專利名稱：一種三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光光腔準(zhǔn)直技術(shù)領(lǐng)域和激光主動減振技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的激光動態(tài)準(zhǔn)直系統(tǒng)是采用四象限探測器(QPD)檢測光路的失調(diào)信息，并采用四組(或兩組)壓電陶瓷驅(qū)動光學(xué)調(diào)整鏡，從而達(dá)到對激光光束的準(zhǔn)直。以四組壓電陶瓷的動態(tài)準(zhǔn)直系統(tǒng)為例，即兩組調(diào)整水平方向的壓電陶瓷，兩組調(diào)整垂直方向的壓電陶瓷，其工作原理是，半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，激光經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束器后變成平行光，光束經(jīng)調(diào)整鏡后按原路返回，通過分束器使光束轉(zhuǎn)向后照射到四象限探測器(QPD)，QPD檢測光路的失調(diào)信息并傳入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用控制算法計算出驅(qū)動壓電陶瓷的電壓值，通過高精度納米微位移驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷，從而帶動調(diào)整鏡轉(zhuǎn)動，調(diào)整震動光路直到光束回到理想狀態(tài)，實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)調(diào)整。當(dāng)調(diào)整方向的壓電陶瓷為兩組時，即調(diào)整水平方向和調(diào)整垂直方向的壓電陶瓷各為一組，需要增加二維傾斜鉸鏈，使得調(diào)整時一端固定，一端驅(qū)動從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。
現(xiàn)有的激光動態(tài)準(zhǔn)直系統(tǒng)的缺點是采用四組壓電陶瓷驅(qū)動時，因?qū)λ慕M壓電陶瓷的對稱性要求高，且安裝困難；當(dāng)調(diào)整鏡任意角度放置時，很容易使其中的一組不受力(或處于懸空狀態(tài))，從而使壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)相互耦合，其動態(tài)特性很差；該系統(tǒng)的檢測范圍小，且檢測出的失調(diào)信號為非線性。采用兩組壓電陶瓷時，因需要二維傾斜鉸鏈，因此體積大，重量大，系統(tǒng)加工裝調(diào)困難；受鉸鏈(彈性機(jī)構(gòu))的影響，調(diào)節(jié)范圍和系統(tǒng)的響應(yīng)速度互相制約，系統(tǒng)的自由度少，調(diào)整與檢測范圍小，且檢測出的失調(diào)信號為非線性。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)線性度好的優(yōu)點。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下 一種三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，主要由激光器1、擴(kuò)束器2、偏振分束器(PolarizingBeam Splitter；PBS)3、反光鏡4、聚焦物鏡5、PSD與信號處理電路6、三維微驅(qū)動器7、三維微位移傳感器8、A/D采集電路9、計算機(jī)系統(tǒng)10、D/A轉(zhuǎn)換電路11和三路高壓驅(qū)動電路12組成，激光器1發(fā)射激光信號，激光信號經(jīng)過擴(kuò)束器2和偏振分束器3整形后入射到反光鏡4上，反光鏡4的反射光經(jīng)過聚焦物鏡5照射到位置敏感傳感器PSD的光敏面上，反射光經(jīng)過PSD與信號處理電路6處理后得到與激光光束在PSD上的相對位置相關(guān)的電信號，該電信號通過A/D采集電路9轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)10；反光鏡4上的三維微驅(qū)動器7的三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器8輸出三路與壓電陶瓷的形變成比例的電信號，該電信號通過A/D采集電路9轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)10；兩路電信號經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)10處理后輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路11，D/A轉(zhuǎn)換電路11將其轉(zhuǎn)換為模擬電信號，該模擬電信號經(jīng)過三路高壓驅(qū)動電路12的放大后，驅(qū)動三維微驅(qū)動器7的三組壓電陶瓷，從而調(diào)整反光鏡4的傾斜角。
本實用新型的有益效果是利用位置檢測元件PSD和三組壓電陶瓷微位移驅(qū)動裝置實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的閉環(huán)檢測控制和解耦控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、系統(tǒng)重量輕、調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)線性度好、精度高等優(yōu)點。

圖1是本實用新型的三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本實用新型的三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的原理圖。
圖3是本實用新型的三點式動態(tài)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實用新型的三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的驅(qū)動模型圖。
圖5是本實用新型的三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的解耦控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本實用新型的三路壓電陶瓷耦合仿真結(jié)果的曲線圖。
圖7是本實用新型的解耦后三路壓電陶瓷仿真結(jié)果的曲線圖。
圖8是本實用新型的反光鏡任意角度偏轉(zhuǎn)時光束軌跡的示意圖。
圖中1、激光器，2、擴(kuò)束器，3、PBS，4、反光鏡，5、聚焦物鏡，6、PSD與信號處理電路，7、三維微驅(qū)動器，8、三維微位移傳感器，9、A/D采集電路，10、計算機(jī)系統(tǒng)，11、D/A轉(zhuǎn)換電路，12、三路高壓驅(qū)動電路，13、準(zhǔn)直裝置，14、激光器，15、光學(xué)調(diào)整鏡，16、壓電陶瓷，17、分束器，18、擴(kuò)束器，19、位置敏感傳感器，20、聚焦透鏡，21、數(shù)字信號處理器，22、激光光束，23、光學(xué)調(diào)整鏡。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)地描述 三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)是一個高精度高速實時處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。當(dāng)激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束器2、偏振分束器3整形后入射到反光鏡4上，其反射光經(jīng)過聚焦物鏡5后照射到位置敏感傳感器(Position Sensitive Detector；PSD)的光敏面上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和信號處理電路6得到與激光光束在PSD上的相對位置相關(guān)的電信號，通過A/D采集電路9轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)10；同時，三維微驅(qū)動器7的三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器8輸出三路與壓電陶瓷的形變成比例的電信號，經(jīng)過A/D采集電路9轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)10。這些輸入信號經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)10處理后，根據(jù)控制算法得到輸出值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路11轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過三路高壓驅(qū)動電路12放大后驅(qū)動三維微驅(qū)動器7的三組壓電陶瓷，從而調(diào)整反光鏡4的傾斜角，實現(xiàn)光束準(zhǔn)直的目的。
三點式動態(tài)準(zhǔn)直裝置采用PSD檢測大范圍光路的失調(diào)信息，并采用三組壓電陶瓷驅(qū)動光學(xué)調(diào)整鏡從而達(dá)到對激光光束的準(zhǔn)直。為保證準(zhǔn)直裝置能實時準(zhǔn)確的反映激光器光束的失調(diào)信息，需要使準(zhǔn)直系統(tǒng)的檢測光束與激光器的工作光束共光路，這樣才能準(zhǔn)確補(bǔ)償由震動造成的光路偏差。
如圖2所示，其為三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的原理圖。準(zhǔn)直裝置13的內(nèi)部包含輔助半導(dǎo)體激光器和檢測控制裝置，光學(xué)調(diào)整鏡15由三個壓電陶瓷16固定。工作時，半導(dǎo)體激光器14發(fā)出準(zhǔn)直光，通過擴(kuò)束器18后變成平行光，光束經(jīng)調(diào)整鏡15后按原路返回，通過分束器17使光束轉(zhuǎn)向，經(jīng)聚焦透鏡20后照射到位置敏感傳感器(PSD)19，PSD檢測光路的失調(diào)信息并傳入數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor；DSP)21進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用控制算法計算出驅(qū)動壓電陶瓷的電壓值，通過高精度納米微位移驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷，從而帶動調(diào)整鏡15轉(zhuǎn)動，調(diào)整震動光路直到光束回到理想狀態(tài)，實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的閉環(huán)高速動態(tài)調(diào)整。
準(zhǔn)直系統(tǒng)的精度主要取決于光電檢測的精度，為此本系統(tǒng)選用高性能PSD作為光電轉(zhuǎn)換元件。PSD將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，控制壓電晶體的伸縮以達(dá)到閉環(huán)反饋控制。為了獲得高精度的激光檢測精度，該電路要求能夠直接檢測納米級微位移精度，因此，在電路設(shè)計上、電器元件的選用上以及具體制作上都應(yīng)充分滿足靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等要求；同時，要求該信號處理電路能夠快速實現(xiàn)閉環(huán)反饋。所以，電路的信號處理頻率響應(yīng)要寬、動態(tài)響應(yīng)要快。
PSD傳感器的輸出信號比較微弱，所以信號的檢測要經(jīng)過放大器，以增大信號幅值，適應(yīng)進(jìn)一步處理的要求。為了保證信號檢測的精度、響應(yīng)速度等要求，放大器應(yīng)具有高增益、高穩(wěn)定度、寬通帶、低零漂和低噪聲等性能。采用運算放大器可以直接將PSD接收的光電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，即將光點位移的變化轉(zhuǎn)換為差動電壓ΔVx，ΔVy輸出，再經(jīng)積分、放大處理直接輸入高穩(wěn)定性功率放大器，將輸出電壓放大到±150V范圍內(nèi)，可以直接驅(qū)動微位移器件的伸縮，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。
如圖3所示，其為三點式動態(tài)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)示意圖。在反光鏡的基座上選取對稱的三點A、B、C作為安裝壓電陶瓷及其微位移機(jī)構(gòu)的位置，壓電陶瓷的微位移機(jī)構(gòu)上已經(jīng)安裝相應(yīng)的應(yīng)變式位移傳感器用來返回壓電陶瓷的位置信息。三組壓電陶瓷獨立控制，構(gòu)成三個控制回路。由此可以看出，任何一個回路發(fā)生變化都會對另外兩個回路產(chǎn)生影響，因此三回路之間相互耦合。由于耦合的存在會明顯降低控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在耦合嚴(yán)重的情況下會使系統(tǒng)無法正常運行，同時，由于壓電陶瓷安裝的不對稱性、垂直放置時的受力不均勻性及周圍環(huán)境的改變會使其工作狀態(tài)發(fā)生改變，因此，本實用新型利用下面的控制算法實現(xiàn)三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的解耦控制。
為了保證準(zhǔn)直系統(tǒng)的穩(wěn)定和響應(yīng)速度，所采用的解耦控制算法需要動態(tài)逐場求出三組壓電陶瓷各控制回路的耦合關(guān)系，將壓電陶瓷位移信息納入耦合關(guān)系，獨立于坐標(biāo)系，解耦后，各控制回路能相互獨立，按各自獨立的控制算法驅(qū)動壓電陶瓷，以實現(xiàn)動態(tài)實時準(zhǔn)直。具體步驟如下 第一步建立解耦控制模型 根據(jù)三點式動態(tài)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)建立如圖4所示的準(zhǔn)直系統(tǒng)驅(qū)動模型，其中，A、B、C三點為三組對稱安裝的壓電陶瓷。為求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立如圖4所示的坐標(biāo)系，其相應(yīng)的坐標(biāo)為A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)。在平面鏡的X和Y方向的傾角φx、φy及中心的垂直高度h可表示為 式中，Zi為壓電陶瓷的位移平均值。
第二步耦合傳遞矩陣的動態(tài)求解 壓電陶瓷的動態(tài)調(diào)整是由驅(qū)動電壓控制，因此該解耦控制系統(tǒng)的操作變量為分別控制三個壓電陶瓷的電壓V1、V2、V3，而被控制變量則是反光鏡的調(diào)整角度φx、φy和h。由式(1)、(2)、(3)可得φx、φy和h與壓電陶瓷各點位移變化量之間的關(guān)系可描述為 由于三個壓電陶瓷之間的不對稱性及受力的不均勻性導(dǎo)致耦合傳遞關(guān)系是變化的，本實用新型用動態(tài)法求解該函數(shù)，實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的動態(tài)自動校準(zhǔn)。設(shè)壓電陶瓷的位移量與操作變量Vi有如下關(guān)系 相應(yīng)的增量矩陣形式為 分別給三個壓電陶瓷電壓增量，例如對壓電陶瓷A，給定增量為ΔV1，這時由位移傳感器返回的壓電陶瓷的位移變化量為ΔZ1，ΔZ2，ΔZ3。分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知 同樣，對壓電陶瓷B、C，可求出其矩陣系數(shù) 三個調(diào)節(jié)器各自的傳遞函數(shù)分別為P1(S)、P2(S)、P3(S)，則操作變量Vi與壓電陶瓷的位移變化量之間的關(guān)系矩陣F(S)為 結(jié)合式(4)，那么耦合傳遞矩陣，即操作變量Vi與被控制變量φx、φy和h之間的關(guān)系矩陣為 即 這樣，便可由式(5)、(6)、(7)及(11)動態(tài)求出耦合傳遞矩陣，以便實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)。
第三步解耦矩陣求解 本系統(tǒng)為三輸入三輸出系統(tǒng)，三個壓電陶瓷構(gòu)成三個控制回路，且三個回路之間相互耦合，通過解耦控制可以較好的實現(xiàn)控制量耦合的問題。
假如對象要求完全解耦，則解耦系統(tǒng)的目標(biāo)矩陣需要取一個對角陣，即令耦合支路的傳遞函數(shù)為零，并保留各個控制通道的傳遞函數(shù)，即將目標(biāo)矩陣取對角陣G∧(S)為
則解耦的網(wǎng)絡(luò)矩陣D(S)為 D(S)＝G(S)-1G∧(S)(14) 其中，G(S)-1為矩陣G(S)的逆矩陣。
解耦控制的結(jié)構(gòu)如圖5所示，解耦網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)到控制網(wǎng)絡(luò)與耦合對象之間，這里用復(fù)線箭頭表示多變量的輸入與輸出。其中，R(S)為操作變量，C(S)為被控制變量，P(S)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。該解耦網(wǎng)絡(luò)是放在控制系統(tǒng)的順向通道中間，所以，當(dāng)耦合影響還沒有反映出來時，就開始了解耦的校正作用，因此具有動態(tài)偏差小，響應(yīng)速度快，過渡時間短等優(yōu)點，解耦的實際效果好。
根據(jù)壓電元件的特性可以將調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)P(S)等效為一個典型的二階振蕩環(huán)節(jié) 其中，R為限流電阻加上壓電元件損耗電阻后總的電阻值；Cp為壓電元件的等效電容；Lp為壓電元件的等效電感，其值與元件的質(zhì)量、剛度和等效電容值都有關(guān)。
第四步驅(qū)動壓電陶瓷 當(dāng)測出光束失調(diào)信號后，根據(jù)以上公式，對系統(tǒng)的解耦，分別得到三組壓電陶瓷的控制電壓，并分別對其控制。圖6、圖7分別顯示出該系統(tǒng)解耦前后三回路每間隔1s的階躍響應(yīng)曲線，從圖中可以明顯看出解耦前三條回路之間相互影響嚴(yán)重，系統(tǒng)無法控制；解耦后每條回路具有獨立的階躍響應(yīng)，達(dá)到了理論上獨立控制的效果，實現(xiàn)了耦合系統(tǒng)的完全解耦。
本實用新型的三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)通過驅(qū)動三個壓電陶瓷實現(xiàn)光束動態(tài)準(zhǔn)直，具有六自由度，可實現(xiàn)光束任意角度的偏轉(zhuǎn)和掃描。采用該系統(tǒng)研制的氧碘化學(xué)激光器光腔自準(zhǔn)直系統(tǒng)的角度分辨力可優(yōu)于0.2μrad，重復(fù)精度可達(dá)1μrad，工作范圍可達(dá)10mrad。圖7為反光鏡任意角度快速偏轉(zhuǎn)的光束軌跡。實驗表明，該系統(tǒng)在準(zhǔn)直范圍可達(dá)4mrad，精度為5urad的條件下，響應(yīng)速度優(yōu)于20Hz。
權(quán)利要求1、一種三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，其特征在于，該準(zhǔn)直系統(tǒng)主要由激光器(1)、擴(kuò)束器(2)、偏振分束器(3)、反光鏡(4)、聚焦物鏡(5)、PSD與信號處理電路(6)、三維微驅(qū)動器(7)、三維微位移傳感器(8)、A/D采集電路(9)、計算機(jī)系統(tǒng)(10)、D/A轉(zhuǎn)換電路(11)和三路高壓驅(qū)動電路(12)組成，激光器(1)發(fā)射激光信號，激光信號經(jīng)過擴(kuò)束器(2)和偏振分束器(3)整形后入射到反光鏡(4)上，反光鏡(4)的反射光經(jīng)過聚焦物鏡(5)照射到位置敏感傳感器PSD的光敏面上，反射光經(jīng)過PSD與信號處理電路(6)處理后得到與激光光束在PSD上的相對位置相關(guān)的電信號，該電信號通過A/D采集電路(9)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)(10)；反光鏡(4)上的三維微驅(qū)動器(7)的三組壓電陶瓷上安裝的三維微位移傳感器(8)輸出三路與壓電陶瓷的形變成比例的電信號，該電信號通過A/D采集電路(9)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)(10)；兩路電信號經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)(10)處理后輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路(11)，D/A轉(zhuǎn)換電路(11)將其轉(zhuǎn)換為模擬電信號，該模擬電信號經(jīng)過三路高壓驅(qū)動電路(12)的放大后，驅(qū)動三維微驅(qū)動器(7)的三組壓電陶瓷，從而調(diào)整反光鏡(4)的傾斜角。
專利摘要本實用新型的一種三點式動態(tài)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)屬于激光光腔準(zhǔn)直技術(shù)領(lǐng)域以及激光主動減振技術(shù)領(lǐng)域，該激光準(zhǔn)直系統(tǒng)以三組對稱安裝的壓電陶瓷作為準(zhǔn)直系統(tǒng)的驅(qū)動元件，以光學(xué)調(diào)整鏡作為光路調(diào)整元件，通過實時檢測位置傳感器返回的光路信息，高速動態(tài)調(diào)整壓電陶瓷，利用光學(xué)調(diào)整鏡補(bǔ)償光路偏差，實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)整，從而使激光光束保持高速動態(tài)準(zhǔn)直，進(jìn)而提高光束質(zhì)量。本實用新型的有益效果是系統(tǒng)重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，調(diào)節(jié)范圍大，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)線性度好。
文檔編號G02B27/30GK201133970SQ20072001565
公開日2008年10月15日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者熊木地, 賈思楠, 何穎秋 申請人:大連海事大學(xué)