CN111864524A - 一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，包括激光转向装置、色散补偿单元、光功率控制单元、第一分束镜、第二分束镜、光功率探测器、峰值功率探测器、环境监测器和反馈控制器；激光转向装置将入射激光进行三次反射后，依次入射到色散补偿单元、光功率控制单元、第一分束镜、第二分束镜后，被分成三束光，其中一束为出射光，另外两束分别辐射在光功率探测器和峰值功率探测器上；环境监测器的输出端与反馈控制器的输入端相连，峰值功率探测器的输出端、光功率探测器的输出端、激光转向装置的输出端分别与反馈控制器的输入端相连。本发明能够实现激光束的实时稳定、对准、定位和调整，可以实时确保光学系统能够稳定高效工作。
Description
技术领域
本发明涉及光学控制系统，具体为一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统。
背景技术
精密光学系统的工作性能受到系统中传输的光束质量影响，环境的微弱改变将直接引起光束传播的偏移，光功率以及脉宽等变化，从而降低光学设备的性能。如果不及时进行系统校正，甚至会使其损坏，这往往是对精密的光学设备，如光参量放大器，光参量振荡器，瞬态吸收光谱仪等工作性能造成致命的破坏。当精密光学系统工作时遇到机械振动的冲击，湿度、温度以及风速变化时，必然会发生光束指向和性质的变化。
现有报道的光学系统校准包括手动和自动两种。现有报道的通过手动的方式调节光学系统，效率极低，且很难使复杂光学系统的性能调整到最佳工作状态。现有报道的通过自动调节的方式调节光学系统也不是全自动的，而是在问题发生之后的，人为操作控制器调节。上述的调节均存在滞后性，不能做到根据激光束实时变化的反馈校准控制。并且上述的调节都只是单一针对功率、单一针对峰值功率或单一针对位置偏差的调整，单一的指标不能确保光学系统的正常稳定。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种能够实现激光束的实时稳定对准、定位、调整补偿的激光输出稳定性的监测与反馈控制系统。
技术方案：本发明所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，包括激光转向装置、色散补偿单元、光功率控制单元、第一分束镜、第二分束镜、光功率探测器、峰值功率探测器、环境监测器和反馈控制器；激光转向装置将入射激光进行三次反射后，依次入射到色散补偿单元、光功率控制单元、第一分束镜、第二分束镜后，被分成三束光，其中一束为出射光，另外两束分别辐射在光功率探测器和峰值功率探测器上；环境监测器的输出端与反馈控制器的输入端相连，峰值功率探测器的输出端、光功率探测器的输出端、激光转向装置的输出端分别与反馈控制器的输入端相连，反馈控制器的输出端分别与激光转向装置的输入端、光功率控制单元的输入端、色散补偿单元的输入端相连。
激光转向装置包括第一高反射镜、第一压电驱动镜座、第一电机控制器、第二高反射镜、第二压电驱动镜座、第二电机控制器、第一聚焦透镜、第一四象限二极管、第三高反射镜、第二聚焦透镜和第二四象限二极管；入射的激光依次经过第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜后射出；第一高反射镜设置在第一压电驱动镜座上，第一压电驱动镜座与第一电机控制器相连，第二高反射镜设置在第二压电驱动镜座上，第二压电驱动镜座与第二电机控制器相连；激光透过第二高反射镜后经过第一聚焦透镜汇聚在第一四象限二极管上，激光透过第三高反射镜后经过第二聚焦透镜汇聚在第二四象限二极管上。第一聚焦透镜、第二聚焦透镜将透过第二高反射镜、第三高反射镜传输的极其微弱的激光汇聚到第一四象限二极管、第二四象限二极管的探测靶面上，实现高分辨率的光斑位置信息采集。
反馈控制器的输出端分别与第一电机控制器的输入端、第二电机控制器的输入端相连，用于控制其信号输出。第一四象限二极管的输出端、第二四象限二极管的输出端分别与反馈控制器的输入端相连。第一四象限二极管、第二四象限二极管均由硅、锗、硫化镉、硒化镉、硫化铅和铟镓砷中的任意一种材料制成，优选为硅。
光功率探测器为光电二极管、热电堆探测器、焦热电探测器、光电倍增管、CCD和CMOS中的任意一种，优选为光电二极管。其中，光电二极管为硅光电二极管、锗光电二极管、铟镓砷探测器、超晶格探测器、铟砷探测器、铟碲探测器和碲镉汞探测器中的任意一种，用于实时监测光的脉冲功率和平均功率。峰值功率探测器为基于双光子或者多光子效应工作的探测器，优选为磷化镓探测器。光功率控制单元为半波片、偏振控制器、可调中性密度衰减片中的一种或多种，用于监测激光的功率和峰值功率，从而监测光参量放大器输出功率变化是由于泵浦光能量还是脉宽发生变化引起的，并反馈给光功率控制单元以及色散补偿单元对光功率以及脉宽做出校准调节。
第一分束镜和第二分束镜的分束比是0～100％之间的任意值，一般反射和透射比为5∶95或更小。
反馈控制器为PID闭环控制器或人工智能闭环控制器，优选为PID闭环控制器。PID算法的分为比例、积分和微分三个环节。比例环节对偏差瞬间作出反应，偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使激光束的指向位置，光功率以及峰值功率等向减少偏差的方向变化。积分环节的调节作用会消除静态误差。微分环节将有助于减小偏差超出量，克服振荡，使系统趋于稳定。PID综合的效果就是实现光束的快速稳定调节。
环境监测器用于检测温度、湿度、风速等，测量有激光条件下温度、湿度、风速等参数与光束指向的关系，以及这些参数影响光束指向不稳定存在的时间滞后效应、累积效应，通过大数据分析和比例积分微分(PID)控制，实现没有光束存在的时候，进行预见性校准，保证开启激光的时候，避免出现光束偏离过多造成的损害。激光源可以是飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光等脉冲激光器，也可以是连续激光器。第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜可根据入射激光的波长，能量等条件进行更换。
工作原理：通过反馈控制器实时监测激光束输出功率和输出的峰值功率，并与目标值比较得到差值，反馈到第一电机控制器、第二电机控制器，反馈控制器驱动光功率控制单元以及色散补偿单元，实时对激光功率进行反馈调节，然后对脉宽进行反馈调节。通过反馈控制器连续将实时激光束位置与目标位置的偏差信息反馈到电机控制器，从而驱动第一压电驱动镜座、第二压电驱动镜座调节反射镜的方位，实时对光束位置偏差进行补偿。在光束稳定系统内部多个位置或者外部紧贴设备的多个位置布置环境监测器，用于检测温度、湿度、风速等，测量有激光条件下温度、湿度、风速等参数与光束指向的关系，以及这些参数影响光束指向不稳定存在的时间滞后效应、累积效应，通过大数据分析和比例积分微分控制理论，实现没有光束存在的时候，进行预见性校准和保证光路的稳定性，保证开启激光的时候，避免出现光束偏离过多造成的损害。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、能够实现激光束的实时稳定、对准、定位和调整，对输出激光束的光功率以及脉宽等就行补偿，可以实时确保光学系统能够稳定高效工作；
2、整个系统灵活可变，结构紧凑，反馈调节速度快，分辨率高，可广泛应用于瞬态吸收光谱仪，光参量振荡以及光参量放大器等精密光学系统中。
3、该系统可以实时监测激光束的位置，功率以及峰值功率的变化，并且将各变化偏差反馈给控制器，控制器通过各模块对光束位置，激光功率，激光峰值功率等进行调节补偿，多种指标共同决定了激光系统的稳定性，能够解决现有的光束稳定系统的单一指标，不能确保系统真正稳定的技术问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
如图1，激光输出稳定性的监测与反馈控制系统包括激光转向装置1、光束探测以及电路控制三个关键部分。激光源发出激光10，依次经过激光转向装置1的第一高反射镜101、第二高反射镜104、第三高反射镜109反射后输出，其中第一高反射镜101安装在第一压电驱动镜座102上，第二高反射镜104安装在第二压电驱动镜座105上。激光10透过第二高反射镜104后经过第一聚焦透镜107汇聚在第一四象限二极管108的探测靶面上，激光10透过第三高反射镜109后经过第二聚焦透镜110汇聚在第二四象限二极管111的探测靶面上。经过第三高反射镜109反射的激光10依次入射到色散补偿单元2、光功率控制单元3、第一分束镜4、第二分束镜5后被分束成三束光，其中一束为出射光，另外两束分别辐射在光功率探测器6和峰值功率探测器7上。
反馈控制器9为PID闭环控制器或人工智能闭环控制器，优选为PID闭环控制器。反馈控制器9有四个，分别形成四个控制闭环。第一电机控制器103和反馈控制器9以及第一四象限二极管108依次连接。第二电机控制器106和反馈控制器9以及第二四象限二极管111依次连接。反馈控制器9和多个环境监测器8连接。光功率探测器6和反馈控制器9以及光功率控制单元3依次连接。峰值功率探测器7和反馈控制器9以及色散补偿单元2依次连接。
激光源是可选择的，可以是飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光等脉冲激光，也可以是连续激光源。第一压电驱动镜座102、第二压电驱动镜座105采用传统的弹簧压片结构，通过压电驱动给弹簧施加应力，推拉镜片，从而快速稳定的调节光反射位置。第一高反射镜101、第二高反射镜104、第二高反射镜109针对入射激光10的波长选择，激光透过率大于90％。第一聚焦透镜107、第二聚焦透镜110根据实际空间大小选择，焦距可选择。第一分束镜4、第二分束镜5的分束比(反射光/透射光)是0～100％之间的任意值，可根据需求选择。
高灵敏的第一四象限二极管108、第二四象限二极管111是可以替换的，其材料可以是硅、锗、硫化镉、硒化镉、硫化铅、铟镓砷等任意一种材料，优选为硅，可探测从可见光到红外光的光束指向位置是否偏差。第一四象限二极管108、第二四象限二极管111的侧面都装有无级调控电位计，用于调控信号强度的增减，保证激光强度变化不会影响系统的正常校准运行。光功率探测器6用于激光功率监测，峰值功率探测器7是基于双光子或者多光子效应工作的探测器，实现激光峰值功率的监测。
色散补偿单元2是可选择的，可以是色散补偿器，可以是光栅对、棱镜对或者其他色散器件。通过改变光栅对或棱镜对的相对位置对色散进行补偿，从而达到调节激光脉宽稳定。
光功率控制单元3是可选择的，任何功率控制的方法都适用。具体可以是一个半波片和偏振控制器的组合，通过电路控制波片的旋转角度，来改变经偏振控制器透射或者反射的输出光功率；具体也可以是可调中性密度衰减片，通过电路控制衰减片的旋转角度，从而实现输出功率稳定。
校准好的光路给控制系统提供了初始零点(X1，Y1)和(X2，Y2)提供了光束校准的准确光束位置，通过光束探测系统的第一四象限二极管108、第二四象限二极管111检测光束在两个参考点处的偏差量，如果检测出光斑距离零点位置的偏差量为0，则表明激光束指向准直无偏差，不需要调整。如果检测到的位置信号偏差不相同，及时快速响应后进行校正。
光功率探测器6为光电二极管、热电堆探测器、焦热电探测器、光电倍增管、CCD和CMOS中的任意一种。光电二极管为硅光电二极管、锗光电二极管、铟镓砷探测器、超晶格探测器、铟砷探测器、铟碲探测器和碲镉汞探测器中的任意一种。光学系统输出光功率发生改变时，光功率探测器6(优选为硅光电二极管)的测量光功率值会实时变化，输出功率与目标值的差值输入到反馈控制器9。当输出功率变化差值在预设的变化范围内，系统不作出调节。当输出功率变化差值超出预设的变化范围，反馈控制器9对光功率控制单元3做出控制，对输出功率进行调节，确保输出功率达到预设值范围。
光学系统输出光功率或光脉宽发生改变时，峰值功率探测器7(优选磷化镓探测器)的值会实时变化，在光功率控制单元3实现功率稳定的情况下，峰值功率探测器7与目标值的差值输入到反馈控制器9。当差值在预设的变化范围内，系统不作出调节；当差值超出预设的变化范围，反馈控制器9对色散补偿单元2做出控制，对输出脉宽进行调节，确保输出激光峰值功率达到预设值范围。
环境监测器8可以实时监测环境的温度、湿度、风速等条件，反馈给控制系统。通过大数据分析和比例积分微分(PID)控制，实现没有光束存在的时候，进行预见性校准，保证开启激光的时候，避免出现光束偏离过多造成的损害。
Claims (10)
1.一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：包括激光转向装置(1)、色散补偿单元(2)、光功率控制单元(3)、第一分束镜(4)、第二分束镜(5)、光功率探测器(6)、峰值功率探测器(7)、环境监测器(8)和反馈控制器(9)；
所述激光转向装置(1)将入射激光(10)进行三次反射后，依次入射到色散补偿单元(2)、光功率控制单元(3)、第一分束镜(4)、第二分束镜(5)后，被分成三束光，其中一束为出射光，另外两束分别辐射在光功率探测器(6)和峰值功率探测器(7)上；
所述环境监测器(8)的输出端与反馈控制器(9)的输入端相连，所述峰值功率探测器(7)的输出端、光功率探测器(6)的输出端、激光转向装置(1)的输出端分别与反馈控制器(9)的输入端相连，所述反馈控制器(9)的输出端分别与激光转向装置(1)的输入端、光功率控制单元(3)的输入端、色散补偿单元(2)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述激光转向装置(1)包括第一高反射镜(101)、第一压电驱动镜座(102)、第一电机控制器(103)、第二高反射镜(104)、第二压电驱动镜座(105)、第二电机控制器(106)、第一聚焦透镜(107)、第一四象限二极管(108)、第三高反射镜(109)、第二聚焦透镜(110)和第二四象限二极管(111)；所述激光(10)依次经过第一高反射镜(101)、第二高反射镜(104)、第三高反射镜(109)后射出；所述第一高反射镜(101)设置在第一压电驱动镜座(102)上，所述第一压电驱动镜座(102)与第一电机控制器(103)相连，所述第二高反射镜(104)设置在第二压电驱动镜座(105)上，所述第二压电驱动镜座(105)与第二电机控制器(106)相连；所述激光(10)透过第二高反射镜(104)后经过第一聚焦透镜(107)汇聚在第一四象限二极管(108)上，所述激光(10)透过第三高反射镜(109)后经过第二聚焦透镜(110)汇聚在第二四象限二极管(111)上。
3.根据权利要求2所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述反馈控制器(9)的输出端分别与第一电机控制器(103)的输入端、第二电机控制器(106)的输入端相连，所述第一四象限二极管(108)的输出端、第二四象限二极管(111)的输出端分别与反馈控制器(9)的输入端相连。
4.根据权利要求2所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述第一四象限二极管(108)、第二四象限二极管(111)均由硅、锗、硫化镉、硒化镉、硫化铅和铟镓砷中的任意一种材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述光功率探测器(6)为光电二极管、热电堆探测器、焦热电探测器、光电倍增管、CCD和CMOS中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述光电二极管为硅光电二极管、锗光电二极管、铟镓砷探测器、超晶格探测器、铟砷探测器、铟碲探测器和碲镉汞探测器中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述峰值功率探测器(7)为基于双光子或者多光子效应工作的探测器。
8.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述光功率控制单元(3)为半波片、偏振控制器、可调中性密度衰减片中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述第一分束镜(4)的分束比是0～100％之间的任意值，所述第二分束镜(5)的分束比是0～100％之间的任意值。
10.根据权利要求1所述的一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统，其特征在于：所述反馈控制器(9)为PID闭环控制器或人工智能闭环控制器。
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| CN202010816863.1A Active CN111864524B (zh) | 2020-08-14 | 2020-08-14 | 一种激光输出稳定性的监测与反馈控制系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112382919A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-02-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种激光光源及激光光束方向的调整方法 |
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2020
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| CN111864524B (zh) | 2024-05-28 |
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