激光光束特定方向准直方法与技术

tt369 · 发表于 2006-4-4 02:13:00

激光光束特定方向准直方法与技术
赵维谦3 3 , 谭久彬, 邱丽荣, 章　雷
摘要:基于光束漂移量反馈通过PZT 驱动的微角度控制,实时动态检测和控制激光光束特定方向的平漂量和角漂量,以达到出射光束特定方向的高稳定性。准直系统中对光束平漂量和角漂量进行了分离检测,并各自构成了平漂量和角漂量反馈控制执行系统,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合,提高了准直精度及准直效率。实验表明,该方法特定方向准直精度可达5 ×10 - 8 rad。
关键词:激光准直; 光束漂移; 激光基准; 激光
1 　引　言
　　激光器由于受其本身的热变形、环境振动和空气扰动等因素的影响,出射的激光束在传播过程中常会产生漂移,主要表现为光束的平漂和角漂,其量级一般在10 - 4～10 - 6 rad。这一弱点限制了激光器准直精度的进一步提高,影响了其在实际中的运用。目前的许多方法,如激光方向稳定法[1 ] 、位相板衍射准直法[2 ,3 ] 、双光束补偿准直法[4 ] 、单模光纤准直法、CCD传真法等[5～7 ] ,都是为解决这一问题而提出的。但此类方法,均将激光光束在任意方向的平漂和角漂作为一个综合影响量,来对其进行准直,增加了准直难度及准直系统的复杂性,降低了准直效率。在激光长距离准直技术中,有时只需对激光光束传播中的某个空间位置方向(激光束截面的x 方向或y 方向) 进行准直;在许多应用场合, 对测量结果起作用的只是光束截面的某个特定方向的稳定性,此种情况下只需对所用光束特定方向进行准直, 这样既可降低难度、减小系统复杂性,同时又能提高特定方向的准直效率及精度。为此,本文提出抑制光束特定方向的漂移量反馈控制方法及技术。
2 　特定方向反馈控制准直法
2. 1 　分离检测
　　光束角漂量分离检测法见图1 ,将二像限探测器( TEPD ,two2element photodioe) 光敏面中心对称线置于聚焦物镜的焦点处,与TEPD 中心对称线垂直的方向即为将要准置的特定方向,安放二像限硅光电池使纸面为将需准直的特定方向面,如图1 (a) 所示。
当光束产生平漂量Δx 时,由于入射光束平行于光轴经聚焦物镜后仍聚于焦点上, TEPD 对光束的平漂量不敏感。当光束产生角漂即相对光轴以θ角入射时,光束聚焦于聚焦物镜的焦平面上并发生偏移, 见图1 (b) ,偏移TEPD 的中心位置量为Δy =θ×f 。其中,θ为光束角漂量,Δy 为光束焦点偏移TEPD 中心线, f 为聚焦物镜焦距。显然,选取较大的焦距f ,可增加TEPD 对角漂量的探测能力。光束在纸面方向角漂θy 为

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光束平漂量分离检测法见图2 ,使TEPD 1 的中心对称线与TEPD 2 的中心对称线平行。在动态调整开始时,转角反射镜首先依据TEPD 2 检测的光束角漂移量,进行反馈调整,来抑制光束的角漂。分光镜BS 1 位于转角反射镜之后,其反射到TEPD 1 上的光束纸平面角漂量也同样得到抑制。光束角漂被抑制的越小,TEPD 2 接受的信号中所含角度漂移量的成分就越小,此时TEPD 1 检测到的值主要为激光束在纸平面内的平漂量。这样,就基本上实现了激光束在纸平面内平漂量的分离检测。
2. 2 　平移镜平移特性
　　光束平移调整见图3 。当光束进入平移镜(两平行平面镜组成) 出射时,依据反射定律其出射角始终与入射角一致,即平移镜并不改变光束的方向角。如图3 (b) 所示。当入射光束产生平移时,其出射光线同样亦产生相应的平移。这种特性确保了用平移镜对光束进行平移调整时,对光束角漂量不产生影响,避免了光束平移量反馈控制和角漂量反馈控制之间的相互耦合。

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2. 3 　转角反射镜转角特性
　　如图4 (a) 所示,当反射镜绕入射面内的O 点由O2A 面转过β角到O2B 面时, 反射光束将从O2c 转向O2b ,其偏移角x 为γx = 2β。如图4 (b) 所示,当反射镜绕入射面与反射镜镜面的交线A A 轴转动δ角时,法线将从o2n 转向o2m ,其出射光线也将从a2o2c面内的o2c 光束转向a2o2b 面内的o2b 光束,其转角为γy = 2δ(δ角很小) 。光束在空间上的角漂总可以分解为沿光束传播方向的两个相互垂直的角漂移分量,这样通过反射镜依据图4 (a) 、4 ( b) 两相互垂直方向的转动,就可实现出射光束的空间角控制。
　　　　γx = 2β,γy = 2δ (4)

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3 　反馈控制准直过程及系统构成
　　漂移量反馈控制光纤准直系统构成见图5 。激光器出射的光束经初级准直后变为平行光射向光束平移镜,光束平移镜出射的光经转角反射镜射向分光镜1 (BS1) 和分光镜2 (BS2) ,BS1 反射的光照射在TEPD 1 中心上用于探测光束的平漂,BS2 反射的光经聚焦物镜聚焦在QPD 2 中心,TEPD 2 位于聚焦物镜的焦平面上,用于探测光束的角漂移量。准直过程中,计算机首先依据TEPD 1 检测出的激光束在特定方向上的角漂[其大小可由式(1) 确定] ,来控制驱动机构转动角度反射镜使激光束向角漂减小的方向转动,来减小激光束的角度漂移。TEPD 2 探测的值主要体现为激光器的平漂,其大小可以通过控制特定方向的平移反馈控制机构来抑制。光束漂移量反馈控制准直系统中,TEPD 1 和转角反射镜构成光束漂移量反馈控制系统,时实控制光束的角漂量。TEPD2 和光束平漂量控制机构构成光束漂移量反馈控制系统,时实控制光束的平漂量。时实反馈控制准直过程中,激光束的平漂量及角漂量实现了分离检测和各自实时反馈控制,减小了激光束控制过程中的相互耦合,提高了光束漂移量控制精度和准直效率。
　准直系统中激光器选用美国JDS Uniphase 公司产的1145P 型号,其出射功率为23 mW。压电陶瓷驱动器选用中科院成都光电所的可伸缩压电陶瓷驱动器(伸缩范围±3 μm) ,与自行研制的四压电驱动电源及驱动机构相配,角度反射镜控制分辨力达1 ×10 - 8 rad ,调整范围达20 ×10 - 6 rad。平移控制镜分辨力达5 nm ,控制范围达2 000 nm , TEPD 采用日本HAMAMATSU 公司产的S6241 型号,聚焦透镜的焦距选用f = 150 mm ,信号采集及控制卡采用研华PCL813B。

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4 　实验测试及结论
　　依据基准型圆柱度仪激光基准的实际需求,在准直距离为500 mm 处,对其光束在纸面方向准直后的漂移量(包括平漂量和角漂量) 综合作用效果进行了准直效果测试。测试时间为900 s ,共采集40 000 个点,实验数据见图6 。激光束经单模光纤准直后出射光束在纸面方向达到4 ×10 - 7 rad 准直精度。再经漂移量反馈控制后,纸面方向达到5 ×10 - 8 rad 的准直精度。从实验看出,经过光束漂移量反馈控制补偿后,光束在纸面方向的漂移量明显得到抑制,准直精度显著提高。
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