CN111755936A - 高精度光路准直反射镜调整机构及调整方法 - Google Patents

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张海青
姜卓偲
林强
刘代中
朱宝强
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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Abstract

一种适用于激光光路准直的高精度反射镜调整机构以及调整方法。机构包括：计算机控制系统、压电陶瓷驱动电源、步进电机驱动器步进电机、柔性联轴器、圆柱销、由丝杠和螺母组成的运动副、位于该丝杠顶端的压电促动器、连杆、以及分别连接在该连杆两端的复位弹簧和反射镜；所述的丝杠和螺母组成的运动副将步进电机的旋转运动转化为所述丝杠的直线运动，从而实现所述连杆绕点O1的转动，则同时带动反射镜实现绕点O2的转动，从而最终实现反射镜的角度α调节。步进电机负责大行程误差的调整，压电陶瓷负责微小量误差的调整，同时还可以利用压电陶瓷的位移量补偿执行机构的反向间隙问题。实现高功率激光装置光路高效、高精度的自动准直。

Description

高精度光路准直反射镜调整机构及调整方法
技术领域
本发明属于高功率激光领域，涉及一种适用于高功率激光装置光路自动准直的调整机构及调整方法。
背景技术
光路自动准直是大型惯性约束聚变激光装置不可或缺的重要组成部分，是惯性约束聚变高效、精密运行的重要保证。对于已调好的高功率激光装置光路，由于温度变化、反射镜机械结构蠕变、地基和支撑框架微振动、振荡器输出光束方向漂移和其他随机因素的影响，通常会造成光束偏离原定光路，光路自动准直的任务就是通过逐段检测光束位置和方向的偏差，由前向后依次调整光路中的反射镜，使各路光束恢复到原定光路上。如在图2所示的光路中，第一反射镜及其调整机构、第二反射镜及其调整机构、空间滤波器3和第三反射镜是高功率激光装置主光路的一部分，远场探测装置有成像透镜6和远场探测器7构成，空间滤波器滤波器3具有小孔4。主光路光路自动准直的步骤是：让小孔4被主光束照明，然后使得小孔4经过成像透镜6成像到远场探测器7上，由于小孔4的面也是激光束焦面所在位置，这样激光束焦斑也同时成像到远场探测器7上，通过图像处理手段能够得到小孔中心和焦斑中心的位置误差，通过调整反射镜2就能够使得小孔中心与焦斑中心重合，实现光路准直调整。
随着激光聚变技术的迅速发展、光束口径和光路数急剧增多、光路长度和元器件数目成倍增长，对准直速度及精度的要求也越来越高。目前光路准直的执行机构主要依靠步进电机驱动丝杠螺旋副来完成。一方面，这样的机械结构不可避免出现反向间隙，在步进电机频繁换向时会影响准直效率。另一方面，受限于步进电机最小步进的影响，当光斑位置误差在步进电机最小步进调整量附近时，会出现调整误差震荡的现象，从而影响准直效率和准直精度。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
一种适用于激光光路准直的高精度反射镜调整机构，其特点在于，包括计算机控制系统、压电陶瓷驱动电源、步进电机驱动器步进电机、柔性联轴器、圆柱销、由丝杠和螺母组成的运动副、位于该丝杠顶端的压电促动器、连杆、以及分别连接在该连杆两端的复位弹簧和反射镜；
所述的计算机控制系统通过步进电机驱动器控制所述的步进电机，该步进电机通过柔性联轴器和圆柱销联接所述的运动副；
所述的计算机控制系统通过压电陶瓷驱动电源控制所述的压电促动器，该压电促动器通过连杆与反射镜联接，且所述的复位弹簧使得所述连杆始终与所述的压电促动器接触；
所述的步进电机通过运动副将旋转运动转化为所述丝杠的直线运动，从而带动所述连杆绕中心点的转动，进而实现反射镜绕端点的转动，达到反射镜角度的调节。
所述的压电促动器在所述的压电陶瓷驱动电源的控制下可实现微位移直线运动，使所述连杆绕中心点转动，进而实现反射镜绕端点的转动，达到反射镜角度的调节。
一种适用于激光光路准直的高精度调整方法，其特点在于，包括以下步骤：
1)当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差较大时，计算机控制系统根据位置偏差计算调节量，控制步进电机驱动器，调整步进电机的旋转量，实现反射镜大角度的误差校正；
2)当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差接近步进电机的最小步进量时，通过计算机控制系统控制压电陶瓷驱动电源，实现压电促动器微小位移的输出，实现反射镜小角度高精度的误差校正；
3)重复步骤(1)和步骤(2)，直至实现高精度的光路准直调整精度。
当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差接近步进电机的最小步进量时，是指偏差小于20微米。
当由步进电机、柔性联轴器、圆柱销、丝杠和螺母组成的传动机构存在反向间隙，则每次在步进电机换向时，可以通过计算机控制系统控制压电陶瓷驱动电源，实现用压电促动器的输出位移补偿所述传动机构的反向间隙，从而提高准直效率。
本发明的技术效果：
本发明利用压电陶瓷行程小、响应速度快等优点，提供一种步进电机和压电陶瓷相结合的驱动方式。步进电机负责大行程误差的误差调整，压电陶瓷负责微小量误差的调整，同时通过控制程序还可以利用压电陶瓷的位移量补偿执行机构的反向间隙问题，从而实现高功率激光装置光路高效、高精度的自动准直。本发明具有设备简单，易于调整，调整精度高等优点。
附图说明
图1为本发明适用于光路准直的高精度反射镜调整机构的结构示意图。
图2为本发明应用实施例高功率激光光路准直示意图。
图1中：101、计算机控制系统，102、压电陶瓷驱动电源，103、步进电机驱动器，104、步进电机，105、柔性联轴器，106、圆柱销，107、丝杠，108、螺母，109、压电促动器，110、复位弹簧，111、连杆，112、反射镜。
图2中：1、反射镜及其调整机构1，2、反射镜及其调整机构2，3,、空间滤波器，4、小孔，5、反射镜，6、成像透镜，7、远场探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
先请参阅图1，图1为本发明适用于光路准直的高精度反射镜调整机构的结构示意图。由图可知，该调整机构包括一台计算机控制系统101通过步进电机驱动器103和压电陶瓷驱动电源102分别控制步进电机104和压电促动器109。所述的步进电机104通过柔性联轴器105和圆柱销106联接丝杠107和螺母108组成的运动副。所述的压电促动器109位于丝杠107顶端，所述的压电促动器109通过连杆111与反射镜112联接。复位弹簧110使得所述连杆111始终与所述的压电促动器109接触。其中所述的螺母109的位置固定，所述的丝杠107和螺母108组成的运动副将所述步进电机104的旋转运动转化为所述丝杠107的直线运动，从而实现所述连杆111绕点O1的转动，所述连杆111绕点O1的转动则带动反射镜112实现绕点O2的转动，从而最终实现反射镜的角度α调节。
当需要大行程量调节时，通过计算机控制系统101调整步进电机104的旋转量，从而实现反射镜112大角度的误差校正。
当需要微小行程量调节时，通过计算机控制系统101控制压电陶瓷驱动电源102，实现压电促动器109微小位移的输出，从而实现反射镜112小角度的误差校正。
图2为本发明应用实施例高功率激光光路准直示意图，其中1和2即为图1所示的反射镜调整机构。在图2所示的准直光路中，其调整步骤如下：
(1)让小孔4被主光束照明，使得小孔4经成像透镜6成像到远场探测器7上，由于小孔4的面也是激光束焦面所在位置，这样激光束焦斑也同时成像到远场探测器7上，通过图像处理手段能够得到小孔中心和焦斑中心的位置误差。
(2)反射镜2及其调整机构为图2准直光路的光路调整机构，当位置误差较大时，通过计算机控制系统101调整步进电机104的旋转量，从而实现反射镜112大角度的误差校正。
(3)当位置误差接近步进电机104的最小步进量时，通过计算机控制系统101控制压电陶瓷驱动电源102，实现压电促动器109微小位移的输出，从而实现反射镜112小角度的误差校正。
(4)反复进行步骤(2)和步骤(3)，最终实现高精度的光路准直调整精度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于激光光路准直的高精度反射镜调整机构，其特征在于，包括计算机控制系统(101)、压电陶瓷驱动电源(102)、步进电机驱动器(103)步进电机(104)、柔性联轴器(105)、圆柱销(106)、由丝杠(107)和螺母(108)组成的运动副、位于该丝杠(107)顶端的压电促动器(109)、连杆(111)、以及分别连接在该连杆(111)两端的复位弹簧(110)和反射镜(112)；
所述的计算机控制系统(101)通过步进电机驱动器(103)控制所述的步进电机(104)，该步进电机(104)通过柔性联轴器(105)和圆柱销(106)联接所述的运动副；
所述的计算机控制系统(101)通过压电陶瓷驱动电源(102)控制所述的压电促动器(109)，该压电促动器(109)通过连杆(111)与反射镜(112)联接，且所述的复位弹簧(110)使得所述连杆(111)始终与所述的压电促动器(109)接触；
所述的步进电机(104)通过运动副将旋转运动转化为所述丝杠(107)的直线运动，从而带动所述连杆(111)绕中心点(O1)的转动，进而实现反射镜(112)绕端点(O2)的转动，达到反射镜角度(α)的调节。
2.根据权利要求1所述的适用于激光光路准直的高精度反射镜调整机构，其特征在于，所述的压电促动器(109)在所述的压电陶瓷驱动电源(102)的控制下可实现微位移直线运动，使所述连杆(111)绕中心点(O1)转动，进而实现反射镜(112)绕端点(O2)的转动，达到反射镜角度(α)的调节。
3.一种适用于激光光路准直的高精度调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差较大时，计算机控制系统(101)根据位置偏差计算调节量，控制步进电机驱动器(103)，调整步进电机(104)的旋转量，实现反射镜(112)大角度的误差校正；
2)当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差接近步进电机(104)的最小步进量时，通过计算机控制系统(101)控制压电陶瓷驱动电源(102)，实现压电促动器(109)微小位移的输出，实现反射镜(112)小角度高精度的误差校正；
3)重复步骤(1)和步骤(2)，直至实现高精度的光路准直调整精度。
4.根据权利要求3所述的适用于激光光路准直的高精度调整方法，其特征在于，当激光光斑实际位置与理想位置位置偏差接近步进电机(104)的最小步进量时，是指偏差小于20微米。
5.根据权利要求3所述的适用于高功率激光装置光路准直的高精度调整方法，其特征在于当由步进电机(104)、柔性联轴器(105)、圆柱销(106)、丝杠(107)和螺母(108)组成的传动机构存在反向间隙，则每次在步进电机(104)换向时，可以通过计算机控制系统(101)控制压电陶瓷驱动电源(102)，实现用压电促动器(109)的输出位移补偿所述传动机构的反向间隙，从而提高准直效率。
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