，脉冲重复率在10Hz到100MHz范围内，光束指向稳定性精度≤10μrad/nm，激光功率稳定性精度≤1％，激光发散角≤5mrad，和光束质量M2≤1.5。由于超快激光作用时间短且吸收能量低，单个超短脉冲去除材料重量≤0.1μg。
优选的，所述分束器的反射率≤10％或者≥90％。
较弱一束送入光电探测器，用于时域同步信号触发，光电探测器将所述较弱激光光束的光信号转变为同步触发的电信号，并提供给工控机；
优选的，所述光电探测器的采集响应时间≤100ns。
起偏器输出线偏振光光束，并使其偏振方向固定为某特定方向，包括水平线偏光。较强一束通过起偏器输出水平线偏振光，再透过电光调制器改变激光的偏振方向，然后入射至检偏器；通过偏振器之后的激光光束送入激光加工头进行激光聚焦，并定位于待加工工件表面细小区域；激光加工头用于将激光聚焦于细小区域进行去重。由于单个超短脉冲去除材料重量≤0.1μg，通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器快速控制激光传输光路通断，精确控制激光作用待加工工件的脉冲个数完成高精度去重功能，可实现修调重量精度≤0.1μg。
优选的，所述激光加工头优选为聚焦物镜，其放大倍率在5X到100X范围内。
优选的，所述检偏器的偏振方向优选为竖直方向。
电光调制器用于快速改变激光的偏振方向。当没有触发信号时，激光偏振方向不变；当其受到触发时，改变激光偏振方向与之前的成90°角。
优选的，所述电光调制器的触发响应时间≤100ns。
待加工工件装配在激励及检测工装上，再放置在多轴运动平台上，通过调节多轴运动平台调整待加工工件的修调区域；通过激光加工头和多轴运动平台精确调节至待加工工件修调位置，利用激光高精度指向和多轴运动平台精密移动，可实现修调定位精度≤1μm。
待加工工件、激励及检测工装、多轴运动平台均放置在真空腔室内部，同时通过真空泵维持真空腔室真空度；通过激光加工头和激励及检测工装将激光去重和工件检测两个工序在同一真空腔室内完成，激光去重后可直接检测待加工工序谐振特性变化，实现超快激光在位修调功能，避免上述两工序之间工件装配与定位操作，修调步骤简便。
激励及检测工装激励所述待加工工件的固有振动特性，优选的，所述激励及检测工装的激励频率在5KHz到200KHz范围内，检测频率在5KHz到200KHz范围内。
同时检测待加工工件的固有振动频率，提供给频率裂解分析器，频率裂解分析器测量所述待加工工件的固有频率裂解值，确定并输出所述待加工工件的修调的具体区域和去重重量给工控机，工控机根据所述修调的具体区域控制多轴运动平台对准修调的具体区域，根据所述同步触发电信号控制电光调制器的工作状态，实现激光脉冲数目的控制，进而匹配所述去重重量。
优选的，所述多轴运动平台优选为定位精度≤10μm的六自由度运动平台。
优选的，所述频率裂解分析器的频率分辨率≤0.01Hz。
优选的，所述真空腔室的真空度≤1Pa。
优选的，所述真空泵优选为机械真空泵。
本发明给出的实施例：
根据本发明实施例的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，如图1所示。所述谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，包括：超快激光器101、分束器102、光电探测器103、起偏器104、电光调制器105、检偏器106、激光加工头107、待加工工件108、激励及检测工装109、多轴运动平台110、频率裂解分析器111、工控机112、真空腔室113、真空泵114。
所述超快激光器101的波长为1030nm，脉冲宽度为200fs，脉冲能量为10nJ，脉冲重复率为200KHz，光束指向稳定性精度为1μrad/nm，激光功率稳定性精度为0.1％，激光发散角为1mrad，和光束质量M2为1.2。
所述分束器102的反射率为1％。
所述光电探测器103的采集响应时间为10ns。
所述起偏器104的偏振方向为水平方向。
所述电光调制器105的触发响应时间为10ns。
所述检偏器106的偏振方向为竖直方向。
所述激光加工头107为聚焦物镜，其放大倍率为50X。
所述待测工件108为半球谐振陀螺用石英半球谐振子。
所述激励及检测工装109的激励频率为5KHz，检测频率为5KHz。
所述多轴运动平台110为六自由度运动平台，其定位精度为1μm。
所述频率裂解分析器111的频率分辨率为0.001Hz。
所述真空腔室112的真空度为0.1Pa。
所述真空泵113为机械真空泵。
根据本发明实施例的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统的工作过程：
开启超快激光器101输出飞秒激光脉冲光束。通过超快激光器输出激光的持续时间超短且吸收能量低，单个飞秒激光脉冲作用于石英玻璃的质量去重为0.1μg，则通过控制激光脉冲数目可实现飞秒激光修调去重精度为0.1μg。
飞秒激光通过分束器102分为两束激光。较弱光束被反射至光电探测器103，产生时域同步信号。另一束光束通过水平偏振的起偏器104，再透过电光调制器105，然后入射至竖直偏振的检偏器106。当电光调制器处于触发状态，检偏器106输出飞秒激光；当电光调制器未被触发，检偏器106无法输出激光。通过分束器102、光电探测器103、起偏器104、电光调制器105和检偏器106的联合工作，可控制飞秒激光输出的脉冲数目，实现石英半球谐振子精确去重。通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器快速控制激光传输光路通断，精确控制激光作用待加工工件的脉冲个数完成高精度去重功能，可实现修调重量精度为0.1μg。
飞秒激光通过激光加工头107后聚焦为直径1μm的光斑，并定位于待加工工件108表面某细小区域；而待加工工件108放置在多轴运动平台110上，通过调节多轴运动平台110相对激光光斑的特定位置，可实现修调区域定位精度达到1μm。通过激光加工头和多轴运动平台精确调节至待加工工件修调位置，利用激光高精度指向和多轴运动平台精密移动，实现修调定位精度为1μm。
待加工工件108装配在激励及检测工装109上，放置在真空腔室113内部，同时通过真空泵114维持真空腔室113真空度至0.1Pa。通过待加工工件108、激励及检测工装109、真空腔室113和真空泵114的联合工作，可高精度检测频率裂解值变化，实现石英半球谐振子在位修调。通过激光加工头和激励及检测工装将激光去重和工件检测两个工序在同一真空腔室内完成，激光去重后可直接检测待加工工序谐振特性变化，实现超快激光在位修调功能，避免上述两工序之间工件装配与定位操作，修调步骤简便。
激励及检测工装109激励所述待加工工件108的固有振动特性，同时检测待加工工件108的固有振动频率，提供给频率裂解分析器111，频率裂解分析器111测量所述待加工工件108的固有频率裂解值，确定并输出所述待加工工件108的修调的具体区域和去重重量给工控机112，工控机112根据所述修调的具体区域控制多轴运动平台110对准修调的具体区域，根据所述同步触发电信号控制电光调制器105的工作状态，实现激光脉冲数目的控制，进而匹配所述去重重量。
重新开始进行上述修调过程，直至激励及检测工装109检测待加工工件108频率裂解值结果满足加工要求，即检测模态与激励模态频差波动范围小于0.001Hz。
本发明系统通过激光加工头和激励及检测工装将激光去重和工件检测两个工序在同一真空腔室内完成，激光去重后可直接检测待加工工序谐振特性变化，实现超快激光在位修调功能，避免上述两工序之间工件装配与定位操作，修调步骤简便。通过超快激光器输出激光的持续时间超短且吸收能量低，则单个超短脉冲去除材料重量为0.1μg，通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器快速控制激光传输光路通断，精确控制激光作用待加工工件的脉冲个数完成高精度去重功能，实现修调重量精度达0.1μg。本发明系统通过激光加工头和多轴运动平台精确调节至待加工工件修调位置，利用激光高精度指向和多轴运动平台精密移动，可实现修调定位精度为1μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：包括超快激光器、分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器、检偏器、激光加工头、激励及检测工装、多轴运动平台、频率裂解分析器、工控机、真空腔室及真空泵；
超快激光器输出超快激光脉冲光束，通过分束器将激光光束分成两束，功率较弱激光光束送入光电探测器，用于时域同步信号触发，光电探测器将功率较弱激光光束的光信号转变为同步触发的电信号，并提供给工控机；
功率较强激光光束通过起偏器输出水平线偏振光，再透过电光调制器改变激光的偏振方向，然后入射至检偏器；通过偏振器之后的功率较强激光光束送入激光加工头进行激光聚焦，并定位于待加工工件表面细小区域；
待加工工件装配在激励及检测工装上，再放置在多轴运动平台上，通过调节多轴运动平台调整待加工工件的修调区域；
待加工工件、激励及检测工装、多轴运动平台均放置在真空腔室内部，同时通过真空泵维持真空腔室真空度；
激励及检测工装激励所述待加工工件的固有振动特性，同时检测待加工工件的固有振动频率，提供给频率裂解分析器，频率裂解分析器测量所述待加工工件的固有频率裂解值，确定并输出所述待加工工件的修调的具体区域和去重重量给工控机，工控机根据所述修调的具体区域控制多轴运动平台对准修调的具体区域，根据所述同步触发电信号控制电光调制器的工作状态，实现激光脉冲数目的控制，进而匹配所述去重重量。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述电光调制器用于快速改变激光的偏振方向，当没有触发信号时，激光偏振方向不变；当其受到触发时，改变激光偏振方向与之前的成90°角。
3.根据权利要求1所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述检偏器用于设定激光的偏振方向，其偏振方向与前面起偏器的偏振方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：通过分束器、光电探测器、起偏器、电光调制器和检偏器的联合工作，控制飞秒激光输出的脉冲数目，实现石英半球谐振子精确去重。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述超快激光器的波长为750nm-1080nm基频、375nm-540nm二次谐波或250nm-360nm三次谐波，脉冲宽度在10fs到10ps范围内，脉冲能量在1nJ到10μJ范围内，脉冲重复率在10Hz到100MHz范围内，光束指向稳定性精度≤10μrad/nm，激光功率稳定性精度≤1％，激光发散角≤5mrad，和光束质量M2≤1.5。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：分束器的反射率≤10％或者≥90％；光电探测器的采集响应时间≤100ns。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述起偏器的偏振方向为水平方向。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述电光调制器的触发响应时间≤100ns，所述检偏器的偏振方向为竖直方向。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：所述激光加工头为聚焦物镜，其放大倍率在5X到100X范围内，所述激励及检测工装的激励频率在5KHz到200KHz范围内，检测频率在5KHz到200KHz范围内。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的一种谐振式惯性器件敏感功能构件超快激光微量修调系统，其特征在于：多轴运动平台为定位精度≤10μm的六自由度运动平台；所述频率裂解分析器的频率分辨率≤0.01Hz，真空腔室的真空度≤1Pa。
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