可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究.pdf
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1、文章编号2097-1842(2024)02-0342-12可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究徐新行1*,李高生1,2,谢兵3,韩旭东1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中航凯迈(上海)红外科技有限公司,上海201306;3.中国人民解放军 32031 部队,河南开封475000)摘要:为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正,设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先,根据系统的应用需求,提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后,在合束方案的基础上,建立了合束系统的光束控制模型,并通过数值仿真得到了合束系统光束控
2、制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测,并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算;进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后,采用两路不同波长的激光束,配合光束监测与调节装置,搭建了闭环合束模拟实验平台,对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明:在长时间的工作过程中,两路激光均实现了与基准光路的精密合束,合束指向精度优于7rad,位置精度优于0.84mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势,而且可实现激光束的周期性闭环校正,能够有效保证合束激光的长
3、期工作稳定性。关键词:激光合束;光束监测;光束控制;指向偏差;位置偏差中图分类号:TP394.1文献标志码:Adoi:10.37188/CO.2023-0077Multi-channellaserbeamcombiningandclosed-loopcorrectiontechnologyinvisiblelightbandXUXin-hang1*,LIGao-sheng1,2,XIEBing3,HANXu-dong1(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,C
4、hangchun 130033,China;2.AVIC CAMA(ShangHai)Infrared Technology Co.Ltd,Shanghai 201306,China;3.32031 Unit of PLA,Kaifeng 475000,China)*Corresponding author,E-mail:Abstract:Toachieveperiodicclosed-loopcorrectionofmultiplelaserswithdifferentwavelengthsinthevis-iblewavelengthband,alaserbeamcombiningsyst
5、emisdesigned.Thissysteminvolvesindependentmonit-oringandadjustingofbeampointingandpositiondeviation.First,accordingtotheapplicationrequirementsofthesystem,thedesignindexesofthebeamcombiningsystemandtheoverallbeamcombiningschemeare收稿日期:2023-05-04;修订日期:2023-06-08基金项目:吉林省科技发展计划资助项目(No.20180520185JH)Sup
6、ported by Science and Technology Development Plan Funded Projects of Jilin Province(No.20180520185JH)第17卷第2期中国光学(中英文)Vol.17No.22024 年 3 月ChineseOpticsMar.2024proposed.Then,basedontheoverallbeamcombiningscheme,weestablishthebeamcontrolmodelforthebeamcombiningsystem.Throughnumericalsimulationexperimen
7、ts,weobtainthesolutionmethodforbeamcontrolofthebeamcombiningsystem.Theclosed-loopbeamcombiningsystemrealizesindependentmonit-oringoftheunitbeamspointingandpositiondeviationthroughtherespectivebeampointingandpositionmonitoringdevice.Themonitoringresultsarethenusedtocalculatethecontrolquantityofthebea
8、madjust-ingdevice.Theindependentandefficientadjustmentofbeampointingandpositiondeviationisachievedus-ingatwo-dimensionalswingmirrorandaone-dimensionalplatform,respectively.Finally,aclosed-loopbeamcombiningsimulationexperimentalsystemwithbeammonitoringandadjustmentdeviceisbuiltusingtwolaserbeamsofdif
9、ferentwavelengths.Theperiodicclosed-loopbeamcombiningsystemisverifiedtohaveaneffectivebeamcombingeffect.Theexperimentalresultsdemonstratethatoveranextendedoperationalperiod,bothlasersachieveprecisebeamcombiningwiththereferenceopticalpath.Furthermore,thebeamcombiningpointingaccuracyisbetterthan7rad,a
10、ndthepositioningaccuracyisbetterthan0.84mm.Thelaserbeamcombiningsystemdevelopedinthisstudyboasthighbeamcombiningaccuracy,afastcorrec-tionspeed,andexcellentaugmentabilityformultiplelaserbeams.Besides,itcanaccomplishperiodicclosed-loopbeamcombiningoflaserbeams,ensuringlong-termworkingstabilityofthecom
11、binedlaser.Keywords:laserbeamcombining;beammonitoring;beamcontrol;beamdirectiondeviation;beamposition-aldeviation1引言随着光电侦察及光电制导技术应用波段的不断拓宽,对光电对抗系统的工作波段提出了新的要求。尽管近年来多波长一体化激光器技术取得了一定的突破,但功率水平尚难满足工程应用的需要。因此,采用多台激光器通过合束的办法,实现多波长、大功率激光的共轴输出,仍是光电对抗系统最常用的技术手段之一1。激光合束的方法主要可分为:相干合束和非相干合束2。相干合束能够获得较高的光束质量,但对参
12、与合束的单元光束的光谱、偏振及相位等特性要求严格,因此在材料加工、光电对抗等工程应用领域尚未得到广泛的应用。非相干合束又可以分为光谱合束、非相干偏振合束、波长合束和空间合束等3-5。根据合束系统的应用需求和工作特点,本研究采用波长合束对多路可见光波段激光进行精密合成。波长合束不仅能够实现不同波长激光的合束,并且具有很好的扩展性6。为了实现多路激光的精密合束,需要对参与合束的各单元光束进行准直控制,以实现其与合束基准的空间位置重合。最常见的激光准直控制是:采用手动调节光路中反射镜的方法来改变光束的指向。该方法简单易行,但调节精度及效率较低,无法满足现阶段大多数激光合束系统的应用需求。与之相对的,
13、采用光束准直控制系统对光束的指向和位置偏差进行校正,不仅能使光束控制精度大幅提高,而且显著提升了光束控制的效率和稳定性。哈尔滨工业大学提出了一种高精度激光准直系统。其通过控制光路中不同空间姿态反射镜的平动来实现光束指向和位置偏差的校正7,该系统能够实现 102微弧度数量级的光束控制精度,但光路布置较为复杂,大幅增加了光机装调的难度。大连理工大学提出了一种采用两台压电陶瓷驱动的两维角度调整架作为光束调整装置,对激光的指向和位置偏差进行补偿的光束准直系统8。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计了一种应用在 LPP-EUV 光源中的激光监测与控制系统。该系统应用两套两维摆镜对激光束的位置和指向
14、进行调节9。在上述系统中,由于光束位置偏差的调节占用大量摆镜的行程,因此光束角度的调节范围被大幅度压缩。本研究为了实现多路激光的精准合束,提出了一种激光指向与位置偏差独立监测、独立校正的周期性闭环控制系统,不仅提升了合束装置的校正范围,而且降低了控制系统的解耦负担。第2期徐新行,等:可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究3432设计要求与原理根据合束系统下游对合束激光的应用需求,确定了合束系统的设计指标,如表 1 所示。表1激光合束系统设计要求Tab.1Designrequirements for beam combining sys-temItemsRequirementWavelengt
15、h/nm400900Aperture/mm40Precisionofdirectio/rad20Precisionofpositional/mm1Directioncorrectionrange/radx600;y600Positionalcorrectionrange/mm7.5在合束激光的远距离传输过程中,各单元光束的位置偏差相对稳定,指向偏差则随着激光作用距离的增加而变大10。鉴于此,本研究将光路布局为:各激光器发射的激光依次经过高低位置调节装置、左右位置调节装置和两维摆镜装置校正后,通过合束镜完成其与基准光路的合成。如此布局有助于降低合束系统对位置偏差调节装置运行精度的要求。在合束激光
16、远距离应用时,光束指向是核心要素,而且对光束位置偏差进行准确监测的前提是光束为平行光或近似平行光。因此,确定合束系统调节光束偏差的合理次序为:首先进行光束指向偏差的初步调节,然后进行光束位置偏差的调节,最后再次进行光束指向偏差的调节。即首先由指向监测装置采集到光斑图像后反馈给计算机控制系统,进而计算出光束的角度偏差量,随后控制两维摆镜来对光束的指向偏差进行初步调节。当指向偏差调节完成后,计算机控制系统根据位置监测装置采集到的光斑图像计算出光束的位置偏差量,随后控制高低位置调节装置和左右位置调节装置对光束的高低、左右位置偏差进行调节。最后,再次由控制系统控制两维摆镜对由于高低、左右位置调节装置的
17、运行产生的光束指向偏差进行再次调节,最终完成光束指向偏差与位置偏差的精确校正。其中,光束监测装置向光束调节装置反馈监测数据,逐路组成控制闭环,进行实现合束激光的周期性闭环校正。在合束系统的光束监测方面,采用分光镜将光束分为高功率的输出光束和低功率监测光束,这对光电探测器起到保护作用的同时,避免了监测光路对输出主光路的干扰。由于多路合束激光采用同一套监测装置进行监测,因此,为了确保被监测光束不被其它光束干扰,在监测光路中配备了必要的波长选通装置。该装置的主要功能是:带动不同波长的滤光片在监测光路中依次切入或切出,以实现对某特定波长光束的选择通过(其它波长的光束全部被截止),最终在探测器上成像,完
18、成对该波长激光束的监测。激光合束系统布局如图 1 所示,其中 High-lowAD 表示高低位置调节装置,Left-rightAD 表示左右位置调节装置。Laser 1High-low ADLaser 2Laser 3High-low ADCombined laserHigh-low ADFeedbackClosed loopcontrolMirror 1Device ofselectinglaserMonitoring devicefor beam direction Monitoring devicefor beam positionFSMLeft-rightADLeft-rightADF
19、SMFSMLeft-rightADBeam-combinationmirror 图1激光合束及闭环校正系统整体布局Fig.1Overalllayoutoflaserbeamcombiningandclosed-loopcorrectionsystem344中国光学(中英文)第17卷3合束系统光束控制模型3.1光束指向调节模型的建立光束指向调节模型是本合束系统中光束指向控制的重点之一。根据合束系统光路的空间布局及光束的传播规律,建立光束指向调节模型是实现多路激光精密合束的基础。本研究采用两维摆镜对光束指向偏差进行调节,基于两维摆镜构建光束指向调节分析模型11-13。根据矢量形式的反射定律,在已知
20、平面镜法线单位矢量和入射光线矢量的条件下,可以方便地计算出反射光线矢量,公式如下:R=I2N(N)TR,(1)RRNI式中,为入射光线矢量,为反射光线矢量,为镜面法线的单位矢量,为三阶单位矩阵。由于摆镜镜面法线矢量将随摆镜的转动而发生位置改变,为了能够求解出任意角度下摆镜的反射光线矢量,需要建立镜面法线单位矢量绕轴转动的求解公式。根据文献 14-15 可知,单位矢量 A 绕单位轴 P 转动 角的求解公式为:AxAyAz=Z(P,)AxAyAz,(2)其中作用矩阵 Z 如式(3)所示。Z=cos+2Px2sin22Pzsin+2PxPysin22Pysin+2PxPzsin22Pzsin+2Px
21、Pysin22cos+2Py2sin22Pxsin+2PyPzsin22Pysin+2PxPzsin22Pxsin+2PyPzsin22cos+2Pz2sin22.(3)为了研究两维摆镜对光束指向的调节效果,如图 2 所示,建立空间直角坐标系 o-xyz,x 轴表示两维摆镜的方位轴,h 轴表示两维摆镜的俯仰轴,n 为镜面法线。两维摆镜在初始状态时俯仰轴h 与 y 轴正方向夹角为 45。yzxhho45yzxon图2两维摆镜光束指向调节示意图Fig.2Schematicdiagramofbeampointingadjustmentbytwo-dimensionaloscillatingmirro
22、rnh由图 2 中的位置关系可知:两维摆镜初始状态法线单位矢量 和俯仰轴单位矢量,分别如式(4)、式(5)所示。n=02222T,(4)h=02222T.(5)nh在进行光束指向偏差调节过程中,假设摆镜先绕 x 轴进行方位偏差的调节,转动角度为;随后绕俯仰轴 h进行俯仰偏差的调节,转动角度为。根据式(3)可得矢量绕方位轴 x 旋转 角的作用矩阵。进一步地,两维摆镜绕方位轴旋转 角后的单位法线矢量和俯仰轴矢量可分别通过式(6)、式(7)计算求得。n=022(cos+sin)22(cossin)T,(6)h=022(cossin)22(cos+sin)T.(7)hZ(h,)n(,)将式(7)按式(
23、3)作用矩阵变换可得两维摆镜的法线矢量绕俯仰轴旋转 时的作用矩阵。综上所述,两维摆镜的单位法线矢量经过方位与俯仰旋转后的矢量便可通过式(8)求解,n(,)=Z(h,)n.(8)n(,)再将代入式(1)即可得出两维摆镜的反射作用矩阵 M(,)为:第2期徐新行,等:可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究345M(,)=12sin22(cos+sin)cossin2(cossin)cossin2(cos+sin)cossin1(cos+sin)2cos2(cos+sin)(cossin)cos22(cossin)cossin(cos+sin)(cossin)cos21(cossin)2cos2.(
24、9)在本研究的合束系统中,以光束指向监测装置光学系统的光心为原点 o,光轴为 z 轴,光线传播方向为 z 轴正向,垂直于光学平台向上为 x 轴正向,建立右手直角坐标系 o-xyz,与之相对应的两维摆镜所在坐标系为 o-xyz,如图 3 所示。在坐标系 o-xyz中,摆镜的反射矩阵 M(,)可表示为式(9)。xhnyzzxooCCD454545CombinermirrorBeam splittermirrory图3光束指向调节示意图Fig.3SchematicdiagramofbeampointingadjustmentR0R1根据光束指向监测装置监测到的图像数据计算获得系统输出光束矢量的方向向
25、量,在坐标系 o-xyz中,根据初始两维摆镜反射矩阵M(0,0)可得摆镜的入射光束矢量:R1=M(0,0)R0.(10)R1R2R2(x2y2z2)T由于在本研究的合束系统中,先进行光束指向偏差的调节,后进行位置偏差的调节,所以在求解出的条件下,求当两维摆镜方位和俯仰偏转量,为何值时,系统输出光束方向向量的指向偏差最小,即准直于 xoy 平面的问题,将成为一个两维优化问题。设为,则优化目标函数为:Min(x2z2)2+(y2z2)2,(z2 0),(11)s.t.R2=M(,)M(0,0)R0(a ,b)其中 a 和 b 为摆镜偏转范围的边界值。对于该优化问题,在 Matlab 中使用非线性规
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