專利名稱：正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光諧振腔腔鏡的自動校準裝置，正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置。
背景技術：
現(xiàn)代通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展、高能激光應用的研究和激光雷達的應用對激光器輸出光束的質量提出了較高要求，因此不斷改善和提高激光器輸出光束的質量是目前世界前沿科技研究的熱點。
研究發(fā)現(xiàn)高能激光器非穩(wěn)腔工作時可以輸出近似平面波，在去除光束傾斜和離焦像差的條件下還含有少量高階像差，因此腔內(nèi)傾斜和離焦像差是引起光束質量變壞的主要因素。在高能激光器輸出激光時，腔內(nèi)環(huán)境十分惡劣，有很強的氣流擾動和其他影響腔內(nèi)光學元件失調的因素，這樣輸出光束質量就會變差，影響激光的應用，同時如果要在腔內(nèi)校正全部的光束像差，不但裝置、控制算法復雜，而且校正多階像差時也很難兼顧，因為并沒有從理論上解決激光器諧振腔內(nèi)像差與激光器輸出功率、近場光強和相位分布的對應關系；另外如果把所有光束質量的校正交給腔外凈化系統(tǒng)，就會增加腔外凈化系統(tǒng)的負擔，并且也難以達到滿意的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于實時、高精度地校正非穩(wěn)腔腔內(nèi)凹鏡相對于凸鏡和刮刀鏡的失調，自動對腔內(nèi)主要像差進行補償?shù)恼Ч步狗欠€(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，通過該裝置把使光束質量變差的其他影響因素交給腔外凈化完成，從而改善高能激光器在輸出激光光束時的不穩(wěn)定，存在激光束的漂移、低頻振動、光強分布隨時間變化等現(xiàn)象，使輸出光束的質量達到較好狀態(tài)。
本發(fā)明的技術解決方案是正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特點在于至少包括下列部件He-Ne激光器，輸出激光導引光，模擬高能激光在腔內(nèi)傳輸情況，它和帶有小孔結構的腔內(nèi)折疊鏡固聯(lián)在一起；帶有小孔結構的腔內(nèi)折疊鏡其作用是側向耦合輸出，讓低能激光校準光束通過；帶有小孔的刮刀鏡，其作用是接收帶有小孔結構的腔內(nèi)折疊鏡的低能激光校準光束，并側向耦合輸出，以用來模擬高能激光的傳輸路線和輸出目標對準；凸鏡，接至刮刀鏡的后面，它和凹鏡一起使光束穩(wěn)定的在諧振腔內(nèi)振蕩、放大；有高精度的可探測激光器輸出光束質量的哈特曼波前傳感器(HS)，主要實時探測凹鏡相對于凸鏡的抖動、傾斜和平移；主控機，接受哈特曼波前傳感器(HS)探測到的腔鏡失調信號，處理后轉換成步進電機控制信號，后輸出到步進電機控制器驅動步進電機運動；帶有步進電機致動器的凹鏡，它接受控制信號并驅動凹鏡相對于凸鏡作傾斜、抖動和平移運動，使凸鏡和凹鏡保持準直；He-Ne激光器發(fā)出的低能激光光束穿過腔內(nèi)折疊鏡的小孔，依次到達刮刀鏡(3)、凸鏡后再返回刮刀鏡，經(jīng)折疊鏡反射后到達凹鏡再原路返回，來回振蕩，最后從刮刀鏡輸出，哈特曼波前傳感器測量能得到傾斜、抖動和平移的信息經(jīng)過主控機的數(shù)據(jù)處理后通過驅動致動器使凹鏡相對于凸鏡和腔內(nèi)折疊鏡準直。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點1.本發(fā)明采用了步進電機驅動的二維調節(jié)架，用于精確快速的開環(huán)調節(jié)凸鏡沿鏡面水平直徑俯仰轉動和沿鏡面豎直直徑左右轉動，提高了調腔效率；采用了步進電機驅動的三維調節(jié)架，用于精確快速的開環(huán)和閉環(huán)調節(jié)主鏡(凹鏡)沿鏡面水平直徑俯仰轉動、沿鏡面豎直直徑左右轉動和沿光軸前后平移運動，實現(xiàn)了動態(tài)實時控制。此裝置結構簡單，節(jié)約了控制成本；2.本發(fā)明通過模糊控制算法閉環(huán)控制凹鏡轉動和平移達到光腔校準，同時通過兩個連接裝置，一個連接凸鏡、刮刀鏡和折疊鏡，一個連接凹鏡和低能激光器，達到腔內(nèi)不調節(jié)的元件盡量穩(wěn)固和腔內(nèi)元件各部分之間相對運動自由度減少。這樣調節(jié)凹鏡才能補償其余元件的微小失調；3.本發(fā)明采用的模糊控制算法是由一個PID控制器和一個模糊自調整機構組成，比較適用于精確數(shù)學模型難以獲得的腔內(nèi)自動校準系統(tǒng)；4.本發(fā)明采用最少的控制元件和兩個連接裝置減少振動對整個系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)在需輕型化和移動運動中應用的可能性。


圖1為標準的正支共焦非穩(wěn)腔結構示意圖；圖2為圖1中非穩(wěn)腔的改進結構示意圖，即加上一個折疊鏡；圖3為本發(fā)明的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的控制軟件流程圖。
具體實施例方式
如1圖所示，為目前標準的正支共焦非穩(wěn)腔結構示意圖，由于沒有用折疊鏡，諧振腔橫向尺寸較長；圖2為圖1中非穩(wěn)腔的改進結構示意圖，即加上一個折疊鏡，它改善了諧振腔的工作效率和縮短了諧振腔橫向尺寸，它是在沒有考慮腔內(nèi)自動校準系統(tǒng)下的諧振腔光路圖；如圖3所示，本發(fā)明由He-Ne激光器5、帶有小孔15結構的腔內(nèi)折疊鏡4、帶有小孔16的刮刀鏡3、凸鏡2、探測激光器輸出光束質量的哈特曼波前傳感器8、主控機9和帶有步進電機致動器三位調節(jié)架10的凹鏡1組成，其中凸鏡2和刮刀鏡3距離相對接近，所以這2個腔鏡作為一個整體與底座13連接固定在一起，為確保凸鏡2安裝準直，在設計時它有二維調節(jié)機構17，使它能在小范圍內(nèi)調節(jié)，并可鎖定；He-Ne激光器5和腔內(nèi)折疊鏡4的相對位置也非常重要，所以這兩個部分作為一個整體在連接件12的聯(lián)接下固定。距離較遠和相對脆弱的部分則是從刮刀鏡3出發(fā)，穿過增益介質到腔內(nèi)折疊鏡4的部分和凹鏡1到腔內(nèi)折疊鏡4的部分，這兩部分易失調。實際應用中圖3中4個腔鏡都有很大的尺寸，所以聯(lián)接固定是關鍵。凸鏡2和刮刀鏡3呈45°角安裝，刮刀鏡3、凹鏡1和腔內(nèi)折疊鏡是分離結構。刮刀鏡3有一個小孔16留給非穩(wěn)腔側向激光耦合輸出，小孔15直徑比He-Ne光束直徑稍大一點，小孔16的直徑是由凸鏡2和凹鏡1的尺寸根據(jù)諧振腔理論計算得到的；腔內(nèi)折疊鏡4由兩個相互為90度角放置的反射鏡組成，其中一個反射鏡帶有小孔15，該小孔15留給低能自動校準激光光束使用，在腔內(nèi)折疊鏡4的側向耦合輸出的方向上有一個分光鏡6，大部分激光反射輸出指向目標，小部分透射輸出到哈特曼波前傳感器8顯示光束像差信息；凹鏡1安裝在步進電機驅動的三維調節(jié)機架10上，三維調節(jié)機架10使凹鏡1在小角度內(nèi)俯仰和左右旋轉，和沿光路方向平行移動，可鎖定。
He-Ne激光器5發(fā)出的低能激光光束穿過折疊鏡4的小孔15，依次到達刮刀鏡3、凸鏡2后再返回刮刀鏡3，經(jīng)腔內(nèi)折疊鏡4反射后到達凹鏡1再原路返回，來回振蕩，最后從刮刀鏡3輸出，哈特曼波前傳感器8實時探測激光光束的光斑信息，通過主探器9的DSP的波前復原算法計算出用于控制的傾斜和離焦像差，通過內(nèi)存共享快速將像差信息傳遞給控制程序，經(jīng)控制程序處理后，驅動三維凹鏡調節(jié)機構10左右、俯仰轉動和平行移動，使凹鏡1相對于凸鏡2準直，此過程能使腔內(nèi)較快達到準直狀態(tài)，并能跟蹤隨機干擾帶來的光斑抖動，使光束質量趨于穩(wěn)定。
哈特曼傳感器8能實現(xiàn)實時高精探測光束質量，采樣頻率能達到激光器工作時的光斑抖動頻率，它在此控制系統(tǒng)中起重要的監(jiān)控作用，還能實時顯示出低階像差的改進與高階像差改變的趨勢關系，從而能得到本系統(tǒng)在部分控制時其余部分的變化情況，即整體光束質量的改善情況。
在圖3中高能激光光束產(chǎn)生在紙面平面內(nèi)，并從紙面平面內(nèi)上方射出，指向哈特曼傳感器8。導引光14從He-Ne激光器5中發(fā)出，通過濾光片11，傳播方向與高能激光光束傳播方向完全相同。
開始時諧振腔利用校準目標、自動準直望遠鏡和光斑形狀特征被校準，在諧振腔足夠準直的時候，激光器5的光束就通過腔內(nèi)折疊鏡小孔15平行的照射在各個腔鏡上，此時對哈特曼傳感器8進行定標，使非穩(wěn)腔準直狀態(tài)的光束像差近似為零。當光腔受到干擾或振動產(chǎn)生失調時，哈特曼傳感器8探測到的導引光14就有一定像差，將此像差信號送到主控器9，主控器9再驅動致動器10使凹鏡1發(fā)生傾斜和平移補償光束傾斜、跟蹤抖動和腔鏡平移失調，這樣諧振腔就能保持準直，并且導引光也能一直模擬高能激光光束監(jiān)視腔內(nèi)失調情況。
主控制器9通過哈特曼傳感器探測到的光束傾斜像差和離焦像差換算成步進電機的三維控制量驅動致動器10校正腔內(nèi)凹鏡的失調，其采用PID控制算法和模糊控制算法結合，驅動致動器10是一個步進電機控制的三維調節(jié)架，它是在致動器17的基礎上在底面安裝一平移臺，此平移臺可沿光軸方向前后移動，并由步進電機控制；致動器17是二維調節(jié)架它可使凸鏡2沿鏡面水平直徑和豎直直徑作小弧度旋轉，旋轉運動由步進電機控制。PID控制基本算式為U(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(t)dt+Tdde(t)dt]]]>式中U(t)為PID控制器的輸出；e(t)為失調角度；Kp為比例控制系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。
由于計算機控制是一種采樣控制，是離散的，此時PID調節(jié)規(guī)律應該通過數(shù)值公式近似計算U(n)=Kp{e(n)+TTiΣi=1ne(i)+TdT[e(n)-e(n-1)]}]]>本校準系統(tǒng)中執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量，應用如下增量PID控制算法Δu(n)=Kp{e(n)-e(n-1)+TTie(n)+TdT[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]}]]>模糊控制特別適用于不易獲得精確模型的被控對象，它通過操作人員總結的控制規(guī)則，應用模糊集合理論，把這些控制規(guī)則寫成一串模糊條件語句，用于確定和修正控制規(guī)律，使控制規(guī)律更適合控制對象，控制效果更好。它在線整定PID參數(shù)Kp、Ti、Td，它們同偏差e的絕對值|e|之間有函數(shù)關系Kp＝f1(|e|)，Ki＝f2(|e|)，Kd＝f3(|e|)。這函數(shù)關系要靠試驗總結的控制規(guī)則得到。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)工作前先是通過控制系統(tǒng)調節(jié)光路至要求校準狀態(tài)，達到校準狀態(tài)的評判要求是He-Ne導引光從小孔16輸出的園環(huán)光斑圖像均勻，中心和光束大小與哈特曼傳感器子孔徑匹配。后用哈特曼傳感器對光斑此時標準狀態(tài)進行定標，標定此時波前為零誤差(在激光器實際工作中哈特曼傳感器探測的就是實際波前與標準狀態(tài)波前的比較)。后在激光器實際出光前，控制系統(tǒng)閉環(huán)，這樣在激光器實際出光時控制系統(tǒng)就能跟蹤激光光束波前誤差的變化，并對主控制鏡-凹鏡采取實時驅動，補償腔內(nèi)擾動。
如圖4所示，初始階段系統(tǒng)開始工作時，先整體自檢，包括控制軟件和硬件；自檢通過后對系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包括設定控制系統(tǒng)初始速度等基本參數(shù)，同時對哈特曼傳感器進行初始調節(jié)，以對準探測光路。定標階段開環(huán)調節(jié)控制系統(tǒng)對光路進行準直，若輸出光斑均勻、穩(wěn)定則可判定光路已基本準直，相反若輸出光斑偏向一邊和不穩(wěn)定則光路還需繼續(xù)調節(jié)。控制階段當光路達到初始準直后，哈特曼傳感器探測到的輸出導引光應為近似平面波，此時對哈特曼進行標定，此時可認為輸出光波基本像差近似為零。哈特曼傳感器標定完成后，系統(tǒng)處于連續(xù)自動工作狀態(tài)，通過傳感器的實時探測波前像差，并將波前的像差信號實時送給驅動裝置閉環(huán)校準光路。
控制系統(tǒng)完成實時校準任務后，系統(tǒng)應先開環(huán)后安全關機。
控制系統(tǒng)下次工作前，應重新定標。
權利要求
1.正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于包括下列部件He-Ne激光器(5)，輸出激光導引光，模擬高能激光在腔內(nèi)傳輸情況，它和折疊鏡(4)固聯(lián)在一起；帶有小孔(15)結構的腔內(nèi)折疊鏡(4)，其作用是側向耦合輸出，讓低能激光校準光束通過；帶有小孔(16)的刮刀鏡(3)，其作用是接收帶有小孔結構的腔內(nèi)折疊鏡(4)的低能激光校準光束，并側向耦合輸出，以用這束低能激光光束來模擬高能激光的傳輸路線和輸出目標對準；凸鏡(2)，接至刮刀鏡(3)的后面，它和凹鏡一起使光束穩(wěn)定的在諧振腔內(nèi)振蕩、放大；高精度的可探測激光器輸出光束質量的哈特曼波前傳感器(8)，主要實時探測凹鏡相對于凸鏡的抖動、傾斜和平移；主控機(9)，接受哈特曼波前傳感器(8)探測到的腔鏡失調信號，處理后轉換成步進電機控制信號，后輸出到步進電機控制器驅動步進電機運動；帶有步進電機致動器(10)的凹鏡(1)，它接受控制信號并驅動凹鏡(1)相對于凸鏡(2)作傾斜、抖動和平移運動，使凸鏡(2)和凹鏡(1)保持準直；He-Ne激光器(5)發(fā)出的低能激光光束穿過折疊鏡(4)的小孔(15)，依次到達刮刀鏡(3)、凸鏡(2)后再返回刮刀鏡(3)，經(jīng)腔內(nèi)折疊鏡(4)反射后到達凹鏡(1)再原路返回，來回振蕩，最后從刮刀鏡(3)輸出，哈特曼波前傳感器(8)測量能得到傾斜、抖動和平移的信息經(jīng)過主控機(9)的數(shù)據(jù)處理后通過驅動致動器(10)使凹鏡(1)相對于凸鏡(2)和腔內(nèi)折疊鏡(4)準直。
2.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于所述的凸鏡(2)安裝在步進電機驅動的二維調節(jié)機架(15)上，二維調節(jié)機架(15)使凸鏡(2)在小角度內(nèi)俯仰和左右旋轉，可鎖定。
3.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于所述的凹鏡(1)安裝步進電機驅動的三維調節(jié)機架上(10)，三維調節(jié)機架(10)使凹鏡(1)在小角度內(nèi)俯仰和左右旋轉，和沿光路方向平行移動，可鎖定。
4.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于所述的凸鏡(2)和刮刀鏡(3)距離相對接近，這2個腔鏡作為一個整體與底座(13)固聯(lián)在一起。
5.根據(jù)權利要求4所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于所述的凸鏡(2)和刮刀鏡(3)呈45°角安裝。
6.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于主控制器(9)采用PID控制算法和模糊控制算法結合，穩(wěn)定控制凹鏡(1)運動。
7.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于所述的帶有小孔(15)的腔內(nèi)折疊鏡(4)由兩個相互為90度角放置的反射鏡組成，其中一個反射鏡帶有小孔(15)。
8.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于在所述的腔內(nèi)折疊鏡(4)的側向耦合輸出的方向上有一個分光鏡(6)，其作用是大部分激光反射輸出指向目標，小部分透射輸出到哈特曼傳感器8顯示光束像差信息。
9.根據(jù)權利要求1所述的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置，其特征在于在所述的He-Ne激光器(5)后還接有濾光片(11)。
全文摘要
正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡內(nèi)自動校準裝置包括由He－Ne激光器、帶有小孔結構的腔內(nèi)折疊鏡、帶有小孔的刮刀鏡、凸鏡、探測激光器輸出光束質量的哈特曼波前傳感器、主控器和帶有步進電機致動器的凹鏡組成，本發(fā)明結構簡單、穩(wěn)定，加工工藝易實現(xiàn)，通過調節(jié)主控鏡凹鏡，能在激光器諧振腔內(nèi)部校正高能激光光束傾斜、抖動和離焦誤差，相對于現(xiàn)有的激光器腔內(nèi)自動準直技術，由于抓住了影響光束質量的主要因素，故能簡化控制系統(tǒng)的安裝和調節(jié)，控制算法易于實現(xiàn)。
文檔編號H01S3/08GK1744394SQ200510086538
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權日2005年9月29日
發(fā)明者楊偉, 張翔, 楊平, 許冰 申請人:中國科學院光電技術研究所