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用于激光穩(wěn)定的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

更新時(shí)間: 2020-12-28

在成像、光通信等激光的應(yīng)用中,激光光路的穩(wěn)定都是至關(guān)重要的。

為使得激光在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定,芯明天利用壓電偏轉(zhuǎn)鏡搭建了一階與二階的激光穩(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)光源的不同而選擇,例如平行光,采用一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)即可;而點(diǎn)光源,因其光斑的位置會(huì)有偏移,需要額外的位置校正,則需要二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)。

 

一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)

一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)的搭建結(jié)構(gòu)如下。

 

系統(tǒng)中部件分別為:

 E70.D3S壓電控制器,用于控制干擾用壓電偏轉(zhuǎn)鏡;

 E70.D3S壓電控制器,用于控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡;

 P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡,產(chǎn)生干擾信號(hào),使激光產(chǎn)生抖動(dòng);

P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡,產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào),使激光穩(wěn)定;

 激光器,光源;

激光位置探測(cè)器,實(shí)時(shí)探測(cè)激光的位置

電腦,閉環(huán)補(bǔ)償控制與補(bǔ)償效果顯示。

 

一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

該系統(tǒng)是采用外部位置探測(cè)器進(jìn)行閉環(huán)的壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),預(yù)先設(shè)定了光束接收的目標(biāo)位置坐標(biāo),光源通過(guò)干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡的反射后,到達(dá)PSD位置探測(cè)器。原理圖如下所示。

采用外部PSD位置探測(cè)器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

 

PSD位置探測(cè)器可對(duì)光束的光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè),并反饋給補(bǔ)償壓電控制器,補(bǔ)償壓電控制器對(duì)PSD位置探測(cè)器反饋的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、放大,同時(shí)向補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補(bǔ)償控制電壓信號(hào),補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補(bǔ)償控制電壓信號(hào)進(jìn)行快速角度調(diào)整,使得光信號(hào)準(zhǔn)確、完整的接收,從而達(dá)到成像或光通信等目的。

與采用內(nèi)置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉(zhuǎn)鏡相比,開(kāi)環(huán)壓電偏轉(zhuǎn)鏡具有更快的響應(yīng)速度及更高的分辨率,因此采用外部PSD位置探測(cè)器檢測(cè),可提高光束的調(diào)整速度。另外,PSD可直接對(duì)光斑位置進(jìn)行測(cè)量,是光束偏轉(zhuǎn)方向的直接反應(yīng)。而內(nèi)置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉(zhuǎn)鏡的特點(diǎn)是使得控制電壓與偏轉(zhuǎn)角度間成線性關(guān)系,可保證壓電偏轉(zhuǎn)鏡的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度與預(yù)期控制調(diào)整的偏轉(zhuǎn)角度相一致。

通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示可觀看光束跟蹤及穩(wěn)定情況。

 

二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)

二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)的搭建結(jié)構(gòu)如下。

系統(tǒng)中部件分別為:

① 激光器,光源;

② E70.D3S壓電控制器,控制干擾用壓電偏轉(zhuǎn)鏡;

③ E70.D3S壓電控制器,控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡1;

④ E70.D3S壓電控制器,控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡2;

⑤ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡,產(chǎn)生干擾信號(hào),使激光傳輸不穩(wěn);

⑥ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡,產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)1,使激光傳輸保持穩(wěn)定;

⑦ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡,產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)2,使激光傳輸保持穩(wěn)定;

⑧ 45°分光鏡;

⑨ PSD激光位置探測(cè)器1,實(shí)時(shí)探測(cè)并反饋激光的位置;

⑩ PSD激光位置探測(cè)器2,實(shí)時(shí)探測(cè)并反饋激光的位置;

? 電腦,閉環(huán)補(bǔ)償控制與補(bǔ)償效果顯示。

 

二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

二階激光穩(wěn)定系統(tǒng),仍是采用外部位置探測(cè)器進(jìn)行閉環(huán)的壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),同樣,預(yù)先設(shè)定了光束接收的目標(biāo)位置坐標(biāo),光源通過(guò)干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡1、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡2 的反射后,再經(jīng)過(guò)45°分光鏡的分光,分別到達(dá)各自的PSD位置探測(cè)器。

采用外部PSD位置探測(cè)器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

 

原理與一階的類似,兩個(gè)PSD位置探測(cè)器分別對(duì)接收到的光束光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè),并反饋給各自控制的補(bǔ)償壓電控制器。補(bǔ)償壓電控制器對(duì)PSD位置探測(cè)器反饋的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、放大,同時(shí)向其控制的補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補(bǔ)償控制電壓信號(hào),補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補(bǔ)償控制電壓信號(hào)進(jìn)行快速角度調(diào)整,使得光信號(hào)準(zhǔn)確、完整的穩(wěn)定接收, 從而達(dá)到成像或光通信等目的。

二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)與一階一樣,采用的是開(kāi)環(huán)壓電偏轉(zhuǎn)鏡,具有更快的響應(yīng)速度及更高的分辨率。PSD位置探測(cè)器對(duì)光束的直接反應(yīng)信號(hào)反饋到壓電控制器,壓電控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取并對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),從而壓電偏轉(zhuǎn)鏡做出快速偏轉(zhuǎn)。

通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示可觀看光束跟蹤及穩(wěn)定情況。

激光穩(wěn)定系統(tǒng)軟件控制界面

 

在該系統(tǒng)中,當(dāng)開(kāi)啟補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡之前,位置探測(cè)器顯示的效果如下左圖中所示,光斑與目標(biāo)位置間有偏移;而在開(kāi)啟補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡后,可從軟件中直觀的看到,光斑穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)位置,如下右圖所示。

經(jīng)過(guò)壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的補(bǔ)償控制,使得光的傳輸更加精確穩(wěn)定。其中重要的因素就是壓電偏轉(zhuǎn)鏡有超高的的偏轉(zhuǎn)精度和超快的偏轉(zhuǎn)速度。芯明天P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡與E70.D3S壓電控制器為整個(gè)激光穩(wěn)定過(guò)程提供了納弧度級(jí)的偏轉(zhuǎn)精度及毫秒甚至亞毫秒的偏轉(zhuǎn)響應(yīng)速度,這在該系統(tǒng)中起著決定性的作用。

系統(tǒng)部件介紹

1,壓電偏轉(zhuǎn)鏡與壓電控制器

該一階、二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)中,采用的壓電偏轉(zhuǎn)鏡與壓電控制器分別為芯明天P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡與E70.D3S壓電控制器。

通常情況下,E70.D3S壓電伺服控制器與壓電偏轉(zhuǎn)鏡內(nèi)置的應(yīng)變傳感器反饋的信號(hào)形成閉環(huán)控制。而在該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中,采用的是PSD位置探測(cè)器反饋的控制信號(hào),與E70.D3S形成閉環(huán)伺服控制。

P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡參數(shù)如下。

型號(hào)

P33.T2K

P33.T2S

單位

運(yùn)動(dòng)自由度

θx、θy

θx、θy

 

標(biāo)稱行程范圍(0~120V)

±1.25 (≈±260秒)

±1.25 (≈±260秒)

mrad

行程范圍(0~150V)

±1.5 (≈±300秒)

±1.5 (≈±300秒)

mrad

傳感器類型

-

SGS

-

閉/開(kāi)環(huán)分辨率

0.02(<0.01秒)

0.05(≈0.01秒)

μrad

閉環(huán)線性度

-

0.1

%F.S.

閉環(huán)重復(fù)定位精度

-

0.02

%F.S.

空載諧振頻率

3.7

3.7

kHz

閉/開(kāi)環(huán)空載階躍時(shí)間

1

1.5

ms

閉環(huán)空載

工作頻率

10%行程

1000

1000

Hz

100%行程

80

80

 

E70.D3S壓電控制器技術(shù)參數(shù)如下。

型號(hào)

E70.D3S

功能

數(shù)字與模擬集成式控制器

通道數(shù)

3

標(biāo)稱模擬輸入范圍(V)

0~10

峰值電流(A)

1.1/通道

平均電流(mA)

70/通道

放大器帶寬(Hz)

10k/通道

伺服特性

P.I+低通+陷波

通信接口

RS-232/422、USB

過(guò)流保護(hù)

供電電壓

24V DC1.5A(36W)

 

2,PSD位置探測(cè)器

該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中采用的PSD位置探測(cè)器的傳感尺寸為φ7.8mm,可根據(jù)要求任意更換。

技術(shù)參數(shù)

傳感尺寸

φ7.8mm

波長(zhǎng)范圍

400~1050nm

峰值響應(yīng)度

0.4 A/W(633nm)、0.64A/W(900nm)

跨阻增益

10kV/A

大光電流

200μA

輸出電壓范圍

±2Vmin

信號(hào)輸出偏置

100 mV,max

帶寬

150 kHz

推薦光點(diǎn)尺寸

φ1~3.9mm

供電電壓

±5VDC±5%,35 mA

 

3,激光光源

為了光在傳輸過(guò)程中的衰減不會(huì)影響光的正常傳輸與接收,該系統(tǒng)中采用的是635nm、4mW的激光器。

 

技術(shù)參數(shù)

激光安全等級(jí)

3R

工作電壓

4.9 V至5.2 V

波長(zhǎng)

635nm, max 640 nm

橢圓光束尺寸

4.5mmx1mm

工作電流

Typ 48mA, max 70 mA

軸偏差

5 mrad

光束發(fā)散

1.5 mrad

光輸出功率(CW)

4~5.0 mW

 

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