CN115528524A - 一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置 - Google Patents

一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，包括谐振腔，激光器的全反镜、输出镜布置于谐振腔中的调谐光路上，谐振腔由支撑体及支撑体两端的支架连接形成，支撑体采用镍铁合金材质，两侧的支架上经驱动件连接有镜座，全反镜、输出镜分别装于两侧的镜座上；准直调整结构还包括光电检测模块、温度调节模块、驱动控制模块；光电检测模块用于检测激光器的输出光能；温度调节模块用于调节谐振腔温度；驱动控制模块，与驱动件连接，用于驱动温度调节模块，以及根据输出光能变化值控制驱动件动作，以调整全反镜与输出镜平行而完成调谐。

Description

一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其是用于军用环境要求的激光器谐振腔准直或失谐自动调整，具体为一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置。
背景技术
随着科技发展，激光在军事技术领域应用越来越广泛，例如：激光测距及方位测量、激光制导、激光炫目、激光光波空间直接传输通讯及激光定向能武器。激光器产生激光的一个重要条件：激光谐振后产生增益，也就是谐振腔输出镜与全反镜同轴平行。
一般民用医疗、科研及工业用激光室温环境(空调控制温度25±2℃)下工作，室外工作环境温度范围-10℃～45℃，在此温差比较大的环境下工作，支撑谐振腔输出镜及全反镜支撑杆膨胀长度会有差异，就很难保证谐振腔输出镜与全反镜完全同轴平行,有时需要人工调整，才能正常工作。而军用激光器的工作条件比民用的苛刻得多，工作温度范围在-45℃～70℃，在战场条件下是不允许人工干预的，针对这种情况，目前军用激光器，一般采用对激光器常温设置功率大(留有余量)，这样在极端低温或高温的(激光谐振腔失谐)条件下仍有一定激光输出，维持能用；另一种方法是采用控温系统将激光系统控制在一固定温度，保持激光谐振腔不失谐，但缺点是控温系统体积大、耗能高、使用受到限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其可根据环境对激光器谐振腔调谐，且体积小，工作稳定。
其技术方案是这样的：一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，包括谐振腔，所述激光器的全反镜、输出镜布置于所述谐振腔中的调谐光路上，其特征在于，所述谐振腔由支撑体及所述支撑体两端的支架连接形成，所述支撑体采用镍铁合金材质，两侧的所述支架上经驱动件连接有镜座，所述全反镜、输出镜分别装于两侧的所述镜座上；
所述准直调整结构还包括光电检测模块、温度调节模块、驱动控制模块；
所述光电检测模块，布置于所述激光器的激光输出端，且连接于所述驱动控制模块，用于检测所述激光器的输出光能；
所述温度调节模块，装于所述支撑体上，且连接于所述驱动控制模块，用于调节所述谐振腔温度；
所述驱动控制模块，与所述驱动件连接，用于驱动所述温度调节模块，以及根据输出光能变化值控制所述驱动件动作，以调整所述全反镜与所述输出镜平行而完成调谐。
其进一步特征在于：
所述支撑体设有三根，所述支撑体为invar材质的棒体结构；所述支架为L型，三根所述支撑体连接于两端的所述支架之间，所述驱动件装于对应所述支撑体端部的所述支架上；
所述驱动件采用的压电陶瓷堆；所述镜座分为全反镜座、输出镜座，所述全反镜、输出镜分别对应装于所述全反镜座、输出镜座上，所述压电陶瓷堆一端装于所述支架上，另一端连接于所述全反镜座或所述输出镜座上；
所述光电检测模块包括光电探测器，所述光电探测器布置于所述激光器的激光输出端，以用于检测所述激光器的输出光能，并将光能信息发送到所述驱动控制模块；
所述温度调节模块包括半导体制冷制热器，每根所述支撑体上均布置有两个所述半导体制冷制热器，所述半导体制冷制热器与所述驱动控制模块连接，以根据所述驱动控制模块的指令控制制冷或制热的工作模式；
所述支撑体上装有散热板，所述半导体制冷制热器装于所述散热板上；
所述准直调整结构还包括感温模块，所述感温模块连接于所述半导体制冷制热器、驱动控制模块之间，用于感测所述半导体制冷制热器的温度变化以及所述谐振腔温度，并将温度信息发送至所述驱动控制模块；
所述驱动控制模块包括单片机、D/A转换单元、TEC驱动单元、A/D转换单元，所述D/A转换单元连接于所述压电陶瓷堆、单片机之间，所述压电陶瓷堆接收所述D/A转换单元的电压转换信号后实现长度的变化；所述A/D转换单元连接于所述光电探测器、单片机之间，所述TEC驱动单元连接于所述半导体制冷制热器、单片机之间；
所述准直调整结构还包括供电模块，所述供电模块包括相连接的基准电源、开关直流稳压电源，所述D/A转换单元与所述基准电源连接；
所述TEC驱动单元包括电桥驱动器AR1、AR2、电阻R1～R4、MOS管Q1～Q4、二极管D1～D6、发光二极管LED1、LED2、电感L1、L2、电容C1～C4、接口WP1～WP4，所述电桥驱动器AR1、AR2均采用型号LT1336CN驱动器；所述电桥驱动器AR1、AR2均与所述单片机连接，所述接口WP3用于连接电源24V，所述接口WP4用于接地，所述接口WP1、接口WP2分别用于连接所述支撑体上的两个所述半导体制冷制热器。
本发明的有益效果是，其通过温度调节模块可实现调整谐振腔温度，以及根据输出光能变化值控制驱动件动作，以调整全反镜与输出镜平行而完成谐振腔调谐，不仅可适应军用环境要求，且可保证谐振腔快速得到最佳状态，以及装置整体结构体积小，可靠性高，具有较好的使用价值。
附图说明
图1是本发明的控制框图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的立体结构示意图；
图4是本发明中的光路示意图；
图5是本发明中TEC驱动单元的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作具体的介绍。
参照图1～图5所示，本发明一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，包括谐振腔1，激光器的全反镜2、输出镜3布置于谐振腔1中的调谐光路上，谐振腔1由三根支撑体4及三根支撑体4两端的L型支架5连接形成；支撑体4采用镍铁合金材质，即支撑体4为invar材质的棒体结构；两侧的支架5上经驱动件连接有镜座，全反镜2、输出镜3分别装于两侧的镜座上；
准直调整结构还包括光电检测模块、温度调节模块、驱动控制模块；
光电检测模块，布置于激光器的激光输出端，且连接于驱动控制模块，用于检测激光器的输出光能；
温度调节模块，装于支撑体4上，且连接于驱动控制模块，用于调节谐振腔1温度；
驱动控制模块，与驱动件连接，用于驱动温度调节模块，以及根据输出光能变化值控制驱动件动作，以调整全反镜2与输出镜3平行而完成调谐。
驱动件装于对应支撑体4端部的支架5上；驱动件采用的压电陶瓷堆6，压电陶瓷堆6长度变化可达到920um，6只压电陶瓷堆6调整激光器全反镜2及输出镜3平行度偏差接近2mm；镜座分为全反镜座7、输出镜座8，全反镜2、输出镜3分别对应装于全反镜座7、输出镜座8上，压电陶瓷堆6一端粘贴于支架5上，另一端连接于全反镜座7或输出镜座8上。
光电检测模块包括光电探测器9，光电探测器9布置于激光器的激光输出端，以用于检测激光器的输出光能，并将光能信息发送到驱动控制模块。
温度调节模块包括半导体制冷制热器10，本实施例中，每根支撑体4上均布置有两个半导体制冷制热器10，具体地，支撑体4上装有散热板11，半导体制冷制热器10装于散热板11上；半导体制冷制热器10与驱动控制模块连接，以根据驱动控制模块的指令控制制冷或制热的工作模式。
准直调整结构还包括感温模块12，感温模块12连接于半导体制冷制热器10、驱动控制模块之间，用于感测半导体制冷制热器10的温度变化以及谐振腔1温度，并将温度信息发送至驱动控制模块；感温模块12包括多个热敏电阻，以实现多点探测。
驱动控制模块包括单片机13、D/A转换单元14、TEC驱动单元15、A/D转换单元16，单片机13的型号是ATMEGA128，本发明实施例中的D/A转换单元14、A/D转换单元16均采用的现有电路；D/A转换单元14连接于压电陶瓷堆6、单片机13之间，压电陶瓷堆6接收D/A转换单元14的电压转换信号后实现长度的变化；A/D转换单元16连接于光电探测器9、单片机13之间，TEC驱动单元15连接于半导体制冷制热器10、单片机13之间；准直调整结构还包括供电模块，供电模块包括相连接的基准电源17、开关直流稳压电源18，D/A转换单元14与基准电源17连接，电压大小控制精度由基准电源17决定，开关直流稳压电源18给基准电源17供电。
如图5所示，TEC驱动单元15包括电桥驱动器AR1、AR2、电阻R1～R4、MOS管Q1～Q4、二极管D1～D6、发光二极管LED1、LED2、电感L1、L2、电容C1～C4、接口WP1～WP4，电桥驱动器AR1、AR2均采用型号LT1336CN驱动器；电桥驱动器AR1、AR2的3、4、5脚均连接于单片机13，接口WP3用于连接电源24V，接口WP4用于接地，接口WP1、接口WP2分别用于连接其中一根支撑体4上的两个半导体制冷制热器10；本发明实施例中仅以一组TEC驱动单元15为例，以驱动其中一根支撑体4上的两个半导体制冷制热器10工作；TEC驱动单元15的数量可根据支撑体4和半导体制冷制热器10的数量设置。
本发明的工作原理是，压电陶瓷堆6接收到D/A转换单元14的电压转换信号后实现长度的变化(变长或缩短)，电压大小主要由单片机13输出控制信号决定(压电陶瓷的逆向应用)，此时，通过控制单个压电陶瓷堆6长度变化会使得激光谐振腔1全反镜2及输出镜3平行度变化，从而造成激光器输出能量变化，光电探测器9接收输出光能，且接收的光能信息通过A/D转换单元16发送到单片机13，同时，6块半导体制冷制热器10(简称TEC)安装在每根支撑体4的散热板11上，制冷或制热状态由单片机13发出的指令通过TEC驱动单元15来控制半导体制冷制热器10的工作模式，温度控制通过单片机13控制达到0.01℃,重复精度达到0.2℃；感温模块12分别测量6块半导体制冷制热器10温度及环境温度后将温度信息发送至单片机13，单片机13可与上位机19通讯以发送信息接收指令。
本发明整体结构体积小、可靠性高，适用于工作环境温度很宽(-50℃～70℃)，即军用环镜要求的激光器L型谐振腔1，谐振腔1内可以放置气体、固体增益介质及相关泵浦，组成激光器，如图4所示，本实施例中的谐振腔1内放置有泵浦源20；本发明采用热膨胀及反压电原理通过半导体制冷制热器(TEC)及压电陶瓷堆对激光谐振腔失谐调整，特别是环境变化对激光器谐振腔调谐失谐的调整，即通过调整三根invar材质的支撑体4的相对温度和每根支撑体4两端安装的压电陶瓷堆6长度，可实现让固定在支撑体4两侧的全反镜座7及输出镜座8平行，从而调整全反镜2及输出镜3平行，完成谐振腔1调谐，控制精度高、节能、稳定；综上，本发明采用对环境温度、三根支撑体4温度及激光输出功率探测，测试信息通过单片机13智能化控制处理，通过指令调整及控制三根invar支撑体4温度及6只压电陶瓷堆6长度，保证谐振腔1快速得到最佳状态。
需要说明的是，控温半导体制冷制热器10不限于本发明实施例的控制方式，也可采用液冷控温及其它控温方式。
支撑体4也不限于压电陶瓷堆，也可以是陶瓷电机或其它方式，自动调整激光谐振腔1即可。
图4中，21为分束镜，光束经输出镜输出后，再经分束镜21反射至激光器的输出端，光电探测器9探测输出端的光能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，包括谐振腔，所述激光器的全反镜、输出镜布置于所述谐振腔中的调谐光路上，其特征在于，所述谐振腔由支撑体及所述支撑体两端的支架连接形成，所述支撑体采用镍铁合金材质，两侧的所述支架上经驱动件连接有镜座，所述全反镜、输出镜分别装于两侧的所述镜座上；
所述准直调整结构还包括光电检测模块、温度调节模块、驱动控制模块；
所述光电检测模块，布置于所述激光器的激光输出端，且连接于所述驱动控制模块，用于检测所述激光器的输出光能；
所述温度调节模块，装于所述支撑体上，且连接于所述驱动控制模块，用于调节所述谐振腔温度；
所述驱动控制模块，与所述驱动件连接，用于驱动所述温度调节模块，以及根据输出光能变化值控制所述驱动件动作，以调整所述全反镜与所述输出镜平行而完成调谐。
2.根据权利要求1所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述支撑体设有三根，所述支撑体为invar材质的棒体结构；所述支架为L型，三根所述支撑体连接于两端的所述支架之间，所述驱动件装于对应所述支撑体端部的所述支架上。
3.根据权利要求1所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述驱动件采用的压电陶瓷堆；所述镜座分为全反镜座、输出镜座，所述全反镜、输出镜分别对应装于所述全反镜座、输出镜座上，所述压电陶瓷堆一端装于所述支架上，另一端连接于所述全反镜座或所述输出镜座上。
4.根据权利要求3所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述光电检测模块包括光电探测器，所述光电探测器布置于所述激光器的激光输出端，以用于检测所述激光器的输出光能，并将光能信息发送到所述驱动控制模块。
5.根据权利要求4所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述温度调节模块包括半导体制冷制热器，每根所述支撑体上均布置有两个所述半导体制冷制热器，所述半导体制冷制热器与所述驱动控制模块连接，以根据所述驱动控制模块的指令控制制冷或制热的工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述支撑体上装有散热板，所述半导体制冷制热器装于所述散热板上。
7.根据权利要求5所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述准直调整结构还包括感温模块，所述感温模块连接于所述半导体制冷制热器、驱动控制模块之间，用于感测所述半导体制冷制热器的温度变化以及所述谐振腔温度，并将温度信息发送至所述驱动控制模块。
8.根据权利要求5所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述驱动控制模块包括单片机、D/A转换单元、TEC驱动单元、A/D转换单元，所述D/A转换单元连接于所述压电陶瓷堆、单片机之间，所述压电陶瓷堆接收所述D/A转换单元的电压转换信号后实现长度的变化；所述A/D转换单元连接于所述光电探测器、单片机之间，所述TEC驱动单元连接于所述半导体制冷制热器、单片机之间。
9.根据权利要求8所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述准直调整结构还包括供电模块，所述供电模块包括相连接的基准电源、开关直流稳压电源，所述D/A转换单元与所述基准电源连接。
10.根据权利要求8所述的一种军用激光器谐振腔准直调整控制装置，其特征在于：所述TEC驱动单元包括电桥驱动器AR1、AR2、电阻R1～R4、MOS管Q1～Q4、二极管D1～D6、发光二极管LED1、LED2、电感L1、L2、电容C1～C4、接口WP1～WP4，所述电桥驱动器AR1、AR2均采用型号LT1336CN驱动器；所述电桥驱动器AR1、AR2均与所述单片机连接，所述接口WP3用于连接电源24V，所述接口WP4用于接地，所述接口WP1、接口WP2分别用于连接所述支撑体上的两个所述半导体制冷制热器。
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