CN1534329A

CN1534329A - 光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法及装置

Info

Publication number: CN1534329A
Application number: CNA2004100336108A
Authority: CN
Inventors: 赵维谦; 谭久彬
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2024-04-12
Also published as: CN1219231C

Abstract

本发明涉及一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法及装置，用于精密或超精密加工设备和测量中。本发明融合光束光强调制技术、光纤准直技术和光束漂移量高速反馈控制技术于一体，提供一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法与装置，其将激光光束调制为工频频率50Hz的非整数倍的特定频率的交变光束，利用单模光纤进行初级准直，再将单模光纤初级准直后光束的漂移量分解为平漂量和角漂量，分别对其进行高精度锁相放大检测，并用相应的光束平漂量和角漂量反馈控制机构使光束平漂量和角漂量向减小的方向进行高速反馈交替调整，进而达到出射光束的高精度准直目的。

Description

光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法及装置，用于精密或超精密加工设备和测量中。

背景技术：

激光光束由于其良好的单一方向性、高亮度及高稳定性等优点，常被作为测量基准广泛应用于超精密加工设备及测量设备中。但激光器出射的激光束在传播过程中常会产生漂移，主要表现为激光束的平漂移、角漂移及随机漂移，其量级一般在10^-4～10^-6rad，这一弱点限制了激光光束准直精度的进一步提高，影响了其在实际中的运用。造成激光光束漂移的主要原因有：1)激光器谐振腔的温度变形；2)光束传播途径的空气折射率不均匀及其随机变化(大气湍流等造成)等。为了提高激光光束的方向稳定性，国、内外学者针对不同的使用情况，提出了诸多光束准直方法，一类是在长距离激光准直***中，采用波带片、位相板、二元光学器件、双缝等产生的干涉和衍射条纹的空间连线作为基准线，利用它们对漂移量不敏感这一特点，来达到准直的目的，典型的方法有位相板衍射准直法、二元光学准直法、双光束补偿准直法等，此类方法准直精度一般在10^-6rad量级左右。另一类是在超精密加工设备及测量设备中常用的激光准直技术，此类方法尽管准直距离短，所处的准直环境亦好，但其准直精度要求高达10^-8rad量级左右，因而技术难度很大。在此类应用场合中，目前所采用的激光准直方法，如激光方向稳定法和单模光纤准直法等，远未达到超精密加工设备及测量设备中的精度要求。

发明内容：

为克服已有准直技术准直精度低的不足，本发明融合光束光强调制技术、光纤准直技术和光束漂移量高速反馈控制技术于一体，提供一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法与装置，其将激光光束调制为工频频率50Hz的非整数倍的特定频率的交变光束(如465Hz)，利用单模光纤进行初级准直，再将单模光纤初级准直后光束的漂移量分解为平漂量和角漂量，分别对其进行高精度锁相放大检测，并用相应的光束平漂量和角漂量反馈控制机构使光束平漂量和角漂量向减小的方向进行高速反馈交替调整，进而达到出射光束的高精度准直目的。

本发明的技术解决方案是：

一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，该方法包括下列步骤：

①将激光器发出的激光束调制为强度交变的激光光束；

②将交变激光光束通过单模光纤进行初级准直；

③将初级准直后激光光束的漂移量分解为平漂量和角漂量；

④对光束平漂量和角漂量分别进行高精度锁相放大检测；

⑤对光束平漂量和角漂量进行归一化处理；

⑥依据检测的平漂量大小，使激光光束向平漂量减小的方向进行光束空间平动调整；

⑦依据检测的角漂量大小，使激光光束向角漂量减小的方向进行光束空间转角调整；

⑧交替上述⑥和⑦两调整步骤，对平漂量和角漂量进行高速反馈控制，将其抑制在要求的阈值10^-8rad范围内。

本发明还提供了一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直装置，包括激光器1，单模光纤耦合器3、单模光纤4、准直镜头5构成的初级激光准直***，光束强度调制器2、调制波发生器18、光强调制器驱动电源19构成的光束强度调制***，平漂量锁相放大处理***15和角漂量锁相放大处理***16构成的光束漂移量高精度锁相放大处理电路，其特征在于该装置还包括互相垂直放置的x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7，进行光束的空间平动调整；互相垂直放置的x向光束偏转器8和y向光束偏转器9，进行光束的空间角度调整；反射平漂量光束的分光镜(10)，反射角漂量光束的分光镜11；聚焦物镜12，检测平漂量的四像限光电探测器13和检测角漂量的四像限光电探测器14，进行光束平漂量和角漂量的分离和检测，四像限光电限探测器14位于聚焦物镜12的焦平面上；高速测量控制***17，用于光束漂移量分离检测的控制。

本发明中，激光器1发出的光束进入单模光纤耦合器3经单模光纤出射后，光纤出射端相当于二次光源。激光器1出射光束的漂移量主要影响单模光纤的耦合效率，出射光束的方向稳定性则主要取决于光纤出射端在空间的稳定性，保证光纤出射端的稳定性则可提高出射光束的方向稳定性，即实现了激光束单模光纤初级准直。漂移量反馈控制激光光纤准直法则是在单模光纤进行初级准直的基础上，进一步采用光束漂移量反馈控制准直法以提高其出射光束方向的高稳定性。漂移量反馈准直过程中，它将光束漂移量中的平漂量和角漂量进行分离锁相检测，并用相应的快速反馈控制机构进行快速反馈调整，来抑制光束的漂移量，继而达到出射光束准直的目的。

本发明具有以下特点及良好效果：

本发明融合光纤准直及光束漂移量反馈控制技术于一体，通过激光强度调制技术将光束调制为特定频率的交变光束，利用单模光纤进行初级准直，再利用漂移量反馈准直技术对光束的平漂量、角漂量进一步进行分离锁相检测和高速反馈控制，进而最终达到出射光束的高精度准直目的。集光纤准直技术及光束漂移量高速、高精度反馈控制准直技术于一体的高精度激光准直***是本发明区别于现有技术的创新点之一。

本发明准直装置首先应用光纤准直，将漂移量较大的激光束准直到光束偏转器偏转角可调整的10^-6rad量级的角度范围，然后再利用无机械传动机构的高精度压电陶瓷平移式光束平移镜组和高精度小角度调整范围的光束偏转器，以实现对激光光束漂移量大范围高精度的快速调控，充分利用了光束偏转器偏转精度高、动态调整特性好，同时又避免了光束偏转器偏转角小的不足，可显著提高***的动态调整特性和调整精度，这是本发明区别于现有技术的创新点之二。

发明准直装置应用激光强度调制技术将光束调制为特定频率的交变光束，结合漂移量分离光路和检测电路进行锁相放大，可显著提高漂移量的检测精度，同时使最终出射的光束调制为交变光束，更利于准直光束在实际中的应用，这是本发明区别于现有技术的创新点之二。

由于上述相关技术的采用，使该装置具有如下特点：

1)光纤的引入使激光器与准直***相隔离，减小了激光管热源温度变化等因素的影响，便于准直***使用中的安装布置，使准直装置的安装比较灵活；

2)光束经单模光纤准直，其出射光束不受输入光束模式或位置的影响，初步抑制了激光器引起的光束角漂移和平漂移的影响，降低了对激光器质量本身的严格要求；

3)对光束平漂量和角漂量进行了分离检测并各自进行实时分离反馈控制，减小了平漂量和角漂量补偿调整中的相互耦合；

4)激光光束强度调制技术不仅提高了光束平漂量检测***和角漂量检测***的检测精度，而且使准直后的光束变为特定频率的交变光束，以利于后序测量及加工设备中的应用；

5)采用无机械传动机构的压电陶瓷平移器和光束偏转器，可实现对光束漂移量的高速反馈抑制，大幅减小了准直***的开机预热时间及环境适应能力等；

6)准直精度可达到10^-8rad量级以上的超高准直精度。

附图说明：

图1为本发明装置结构原理图

图2为激光光束漂移量分离检测原理图

图3为光束平漂量分离检测原理图

图4为光束平移镜组结构示意图

图5为光束平动示意图

图6为电光偏转器对光束角漂移进行偏转控制示意图

图中，1.激光器、2.光束强度调制器、3.单模光纤耦合器、4.单模光纤、.准直镜头、6.x向光束平移镜组、7.y向光束平移镜组、8.x向光束偏转器、9.y向光束偏转器、10.反射平漂量光束的分光镜、11.反射角漂量光束的分光镜、12.聚焦物镜、13.检测平漂量的四像限探测器、14.检测角漂量的四像限探测器、15.平漂量锁相放大处理***、16.角漂量锁相放大处理***、17.高速测量控制***、18.调制波发生器、19.光强调制器驱动电源、20.平面镜A、21.平面镜B、22.压电陶瓷平移器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的装置和方法进行详细说明：

本发明装置的结构如图1所示，包括激光器1、以及依次放置在激光器发射端轴线上的光束强度调制器2、单模光纤耦合器3、单模光纤4、准直镜头5、x向光束平移镜组6、y向光束平移镜组7、x向光束偏转器8、y向光束偏转器9、反射平漂量光束的分光镜(BS1)10和反射角漂量光束的分光镜(BS2)11，用于光束光纤初基准直和光束空间运动执行功能；包括聚焦物镜12、四像限光电探测器13、四像限光电探测器14、平漂量锁相放大处理***15、角漂量锁相放大处理***16和基于DSP的高速测量控制***17，控制平漂量分离检测***和角漂量分离检测***交替协调工作；还包括调制波发生器18、光强调制器驱动电源19和光束强度调制器2，用于产生交变光束。

本发明装置的具体工作过程如下：

如图1所示，激光器1出射的光束经光束强度调制器2调制为交变的激光光束，该光束经单模光纤耦合器3进入单模光纤4、准直镜头5进行初级准直，准直精度达10^-6rad量级。初级准直后激光光束变为平行光射向两相互垂直的x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7，进行光束的空间平动调整，y向光束平移镜组7出射的光再经两相互垂直放置的x向光束偏转器8和y向光束偏转器9来进行光束的空间角度调整，该光束经分光镜(BS1)10和分光镜(BS2)11，分光镜(BS1)10反射的光照射在四像限探测器13中心上用于探测光束的平漂量，分光镜(BS1)11反射的光经聚焦物镜12聚焦在四像限探测器14中心，四像限探测器14位于聚焦物镜12的焦平面上，用于探测光束的角漂量。准直过程中，DSP高速测量控制***17首先依据四像限探测器14检测出的对应激光束空间二维角漂量的大小，来控制两相互垂直放置的x向光束偏转器8和y向光束偏转器9来进行光束的空间角度调整，继而达到减小激光束的角漂移。四像限探测器13探测的值主要体现为激光光束的平漂，其大小可以通过控制两相互垂直的x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7来反馈调整光束的空间平漂量进行抑制。光束漂移量反馈控制准直***中，四像限探测器13、x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7构成光束空间平漂量反馈控制***，实时控制光束的空间平漂量。四像限探测器14、x向光束偏转器8和y向光束偏转器9构成光束空间角漂量反馈控制***，实时控制光束的空间角漂量。

在光束实时反馈控制准直过程中，光束空间平漂量反馈控制***依据检测的平漂量大小，使激光光束向平漂量减小的方向进行光束空间平动调整，平动分辨力优于3nm，平动范围大于2μm；光束空间角漂量反馈控制***依据检测的角漂量大小，使激光光束向角漂量减小的方向进行光束空间转角调整，转角分辨力优于10^-9rad，转角范围大于10^-6rad量级；交替上述两调整步骤，对平漂量和角漂移量进行高速反馈控制，实现了激光束空间平漂量及角漂量的分离检测和各自实时反馈控制，减小了激光束控制过程中平漂量和角漂量间的相互耦合，提高了光束空间漂移量控制精度，使激光光束漂移量抑制在要求的阈值10^-8rad范围内，并提高了准直效率。

激光准直检测控制***中，压电陶瓷驱动机构、电光偏转器、声光偏转器和相应控制方法的采用，可使漂移量反馈控制***达到很高的驱动分辨能力和驱动精度，制约控制***控制精度提高的技术瓶颈是平漂量和角漂量的检测精度。

为增加漂移量检测电路的灵敏度，平漂量和角漂量检测电路采用四象限对角线求解法，同时为抑制光功率波动和衰减对漂移量检测精度造成的影响，准直***中对检测电路进行了归一化处理，即用PSD四个象限的相加信号分别除于检测到的x向漂移量和y向的漂移量，从而有效的抑制激光功率衰减和波动，漂移量归一化计算公式如下：

E_{x} = \frac{(I_{A} - I_{C})}{(I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}

E_{y} = \frac{(I_{B} - I_{D})}{(I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}

式中，I_A、I_B、I_C、I_D为光束在PSD四个象限输出的电流，E_X、E_Y分别代表x向的漂移量和y向的漂移量。

准直***中，为进一步提高漂移量检测精度利用光强调制器将光束调制为交变的光强信号。

激光光束漂移中，光束角漂量与准直距离有关，光束平漂量与准直距离无关，运用漂移量反馈控制准直时，如何将平漂量和角漂量进行分离检测，并进行相应的漂移量反馈控制是提高准直精度和效率的关键所在。

激光光束漂移量分离检测原理如图2a所示，将检测角漂量的四像限探测器14的光敏面中心位于聚焦物镜12的焦点处。如图2a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，检测角漂量的四像限探测器14对光束的平漂量不敏感。如图2b所示，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12的焦平面上并发生偏移，偏移四像限探测器14的中心位置量为：Δy＝θ×f。其中，θ为光束角漂量，Δy为光束焦点偏移四像限探测器14中心位置，f为聚焦物镜焦距。

显然，选取较大的焦距f，可增加四像限探测器14对角漂量的探测能力。实际中光束角漂量是一个空间量，可分解为相互垂直的x向角漂θ_x和y向角漂θ_y。

光束平漂量分离检测原理见图3，在动态调整开始时，转角反射镜首先依据检测角漂量的四像限探测器14检测的光束角漂量，进行反馈调整，来抑制光束的角漂。分光镜10位于转角反射镜之后，其反射到四像限探测器13上的光束角漂量也同样得到抑制，光束角漂被抑制的越小，四像限探测器13接受的信号中所含角度漂移量的成分就越小，此时四像限探测器13检测到的值主要为激光束的平漂量，这样就基本上实现了激光束平漂量的分离检测。

光束漂移量反馈控制准直***中，光束平漂量和角漂量检测***的检测精度，直接影响漂移量控制准直***的准直精度，并成为整个***中最大的误差源。为提高其检测精度，对激光束进行光强调制，将其调制为交变的光强信号，以利于角漂信号和平漂信号的高精度锁相放大处理。

光束平移镜组6和光束平移镜组7结构见图4a，平面镜A20和平面镜B21构成一组平行平面镜，其中之一与压电陶瓷平移器22相联，平行移动，另一个固定。如21平行移动，20固定不动，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4所示。

如图5所示，当平面镜21由位置d移动到位置e时，出射光束由位置c平行移动到位置b，可完成光束的平动。平面反射镜B21的平移由压电陶瓷平移器22直接驱动，可达到纳米级的驱动。

如图1所示，x向光束平移镜组6与y向光束平移镜组7结构及功能完全相同，放置x向光束平移镜组6使其与y向光束平移镜组7位置相互垂直，使经x向光束平移镜组6出射的光束再次进入y向光束平移镜组7，x向光束平移镜组6用于调整光束在x方向的平漂量，y向光束平移镜组7用于调整光束在y方向的平漂量。高速测量控制***17实时控制x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7，即可完成光束在x、y方向的高速平移，通过x、y方向的高速合成运动即可实现光束在空间任意位置的平动，其动态频响达到kHz量级。

由于光束经过光纤进行初级准直后，其出射光束的角漂量达到10^-6rad量级，对其偏转角进行抑制，“残余”的角漂量变化范围小，对其进一步抑制，可采用光束偏转器。光束偏转器可以为声光偏转器或电光偏转器。

控制精度高时，可采用偏转角精度很高的四级串联电光晶体，其偏转角范围可达到分级。如图6所示，光束偏转采用高速电光偏转器件对其出射光束角进行高精度偏转控制。

如图1所示，x向光束偏转器8与y向光束偏转器9结构及功能完全相同，放置x向光束偏转器8使其与y向光束偏转器9位置相互垂直，使经x向光束偏转器8出射的光束再次进入y向光束偏转器9，x向光束偏转器8可用于调整光束在x方向的角移量，y向光束偏转器9可用于调整光束在y方向的角移量。光束在空间上的角漂量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，这样通过高速测量控制***17实时控制两相互垂直放置的x向光束偏转器8和y向光束偏转器9，即可完成光束在x、y方向的高速偏转控制，通过x、y方向的高速偏转角合成运动即可实现光束在空间任意位置的偏转，其动态频响达到kHz量级。

光束强度调制可以为声光调制器或电光调制器，光束偏转器可以为声光偏转器或电光偏转器。当准直精度要求极高时，光束偏转器采用电光调制器。

Claims

1.一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将激光器发出的激光束调制为强度交变的激光光束；

②将交变激光光束通过单模光纤进行初级准直；

③将初级准直后激光光束的漂移量分解为平漂量和角漂量；

④对光束平漂量和角漂量分别进行高精度锁相放大检测；

⑤对光束平漂量和角漂量进行归一化处理；

2.根据权利1所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于强度交变的激光光束的工频频率为50Hz的非整数倍。

3.根据权利1所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于对光束平漂量和角漂量进行高精度锁相放大检测时光束在探测器上的平移检测分辨力优于3nm。

4.根据权利1所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于光束空间平动调整的平动分辨力优于3nm，平动范围大于2μm。

5.根据权利1所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于光束空间转角调整的转角分辨力优于10^-9rad，转角范围大于10^-6rad量级。

6.根据权利1所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法，其特征在于对光束平漂量和角漂量进行归一化处理的计算公式如下：

E_{x} = \frac{(I_{A} - I_{C})}{(I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}

E_{y} = \frac{(I_{B} - I_{D})}{(I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}

7.一种光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直装置，包括激光器1，单模光纤耦合器3、单模光纤4、准直镜头5构成的初级激光准直***，光束强度调制器2、调制波发生器18、光强调制器驱动电源19构成的光束强度调制***，平漂量锁相放大处理***15和角漂量锁相放大处理***16构成的光束漂移量高精度锁相放大处理电路，其特征在于该装置还包括互相垂直放置的x向光束平移镜组6和y向光束平移镜组7，进行光束的空间平动调整；互相垂直放置的x向光束偏转器8和y向光束偏转器9，进行光束的空间角度调整；反射平漂量光束的分光镜(10)，反射角漂量光束的分光镜11；聚焦物镜12，检测平漂量的四像限光电探测器13和检测角漂量的四像限光电探测器14，进行光束平漂量和角漂量的分离和检测，四像限光电限探测器14位于聚焦物镜12的焦平面上；高速测量控制***17，用于光束漂移量分离检测的控制。

8.根据权利要求7所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直装置，其特征在于光束强度调制器为声光调制器或电光调制器。

9.根据权利要求7所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直装置，其特征在于x向光束偏转器(8)和y向光束偏转器(9)为电光偏转器或声光偏转器。

10.根据权利要求7所述的光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直装置，其特征在于平移镜组(6)和(7)均由两相互平行的平面镜A(20)和平面镜B(21)构成，平面镜A(20)和平面镜B(21)其中之一与压电陶瓷平移器(22)相联，另一个固定。