CN112648942B - 折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法 - Google Patents

折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法，属于光电检测技术领域，为了解决现有技术存在的问题，窗口、抛物镜、折转反射镜、准直镜头组成二级缩束系统；准直镜头、电控衰减片、能量分光片一、起偏器一和P&S光光瞳检测相机依次同轴安装；能量分光片一、能量分光片二、1/4波片、1/2波片、偏振分光片和反射镜依次同轴安装；能量分光片二、起偏器二、聚焦镜头一和P&S光光轴检测相机依次同轴安装；偏振分光片、聚焦镜头二和P光光轴检测相机依次同轴安装；反射镜、聚焦镜头三和S光光轴检测相机依次同轴安装且组成S光光轴检测支路；高能激光系统对输出激光束中的P光和S光光轴进行实时调整，使得输出激光束能量密度增大。

Description

折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，涉及折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法。
背景技术
高能激光系统在军事应用方面扮演者越来越重要的角色。传统高能激光系统中激光器由于受到增益器件的热效应及非线性效应等多种因素的限制，单台激光器难以实现高功率的输出。
常见的激光合束技术主要有偏振合束、空间合束和波长合束，其中偏振合束技术应用较为广泛。偏振合束是利用偏振合束器将两束偏振态相互垂直的激光合成一束，这样在保持光束质量不变的情况下，使功率密度加倍。
参考在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，夏蕾发表的高精度激光合束及光轴指向控制技术研究；文章中激光合束系统的监测和校正具有两个功能：1、对各光束的偏转角度动态准确地测量；2、对各光束的传播方向进行实时的精确的调节。监测与校正方法是利用“漏光法”进行直接监测，即极小一部分的“漏光”进入光束监测系统，完成各光束相对光轴偏转角以及合束精度的监测，并实时的将所有光束偏转角测量结果反馈到校正机构，在单个CCD图像传感器接收情况下，通过切换转轮机构中的带通滤光片进行多束激光偏转角的监测。采用切换转轮机构进行各光束光轴偏转角和合束精度的监测，切换转轮在切换过程中会存在时间差，不能实时的将监测信息反馈给校正机构。
高能激光系统在工作时，高能量密度的激光束在传输过程中会出现光束抖动的现象，通过合束技术提高激光束能量密度的同时，如何保证合束效果和检测子光束之间的同轴度和光斑重合度，成为高能激光系统提升激光能量密度需要解决的主要问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术采用切换转轮机构进行各光束光轴偏转角和合束精度的监测，切换转轮在切换过程中会存在时间差，不能实时的将监测信息反馈给校正机构的问题，提出了折反式多光轴同轴度动态检测装置及检测方法，可以在高能激光系统出光工作的同时，本装置实时检测高能激光系统输出激光束中P光和S光的光轴脱靶量，并反馈给待检测高能激光系统，高能激光系统根据反馈信息进行实时调整，使得出射激光束光功率增大。
本发明解决技术问题的的技术方案如下：
折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征是，该装置包括窗口、抛物镜、折转反射镜、准直镜头、电控衰减片、能量分光片一、起偏器一、P&S光光瞳检测相机、能量分光片二、起偏器二、聚焦镜头一、P&S光光轴检测相机、1/4波片、1/2波片、偏振分光片、聚焦镜头二、P光光轴检测相机、反射镜、聚焦镜头三和S光光轴检测相机；
窗口、抛物镜、折转反射镜、准直镜头组成二级缩束系统；准直镜头、电控衰减片、能量分光片一、起偏器一和P&S光光瞳检测相机依次同轴安装；能量分光片一、能量分光片二、1/4波片、1/2波片、偏振分光片和反射镜依次同轴安装；能量分光片二、起偏器二、聚焦镜头一和P&S光光轴检测相机依次同轴安装且组成P&S光光轴检测支路；偏振分光片、聚焦镜头二和P光光轴检测相机依次同轴安装且组成P光光轴检测支路；反射镜、聚焦镜头三和S光光轴检测相机依次同轴安装且组成S光光轴检测支路；
待检测高能激光系统发射由P光和S光组成的激光束，激光束透过窗口入射到抛物镜进行反射，反射光经过窗口后表面反射到折转反射镜后反射进入准直镜头，准直镜头出射的准直光透过电控衰减片入射到能量分光片一，透过能量分光片一的激光束入射到起偏器一，激光束透过起偏器一后由P&S光光瞳检测相机接收；由能量分光片一反射的激光束入射到能量分光片二，激光束经能量分光片二反射后入射到起偏器二，激光束透过起偏器二通过聚焦镜头一会聚到P&S光光轴检测相机上；能量分光片二透射的激光束依次透过1/4波片和1/2波片入射到偏振分光片，偏振分光片将激光束中的P光和S光分开，P光反射由聚焦镜头二会聚到P光光轴检测相机上；透过偏振分光片的S光由反射镜反射到聚焦镜头三上，P光经过聚焦镜头三会聚S光光轴检测相机上。
所述窗口接收的波长范围为1040-1090nm，入射角度为15°±2°，前表面镀高透膜，且P光和S光透射率均大于99.8％；后表面镀半反半透膜，且P光和S光透射率为50±2％；前后表面膜系耐强光。
所述能量分光片一和能量分光片二的分光比均为95：5，工作角度为45°。
所述偏振分光片的S光反射率Rs＞95％，P光和S光透射率比值为Tp:Ts>10000:1，工作角度45°。
所述反射镜反射率大于95％，工作角度45°。
折反式多光轴同轴度动态检测装置的检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤1，待检测高能激光系统发射由S光和P光组成的一束激光束，激光束透过窗口入射到抛物镜进行反射，反射光经过窗口后表面反射到折转反射镜后反射进入准直镜头，准直镜头出射的准直光；
步骤2，电控衰减片对准直光能量进行衰减，准直光由电控衰减片衰减光能量后入射到能量分光片一，能量分光片一将激光束分为两束，透射激光束入射到起偏器一，起偏器一将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器一由P&S光光瞳检测相机接收并对激光束中的P光和S光光斑同时成像，进行P光和S光的光斑重合度检测，由能量分光片一反射的激光束入射到能量分光片二；
步骤3，能量分光片二将入射激光束分为两束，反射激光束入射到起偏器二，起偏器二将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器二通过聚焦镜头一会聚到P&S光光轴检测相机上，对激光束中的P光和S光同时成像，提取光斑质心位置，以接近于稳态的光轴作为闭环零点，计算另外一个可移动光斑相对于闭环零点的脱靶量，并将脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，进行P光和S光的光轴调节；
步骤4，能量分光片二透射的激光束依次入射到1/4波片和1/2波片，1/4波片和1/2波片对入射激光束的偏振态进行调整，使得依次透过1/4波片和1/2波片的出射激光束中的P光和S光在偏振分光片处能完全分开；
步骤5，偏振分光镜反射的P光由聚焦镜头二会聚到P光光轴检测相机上，透射的S光经反射镜反射到聚焦镜头三上，S光由聚焦镜头三会聚到S光光轴检测相机上，P光光轴检测相机和S光光轴检测相机分别对P光和S光进行光斑成像。
步骤6，待检测高能激光系统对目标进行跟踪时，此时P光光轴检测相机和S光光轴检测相机分别对P光和S光光斑成像，且将此时P光光轴检测相机和S光光轴检测相机记录的P光和S光的光斑质心位置作为闭环零点；
步骤7，待检测高能激光系统出射高能量密度激光束时，高能量密度的激光束会发生抖动，P光光轴检测相机和S光光轴检测相机分别根据步骤6得到的闭环零点，并输出P光和S光脱靶量信息传递给待检测高能激光系统。
步骤8，P&S光光轴检测相机、P光光轴检测相机和S光光轴检测相机将各自脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，待检测高能激光系统根据脱靶量信息进行光轴的实时调整，使得输出激光束能量密度增大。
本发明的有益效果：本装置相对于已有的激光合束系统的监测及校正方法，采用多个检测相机同时对高能激光系统输出组合激光束中P光和S光各自的光轴、组合激光束中P光和S光光斑重合度以及光轴同轴度进行检测，并在高能激光系统输出高能量密度的激光束时，将实时检测的脱靶量信息反馈给高能激光系统，高能激光系统对输出激光束中的P光和S光光轴进行实时调整，使得输出激光束能量密度增大。
附图说明
图1为本发明折反式多光轴同轴度动态检测装置示意图；
1、窗口，2、抛物镜，3、折转反射镜，4、准直镜头，5、电控衰减片，6、能量分光片一，7、起偏器一，8、P&S光光瞳检测相机，9、能量分光片二，10、起偏器二，11、聚焦镜头一，12、P&S光光轴检测相机，13、1/4波片，14、1/2波片，15、偏振分光片，16、聚焦镜头二，17、P光光轴检测相机，18、反射镜，19、聚焦镜头三，20、S光光轴检测相机。
具体实施方式
下面结合本附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，折反式多光轴同轴度动态检测装置，该装置包括窗口1、抛物镜2、折转反射镜3、准直镜头4、电控衰减片5、能量分光片一6、起偏器一7、P&S光光瞳检测相机8、能量分光片二9、起偏器二10、聚焦镜头一11、P&S光光轴检测相机12、1/4波片13、1/2波片14、偏振分光片15、聚焦镜头二16、P光光轴检测相机17、反射镜18、聚焦镜头三19和S光光轴检测相机20。
窗口1、抛物镜2、折转反射镜3、准直镜头4组成二级缩束系统；准直镜头4、电控衰减片5、能量分光片一6、起偏器一7和P&S光光瞳检测相机8依次同轴安装；能量分光片一6、能量分光片二9、1/4波片13、1/2波片14、偏振分光片15和反射镜18依次同轴安装；能量分光片二9、起偏器二10、聚焦镜头一11和P&S光光轴检测相机12依次同轴安装且组成P&S光光轴检测支路；偏振分光片15、聚焦镜头二16和P光光轴检测相机17依次同轴安装且组成P光光轴检测支路；反射镜18、聚焦镜头三19和S光光轴检测相机20依次同轴安装且组成S光光轴检测支路。
待检测高能激光系统发射由P光和S光组成的激光束，激光束透过窗口1入射到抛物镜2进行反射，反射光经过窗口1后表面反射到折转反射镜3后反射进入准直镜头4，准直镜头4出射的准直光透过电控衰减片5入射到能量分光片一6，透过能量分光片一6的激光束入射到起偏器一7，激光束透过起偏器一7后由P&S光光瞳检测相机8接收；由能量分光片一6反射的激光束入射到能量分光片二9，激光束经能量分光片二9反射后入射到起偏器二10，激光束透过起偏器二10通过聚焦镜头一11会聚到P&S光光轴检测相机12上；能量分光片二9透射的激光束依次透过1/4波片13和1/2波片14入射到偏振分光片15，偏振分光片15将激光束中的P光和S光分开，P光反射由聚焦镜头二16会聚到P光光轴检测相机17上；透过偏振分光片15的S光由反射镜18反射到聚焦镜头三19上，P光经过聚焦镜头三19会聚S光光轴检测相机20上。
所述窗口1接收的波长范围为1040-1090nm，入射角度为15°±2°，前表面镀高透膜，且P光和S光透射率均大于99.8％；后表面镀半反半透膜，且P光和S光透射率为50±2％；前后表面膜系耐强光。
所述能量分光片一6和能量分光片二9的分光比均为95：5，工作角度为45°。
所述偏振分光片15的S光反射率Rs＞95％，P光和S光透射率比值为Tp:Ts>10000:1，工作角度45°。
所述反射镜18反射率大于95％，工作角度45°。
本发明折反式多光轴同轴度动态检测装置的检测方法，具体检测步骤如下：
步骤1，待检测高能激光系统发射由S光和P光组成的一束激光束，激光束透过窗口1入射到抛物镜2进行反射，反射光经过窗口1后表面反射到折转反射镜3后反射进入准直镜头4，准直镜头4出射的准直光；
步骤2，电控衰减片5对准直光能量进行衰减，准直光由电控衰减片5衰减光能量后入射到能量分光片一6，能量分光片一6将激光束分为两束，透射激光束入射到起偏器一7，起偏器一7将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器一7由P&S光光瞳检测相机8接收并对激光束中的P光和S光光斑同时成像，进行P光和S光的光斑重合度检测，由能量分光片一6反射的激光束入射到能量分光片二9；
步骤3，能量分光片二9将入射激光束分为两束，反射激光束入射到起偏器二10，起偏器二10将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器二10通过聚焦镜头一11会聚到P&S光光轴检测相机12上，对激光束中的P光和S光同时成像，提取光斑质心位置，以接近于稳态的光轴作为闭环零点，计算另外一个可移动光斑相对于闭环零点的脱靶量，并将脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，进行P光和S光的光轴调节；
步骤4，能量分光片二9透射的激光束依次入射到1/4波片13和1/2波片14，1/4波片13和1/2波片14对入射激光束的偏振态进行调整，使得依次透过1/4波片13和1/2波片14的出射激光束中的P光和S光在偏振分光片15处能完全分开；
步骤5，偏振分光镜15反射的P光由聚焦镜头二16会聚到P光光轴检测相机17上，透射的S光经反射镜18反射到聚焦镜头三19上，S光由聚焦镜头三19会聚到S光光轴检测相机20上，P光光轴检测相机17和S光光轴检测相机20分别对P光和S光进行光斑成像。
步骤6，待检测高能激光系统对目标进行跟踪时，此时P光光轴检测相机17和S光光轴检测相机20分别对P光和S光光斑成像，且将此时P光光轴检测相机17和S光光轴检测相机20记录的P光和S光的光斑质心位置作为闭环零点；
步骤7，待检测高能激光系统出射高能量密度激光束时，高能量密度的激光束会发生抖动，P光光轴检测相机17和S光光轴检测相机20分别根据步骤6得到的闭环零点，并输出P光和S光脱靶量信息传递给待检测高能激光系统。
步骤8，P&S光光轴检测相机12、P光光轴检测相机17和S光光轴检测相机20将各自脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，待检测高能激光系统根据脱靶量信息进行光轴的实时调整，使得输出激光束能量密度增大。

Claims (6)

1.折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征是，该装置包括窗口(1)、抛物镜(2)、折转反射镜(3)、准直镜头(4)、电控衰减片(5)、能量分光片一(6)、起偏器一(7)、P&S光光瞳检测相机(8)、能量分光片二(9)、起偏器二(10)、聚焦镜头一(11)、P&S光光轴检测相机(12)、1/4波片(13)、1/2波片(14)、偏振分光片(15)、聚焦镜头二(16)、P光光轴检测相机(17)、反射镜(18)、聚焦镜头三(19)和S光光轴检测相机(20)；
窗口(1)、抛物镜(2)、折转反射镜(3)、准直镜头(4)组成二级缩束系统；准直镜头(4)、电控衰减片(5)、能量分光片一(6)、起偏器一(7)和P&S光光瞳检测相机(8)依次同轴安装；能量分光片一(6)、能量分光片二(9)、1/4波片(13)、1/2波片(14)、偏振分光片(15)和反射镜(18)依次同轴安装；能量分光片二(9)、起偏器二(10)、聚焦镜头一(11)和P&S光光轴检测相机(12)依次同轴安装且组成P&S光光轴检测支路；偏振分光片(15)、聚焦镜头二(16)和P光光轴检测相机(17)依次同轴安装且组成P光光轴检测支路；反射镜(18)、聚焦镜头三(19)和S光光轴检测相机(20)依次同轴安装且组成S光光轴检测支路；
待检测高能激光系统发射由P光和S光组成的激光束，激光束透过窗口(1)入射到抛物镜(2)进行反射，反射光经过窗口(1)后表面反射到折转反射镜(3)后反射进入准直镜头(4)，准直镜头(4)出射的准直光透过电控衰减片(5)入射到能量分光片一(6)，透过能量分光片一(6)的激光束入射到起偏器一(7)，激光束透过起偏器一(7)后由P&S光光瞳检测相机(8)接收；由能量分光片一(6)反射的激光束入射到能量分光片二(9)，激光束经能量分光片二(9)反射后入射到起偏器二(10)，激光束透过起偏器二(10)通过聚焦镜头一(11)会聚到P&S光光轴检测相机(12)上；能量分光片二(9)透射的激光束依次透过1/4波片(13)和1/2波片(14)入射到偏振分光片(15)，偏振分光片(15)将激光束中的P光和S光分开，P光反射由聚焦镜头二(16)会聚到P光光轴检测相机(17)上；透过偏振分光片(15)的S光由反射镜(18)反射到聚焦镜头三(19)上，P光经过聚焦镜头三(19)会聚S光光轴检测相机(20)上。
2.根据权利要求1所述的折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征在于，所述窗口(1)接收的波长范围为1040-1090nm，入射角度为15°±2°，前表面镀高透膜，且P光和S光透射率均大于99.8％；后表面镀半反半透膜，且P光和S光透射率为50±2％；前后表面膜系耐强光。
3.根据权利要求1所述的折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征在于，所述能量分光片一(6)和能量分光片二(9)的分光比均为95：5，工作角度为45°。
4.根据权利要求1所述的折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征在于，所述偏振分光片(15)的S光反射率Rs＞95％，P光和S光透射率比值为Tp:Ts>10000:1，工作角度45°。
5.根据权利要求1所述的折反式多光轴同轴度动态检测装置，其特征在于，所述反射镜(18)反射率大于95％，工作角度45°。
6.折反式多光轴同轴度动态检测装置的检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤1，待检测高能激光系统发射由S光和P光组成的一束激光束，激光束透过窗口(1)入射到抛物镜(2)进行反射，反射光经过窗口(1)后表面反射到折转反射镜(3)后反射进入准直镜头(4)，准直镜头(4)出射的准直光；
步骤2，电控衰减片(5)对准直光能量进行衰减，准直光由电控衰减片(5)衰减光能量后入射到能量分光片一(6)，能量分光片一(6)将激光束分为两束，透射激光束入射到起偏器一(7)，起偏器一(7)将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器一(7)由P&S光光瞳检测相机(8)接收并对激光束中的P光和S光光斑同时成像，进行P光和S光的光斑重合度检测，由能量分光片一(6)反射的激光束入射到能量分光片二(9)；
步骤3，能量分光片二(9)将入射激光束分为两束，反射激光束入射到起偏器二(10)，起偏器二(10)将激光束中P光和S光能量进行均衡，激光束透过起偏器二(10)通过聚焦镜头一(11)会聚到P&S光光轴检测相机(12)上，对激光束中的P光和S光同时成像，提取光斑质心位置，以接近于稳态的光轴作为闭环零点，计算另外一个可移动光斑相对于闭环零点的脱靶量，并将脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，进行P光和S光的光轴调节；
步骤4，能量分光片二(9)透射的激光束依次入射到1/4波片(13)和1/2波片(14)，1/4波片(13)和1/2波片(14)对入射激光束的偏振态进行调整，使得依次透过1/4波片(13)和1/2波片(14)的出射激光束中的P光和S光在偏振分光片(15)处能完全分开；
步骤5，偏振分光镜(15)反射的P光由聚焦镜头二(16)会聚到P光光轴检测相机(17)上，透射的S光经反射镜(18)反射到聚焦镜头三(19)上，S光由聚焦镜头三(19)会聚到S光光轴检测相机(20)上，P光光轴检测相机(17)和S光光轴检测相机(20)分别对P光和S光进行光斑成像；
步骤6，待检测高能激光系统对目标进行跟踪时，此时P光光轴检测相机(17)和S光光轴检测相机(20)分别对P光和S光光斑成像，且将此时P光光轴检测相机(17)和S光光轴检测相机(20)记录的P光和S光的光斑质心位置作为闭环零点；
步骤7，待检测高能激光系统出射高能量密度激光束时，高能量密度的激光束会发生抖动，P光光轴检测相机(17)和S光光轴检测相机(20)分别根据步骤(6)得到的闭环零点，并输出P光和S光脱靶量信息传递给待检测高能激光系统；
步骤8，P&S光光轴检测相机(12)、P光光轴检测相机(17)和S光光轴检测相机(20)将各自脱靶量信息反馈给待检测高能激光系统，待检测高能激光系统根据脱靶量信息进行光轴的实时调整，使得输出激光束能量密度增大。
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