CN115202062B - 一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置及方法，具体包括离轴抛物面镜、协作反射镜、电动导轨、姿态监测单元以及闭环反馈控制单元。该装置采用主激光作为准直光，不需要增加新的模拟光，利用首次标定的主激光和离轴抛物面镜的相对位置关系，可直接实现离轴抛物面镜的光束近场和远场调整，其光路简单，体积小，通过电动导轨移进移出，可实现离轴抛物面镜三维姿态的快速测量与复位。

Description

一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置及方法

技术领域

本发明属于高功率激光领域，具体涉及到一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置及方法。

背景技术

作为反射型元件，离轴抛物面镜无色差且焦点与无穷远处为一对共轭齐明点，不会产生单色像差，能够以简单的面形实现宽带光高质量的无色差聚焦；与同轴系统相比，离轴抛物面镜能够实现中心无遮挡的光束聚焦，在各种场合应用广泛。

在高能拍瓦激光装置中，离轴抛物面镜作为皮秒激光装置的聚焦元件，是最关键的元器件之一，其姿态对皮秒激光装置输出脉冲的焦斑形态、峰值功率以及光束指向等时空特性均具有较大影响，系统对离轴抛物面镜的调整精度以及稳定性都提出了非常苛刻的要求，因此对离轴抛物面镜的三维姿态进行精密定位监测控制尤为必要。

发明内容

本发明的目的是为了弥补先前技术上的不足，从而实现对大口径离轴抛物面镜三维姿态的精密监测控制。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置，由携带前级光束近场位置和光束指向的主激光经大口径离轴抛物面实现超短宽带脉冲聚焦，该大口径离轴抛物面位于主激光光路中且与主激光光轴垂直，其特点在于，包括：

协作反射镜，位于所述离轴抛物面镜端面之上，且与离轴抛物面镜姿态保持一致；

姿态监测单元，位于电动导轨的移动平台上，由闭环反馈控制单元控制沿主激光光轴垂直方向移进或移出；

闭环反馈控制单元，位于主激光光路之外，用于数据分析处理，并控制电动导轨，使所述的姿态监测单元移进或移出主激光光路以及控制五维调整机构，使所述的离轴抛物面镜姿态与主激光耦合。

进一步，所述的姿态监测单元由限光光阑、分光元件、角锥、近远场包和反射镜组成；所述主激光经限光光阑入射到分光元件，经该分光元件分为透射光和反射光，所述透射光传输至角锥后沿原光路返回，经分光元件反射进入近远场包建立近、远场基准，所述反射光传输至反射镜，反射后传输至协作反射镜，经协作反射镜反射后沿原光路返回，依次经所述反射镜和分光元件后进入近远场包；所述的闭环反馈控制单元接收近远场包的数据，并对近、远场基准进行比对，即可获得离轴抛物面镜三维姿态的偏离情况，进而驱动所述的五维调整机构，使所述离轴抛物面镜复位。

优选的，所述限光光阑直径为D，主激光的波长为λ，其可实现的远场角分辨率为1.22*λ/D，且D≥30mm。

优选的，所述分光元件分光比可根据反射镜的镀膜情况而定，一般为1:2。

优选的，所述协作反射镜表面装有十字分划板，且十字分划板为明场暗线分划板。

所述近远场包包含分光镜、反射镜、聚焦透镜、近场CCD和远场CCD，CCD靶面均刻有电子分划板，且分划板中心与CCD靶面中心重合。

另一方面，本发明还提供一种利用上述大口径离轴抛物面镜姿态监测装置进行监测控制的方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，闭环反馈控制单元控制电动导轨将姿态监测单元移入主激光光路，使主激光经姿态监测单元分为反射光路和透射光路；

步骤2，携带所述主激光近、远场信息的透射光被所述的近远场包采集并反馈至闭环反馈控制单元，建立所述主激光的近、远场基准；

步骤3，携带所述离轴抛物面镜三维姿态信息的反射光被所述的近远场包采集并反馈至闭环反馈控制单元，获得所述离轴抛物面镜的近、远场信息；

步骤4，闭环反馈控制单元将采集的数据进行比对分析，得到所述离轴抛物面镜的三维姿态偏离数据；

步骤5，通过闭环反馈控制单元驱动所述的五维调整机构使离轴抛物面镜复位；或通过调整主激光在近远场包的落点，使得离轴抛物面镜和主激光的姿态完成耦合。

进一步，该方法首次使用需进行光路标定，具体包括以下步骤：

步骤1，将协作反射镜固定在离轴抛物面镜的端面之上，离线调整，使二者姿态一致；

步骤2，开启主激光，调整离轴抛物面镜的姿态，使其与主激光完全耦合；

步骤3，闭环反馈控制单元控制电动导轨将姿态监测单元移入主光路，主激光经分光元件分为透射光和反射光，透射光沿光轴传输至角锥后沿原光路返回，经分光元件反射后进入近远场包，微调近远场包中的CCD位置，使近、远场光斑与CCD靶心重合，建立近、远场基准；

步骤4，主激光经分光元件分光，反射光沿光轴传输至反射镜，经反射后传输至协作反射镜，经协作反射镜反射后沿原光路返回，经过分光元件进入近远场包，微调反射镜使反射十字像位于近远场包CCD靶心，调整协作反射镜姿态使十字像与电子分划板的十字像重合，固定协作反射镜使其与离轴抛物面镜相对姿态保持不变；

步骤5，微调离轴抛物面镜三维角度(面内，方位，俯仰)，使其偏离理想位置，十字反射像随之偏离靶心，通过闭环反馈控制单元进行数据处理即可获得离轴抛物面镜的三维姿态偏离情况。

步骤6，通过闭环反馈控制单元控制离轴抛物面镜进行三维姿态调整，使之与主激光的近场重合；或者调整主激光在近远场包的落点，使得离轴抛物面镜和主激光的姿态完成耦合。

作为优选，所述协作反射镜表面装有十字分划板，且十字分划板为明场暗线分划板；

作为优选，所述CCD靶面刻有电子分划板，且分划板中心与CCD靶面中心重合；

与现有技术相比，本发明存在以下优点：

1)装置光路简单，体积小，无需额外模拟光，仅采用主激光即可直接实现对离轴抛物面镜三维姿态的监测控制；

2)装置通过电动导轨移进移出，对主光路无遮挡，可随时对离轴抛物面镜进行姿态校核及复位。

附图说明

图1为本发明的离轴抛物面镜姿态监测控制光路示意图(俯视)；

图2为本发明的离轴抛物面镜姿态监测控制光路示意图(侧视)；

图3为本发明的离轴抛物面镜三维姿态示意图；

图4为本发明的离轴抛物面镜处于理想姿态时的近、远场CCD靶面光斑示意图；

图5为本发明的离轴抛物面镜偏离理想姿态时的近、远场CCD靶面光斑示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明具体实施方式所提供的技术方案进行进一步说明。

如图1，图2所示，为本发明所提供的一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置的光路示意图，该装置包括离轴抛物面镜1、协作反射镜2、姿态监测单元3、电动导轨4以及闭环反馈控制单元5。携带前级光路信息的主激光经离轴抛物面镜1聚焦于靶点，闭环反馈控制单元5控制电动导轨4将姿态监测单元3移入主光路，主激光经分光元件3-2后分成反射光和透射光，透射光传输至角锥3-3后沿原光路返回，经分光元件3-2反射进入近远场包3-4建立近、远场基准，反射光沿竖直方向传输至反射镜3-5，反射后传输至协作反射镜2，经协作反射镜2反射后沿原光路返回，透过分光元件3-2进入近远场包3-4；携带离轴抛物面镜1三维姿态信息的反射光与近、远场基准进行比对即可获得离轴抛物面镜1的三维姿态偏离情况。

作为优选，所述限光光阑3-1直径为D，且D＝50mm；所述分光元件3-2分光比为1:2；所述协作反射镜2表面装有十字分划板，且十字分划板为明场暗线分划板；所述近远场包3-4中的CCD靶面刻有电子分划板，且分划板中心与CCD靶面中心重合；

本实施例大口径离轴抛物面镜姿态监测控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将协作反射镜2固定在离轴抛物面镜1其中侧边的端面，离线调整好二者的姿态；

步骤2，开启主激光，调整离轴抛物面镜1的姿态，使其与主激光完全耦合；

步骤3，闭环反馈控制单元5控制电动导轨4将姿态监测单元3移入主光路，主激光经分光元件3-2分为透射光和反射光，透射光沿光轴传输至角锥3-3后沿原光路返回，经分光元件3-2反射后进入近远场包3-4，微调近远场包3-4中的CCD位置使近、远场光斑与CCD靶心重合，建立近、远场基准；

步骤4，主激光经分光元件3-2分光，反射光沿光轴传输至反射镜3-5，经反射后传输至协作反射镜2，经协作反射镜2反射后沿原光路返回，经过分光元件3-2进入近远场包3-4，微调反射镜3-5使反射十字像位于近远场包3-4CCD靶心，调整协作反射镜2姿态使十字像与电子分划板的十字像重合，固定协作反射镜2使其与离轴抛物面镜1相对姿态保持不变；

步骤5，微调离轴抛物面镜1三维角度(面内，方位，俯仰)，使其偏离理想位置，十字反射像随之偏离靶心，通过闭环反馈控制单元5进行数据处理即可获得离轴抛物面镜1的三维姿态偏离情况。

步骤6，通过闭环反馈控制单元5控制离轴抛物面镜1进行三维姿态调整，使之与主激光的近场重合；或者调整主激光在近远场包3-4的落点，使得离轴抛物面镜1和主激光的姿态完成耦合。

Claims (6)

1.一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置，由携带前级光束近场位置和光束指向的主激光经大口径离轴抛物面实现超短宽带脉冲聚焦，该大口径离轴抛物面位于主激光光路中且与主激光光轴垂直，其特征在于，包括：

协作反射镜（2），位于所述离轴抛物面镜（1）端面之上，且与离轴抛物面镜（1）姿态保持一致；

姿态监测单元（3），位于电动导轨（4）的移动平台上，由闭环反馈控制单元（5）控制沿主激光光轴垂直方向移进或移出；

闭环反馈控制单元（5），位于主激光光路之外，用于数据分析处理，并控制电动导轨（4），使所述的姿态监测单元（3）移进或移出主激光光路以及控制五维调整机构，使所述的离轴抛物面镜（1）姿态与主激光耦合；

所述的姿态监测单元（3）由限光光阑（3-1）、分光元件（3-2）、角锥（3-3）、近远场包（3-4）和反射镜（3-5）组成；所述主激光经限光光阑（3-1）入射到分光元件（3-2），经该分光元件（3-2）分为透射光和反射光，所述透射光传输至角锥（3-3）后沿原光路返回，经分光元件（3-2）反射进入近远场包（3-4）建立近、远场基准，所述反射光传输至反射镜（3-5），反射后传输至协作反射镜（2），经协作反射镜（2）反射后沿原光路返回，依次经所述反射镜（3-5）和分光元件（3-2）后进入近远场包（3-4）；所述的闭环反馈控制单元（5）接收近远场包（3-4）的数据，并对近、远场基准进行比对，即可获得离轴抛物面镜（1）三维姿态的偏离情况，进而驱动所述的五维调整机构，使所述离轴抛物面镜（1）复位；

所述近远场包（3-4）包含分光镜、反射镜、聚焦透镜、近场CCD和远场CCD，CCD靶面均刻有电子分划板，且分划板中心与CCD靶面中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置，其特征在于，所述限光光阑（3-1）直径为D，主激光的波长为λ，其可实现的远场角分辨率为1.22*λ/D。

3.根据权利要求1所述的一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置，其特征在于，所述分光元件（3-2）分光比可根据反射镜的镀膜情况而定，分光比为1:2。

4.根据权利要求1所述的一种大口径离轴抛物面镜姿态监测控制装置，其特征在于，所述协作反射镜（2）表面装有十字分划板，且十字分划板为明场暗线分划板。

5.一种利用权利要求1-4任一所述的大口径离轴抛物面镜姿态监测装置进行监测控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，闭环反馈控制单元（5）控制电动导轨（4）将姿态监测单元（3）移入主激光光路，使主激光经姿态监测单元（3）分为反射光路和透射光路；

步骤2，携带所述主激光近、远场信息的透射光被所述的近远场包（3-4）采集并反馈至闭环反馈控制单元（5），建立所述主激光的近、远场基准；

步骤3，携带所述离轴抛物面镜（1）三维姿态信息的反射光被所述的近远场包（3-4）采集并反馈至闭环反馈控制单元（5），获得所述离轴抛物面镜（1）的近、远场信息；

步骤4，闭环反馈控制单元（5）将采集的数据进行比对分析，得到所述离轴抛物面镜（1）的三维姿态偏离数据；

步骤5，通过闭环反馈控制单元（5）驱动所述的五维调整机构使离轴抛物面镜（1）复位；或通过调整主激光在近远场包（3-4）的落点，使得离轴抛物面镜（1）和主激光的姿态完成耦合。

6.根据权利要求5所述的监测控制的方法，其特征在于，该方法首次使用需进行光路标定，具体包括以下步骤：

步骤1，将协作反射镜（2）固定在离轴抛物面镜（1）的端面之上，离线调整，使二者姿态一致；

步骤2，开启主激光，调整离轴抛物面镜（1）的姿态，使其与主激光完全耦合；

步骤3，闭环反馈控制单元（5）控制电动导轨（4）将姿态监测单元（3）移入主光路，主激光经分光元件（3-2）分为透射光和反射光，透射光沿光轴传输至角锥（3-3）后沿原光路返回，经分光元件（3-2）反射后进入近远场包（3-4），微调近远场包（3-4）中的CCD位置，使近、远场光斑与CCD靶心重合，建立近、远场基准；

步骤4，主激光经分光元件（3-2）分光，反射光沿光轴传输至反射镜（3-5），经反射后传输至协作反射镜（2），经协作反射镜（2）反射后沿原光路返回，经过分光元件（3-2）进入近远场包（3-4），微调反射镜（3-5）使反射十字像位于近远场包（3-4）CCD靶心，调整协作反射镜（2）姿态使十字像与电子分划板的十字像重合，固定协作反射镜（2）使其与离轴抛物面镜（1）相对姿态保持不变；

步骤5，微调离轴抛物面镜（1）三维角度包括面内，方位，俯仰，使其偏离理想位置，十字反射像随之偏离靶心，通过闭环反馈控制单元（5）进行数据处理即可获得离轴抛物面镜（1）的三维姿态偏离情况；

步骤6，通过闭环反馈控制单元（5）控制离轴抛物面镜（1）进行三维姿态调整，使之与主激光的近场重合；或者调整主激光在近远场包（3-4）的落点，使得离轴抛物面镜（1）和主激光的姿态完成耦合。