用于激光合束系统的光束位置监测装置设计

陈昌博,韩旭东,徐新行

(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.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

自1960年梅曼造出了世界上第一台红宝石激光器后,各种各样的激光器相继问世,如半导体激光器自20世纪60年代诞生以来,经历了飞速的发展[1]。激光技术也随之发展,激光在军事、医疗、通信等领域的应用也越来越多。近年来,各领域如材料加工、激光熔覆[2-3]等对高功率、多波段激光的应用需求越来越旺盛。但是,单台激光器受热损伤、非线性效应、热透镜效应[4]、元件结构、散热条件等因素的影响,输出激光的波长和功率有限[5]。如何获得具有高功率、宽波长、高光束质量的激光输出已成为国际上的重大瓶颈问题,激光合束技术被证明是解决该难题的有效手段之一[6]。

激光合束技术种类较多,主要分为相干合束和非相干合束。相干合束是通过控制各个光束的频率、振幅、相位差等参数,使各光束通过干涉合成一束[7]。这种合束方法虽然得到的光束性能比较好,但是,对合束激光单元的光谱、偏振及相位等特性均有严格要求,并且随着合束激光单元数量的增加,系统复杂程度急剧上升[8],因此尚未得到较为广泛的应用。非相干合束又可以分为光谱合束、偏振合束、波长合束和空间合束。四种合束方式各有优缺点:光谱合束可用于合束的单元器件数量多,合束功率明显提高,但是输出光束质量不佳；偏振合束的效率高,主要用于单一波长工作,而且成本较高；波长合束可以对较宽波段范围内的多路激光进行合束,但是对合束镜的要求较高；空间合束的效率高,但是光束质量较差。针对不同的目的和环境要求,可以选择不同的合束方式进行激光合束。

在激光合束中,影响合束质量的因素较多,如远场中气体热效应[9]、合束镜膜的透过率、导光镜组件的稳定性、自动校正机构的精度和分辨率等。为了提高合束质量与合束效率需要相应的监测装置来对子光束进行实时监测,并为误差修正提供依据[10],这对激光合束效果的提升有非常重要的意义。

目前,常用的监测内容包括激光指向监测与位置监测。远场工作的合束,受激光平行性影响较大,而对激光位置偏差要求不高,因此现阶段的监测装置多用来监测激光方向,尤其是在远场中,激光发射系统指向监测系统往往决定了整个外场试验效果的优劣[11]。而忽视光束位置偏差的监测与校正,这在一些对合束精度要求极高的场合是不能接受的,尤其是兼顾近场工作的合束激光,位置监测是必要的。所谓位置监测就是对光束或光束中心位置的监测,在完成各光束平行性校正后,各个光束中心位置偏差越小,重合面积越大,则激光合束的精度就越高。本文针对合束系统的近、远场高精度应用要求设计了一种主要用于可见光波段、多波长激光合束的位置监测装置,当已完成平行校正的子激光束之间没有完全重合的时候,激光束通过位置监测系统在光电探测器上形成的光斑图像中心坐标会产生差异,通过计算可以得出各个激光束间实际位置,进而可以通过调节导光镜的方法来消除该位差,提高合束精度。

2 设计要求

激光合束系统不仅是在300～500 m的近场进行工作,而且还要在20～30 km的远场中应用。根据各子光束的波长、截面尺寸、位置合束精度以及安装空间等要求,确定该位置监测装置的设计指标如表1所示。

表1 位置监测系统整体设计指标

3 整体设计

3.1 光学设计

位置监测装置的原理主要是通过对各个子光束经过必要的衰减后在光电探测器上形成的光斑位置的监测,来实现对激光束位置的监测,但是由于光电探测器的靶面尺寸有限,当光斑较大或各子光束位置偏差较大时,所有子光束无法在光电探测器上成完全像,因此在光电探测器之前加入一个缩束系统来实现对所有子光束位置的监测,如图1所示。在该光学系统中,光斑缩小的倍数与子激光束相对位置缩小的倍数是相同的。

图1 位置监测装置光学原理图

光学系统的口径要确保合束激光的子光束能够全部都进入到光学系统中,因此光学系统的口径必须大于子光束的尺寸,但是如果口径太大将会使整个位置监测装置的体积过于庞大,无法适应合束系统的应用需求。所以选择位置监测装置的口径为60 mm,不仅大于最大子光束的直径,约为50 mm,而且有一定的位置偏差余量,又能实现装置的小体积。

另外,考虑到参与合束的子光束的波长差异较大,导致色差的存在,使得同一位置不同波长的子光束在光电探测器上形成的光斑大小和位置存在偏差,进而会降低位置监测装置的精度。因此,用正透镜和负透镜的组合以及合适的材料来消色差。设计优化后,选用H-ZPK1、H-ZF5和H-ZF2三种材料分别来制作三个透镜,其消色差效果的仿真分析结果如图2所示。

图2 色差仿真结果图

仿真分析中使用了三种不同波段的光束,理想的艾里斑半径为3.711 μm,而仿真结果得到的RMS分别为2.761 μm、2.805 μm、2.943 μm,均比艾里斑半径小很多,且各波段之间弥散斑半径则比较相近,说明在不同的视场条件下针对不同的工作波段,系统成像的质量均比较优异,消色差效果良好。

3.2 CCD的选择

在位置检测装置中,通过激光束在光电探测器上成像来实现对光束位置的监测。因此,光电探测器一定程度上决定了监测装置的性能。光电探测器主要有三种:电荷耦合器件(CCD)、四象限探测器、CMOS图像传感器。三种探测器优缺点如表2所示。

表2 三种探测器的优缺点

在这三种光电探测器中,CCD的光谱响应范围在300～1100 nm且分辨力高,符合设计需求。而且CCD的环境适应力强,抗冲击性能好,能够在车载等复杂工况条件下工作,所以选择CCD作为本装置中的光电探测元件。

根据设计指标要求,最终选择CCD相机的性能参数如表3所示。

使用相机时,必须注意CCD探测器极易受到激光的损伤[12],而且如果光太强会导致在CCD上形成的灰度图上的光斑的灰度过饱和,影响光斑中心的定位。因此激光束必须经过必要的衰减才能进入到位置监测系统中,否则会引起CCD的损坏。

表3 所选择CCD相机性能参数表

3.3 机械结构设计

3.3.1 镜筒的设计

将三个透镜可以直接放置在箱体中,但是这样对于装调来说就比较困难,很难将三个透镜的光轴实现同轴。因此在本装置中,设计出一个镜筒,使用前先将透镜装到镜筒内固定好,这样透镜的相对位置便于调节,光轴也可以最大程度的实现重合。然后可以很方便地将装上透镜的镜筒在箱体内部进行集成。除此之外,镜筒的使用还可以避免杂光对光学系统成像质量的影响,且镜筒的结构更加稳定,在车载等工况下透镜间的距离也不易发生变化,从而保证光学系统成像质量。

完成光学系统结构优化设计后,如图3所示,该光学系统长209 mm,最大外径84 mm,最小内径即光学系统口径60 mm。

图3 位置监测装置光学系统的组成结构图

3.3.2 箱体的设计与优化分析

位置监测装置的箱体用来为光学系统与CCD相机提供安装与集成平台,为了保证位置监测装置稳定的工作性能,箱体必须具备足够的结构刚度,同时要保证位置监测装置的结构刚度足够的情况下,还要对箱体进行必要的轻量化,以方便使用。

初步设计出位置监测装置的箱体,箱体内部的长宽高尺寸为295 mm×100 mm×104 mm,壁厚为10 mm,材料为铝合金,同时为了减小箱体的重量,在箱体两边进行开槽,如图4所示。

图4 箱体的三维图

在有限元软件ANSYS中,对其进行模态分析。模态分析是计算结构振动特性的数值技术,结构振动特性包括固有频率和振型,振动特性确定后,可以对结构进行优化使其更加稳定。

将箱体的槽深设为输入参数,将箱体的整体变形、一阶频率和质量设为输出参数。使用ANSYS中的模态分析和优化设计工具。令箱体的槽深取值为2～7 mm范围内的六个整数值,然后进行模态分析,最后得到六组各个槽深所对应的最大变形、一阶频率和质量,结果显示随着槽深的增加,最大变形和一阶频率都呈增加趋势,质量则是减少,其中最大变形和质量的变化与槽深大致呈正比例函数的关系,而一阶频率与槽深的关系如图5所示。

图5 一阶频率与槽深之间的关系

图5中,横坐标为槽深的序号,即1代表槽深为2 mm,2代表槽深为3 mm,以此类推。纵坐标为一阶频率,从图中可以看出一阶频率的变化范围在490～515 Hz之间,变化并不大。另一方面,变形和质量变化趋势相反,因此不能同时满足变形和质量同时减小的优化要求。

因此本文选择一个折中点,即槽深取5 mm,此时箱体的质量和变形与其它点的值相比也处于中间位置,可以达到质量和变形都较小的要求。这时的模态分析一阶和二阶振型如图6,一阶振频为496.22 Hz,二阶振频为721.67 Hz。此时的质量为3.19 kg,比未开槽时的质量3.9 kg轻了18.2%,质量减轻的同时,前两阶振频也较高满足车载的条件。

模态分析中得到的变形量并非真实值,而是一个相对量,因此要对箱体继续进行谐响应分析,取200～800 Hz的范围,使其包含前两阶振频,进行扫频后可以得到在前两阶振频附近的最大变形量分别为8×10-7mm和1.9×10-5mm,都比较小,可以忽略不计。

从振频、变形以及轻量化上可以看出设计的箱体可以满足多种在工况下工作的需求。

图6 槽深为5 mm时的前两阶振型图

完成对位置监测装置的光学设计、机械设计与CCD相机的选择后,获得位置监测装置的实物如图7所示,该装置满足合束系统的应用需求。

图7 实物图

3.4 光斑中心定位

在监测系统中,选定光电探测器后,接下来就是找出光斑的中心坐标,进而求出光束的偏转角度和位置偏差。一个好的算法对提高整个系统的准确性和精度十分关键。对于光斑中心的定位,已经出现了很多算法,主要有三种:质心法,拟合法,Hough法。这些算法适应不同的环境,有各自的优缺点,如表4所示。

如图8所示光斑在CCD上成的图像,可以看出光斑图像的背景颜色较深,灰度值非常小,而光斑本身的亮度非常大,灰度值非常高,目标与背景的灰度值相差很大。另一方面,光斑特性主要受噪声和通信信道中杂光、衍射和湍流效应的影响,而在本装置的机械设计上已经避免了杂光和减小了振动对装置的影响,环境不会对系统形成特别大的干扰,近场中衍射和湍流效应的影响又比较小,因此光斑的特性几乎不受通信信道的影响。此外,可以通过对光斑图像进行去噪处理来保证定位精度。再考虑到系统的实时性对合束精度的影响比较大,综合以上因素,质心法比较适合本装置,因此本文选择质心法来定位光斑中心。

表4 三种光斑中心定位算法

图8 光斑图像

质心法就是应用像素的灰度值作为权重来计算光斑的质心[13],对于大小为X×Y像素的图像的灰度重心计算公式为:

(1)

(2)

其中,G[i,j]为第i行,第j列的像素的灰度值。

4 装置性能的实验检测

室温条件下对光束位置监测装置的缩束倍率与监测精度进行了检测,检测装置主要包括激光器、快速反射镜、滤波片、衰减片、监测装置和控制及显示单元,如图9所示。激光经过快速反射镜反射,然后经过滤波片滤掉杂光,再经过衰减片衰减,最后进入监测系统成像。

图9 实验装置图

4.1 缩束倍数的检测

首先,要对激光束实际的光斑直径进行测量,对于光斑实际直径的测量是使用人工测量,为了减小误差,实验中不是对一个光斑进行测量,而是对同时多个光斑的距离进行测量。本实验中,如图9所示,由一束激光经反射镜在前后两个面多次反射后产生多条平行激光束,通过调节衰减用反射镜在光路中的角度获得进入位置监测装置中一串光斑。利用其中的四个光斑,对两端的光斑,即第一个和第四个光斑的实际中心位置之间的距离进行测量,如图10(a)所示。

图10 实际和显示的光斑位置

然后,对在CCD上成像的第一个和第四个光斑的中心距离进行测量:在屏幕上对显示的对应的第一个和第四个光斑中心进行标记,如图10(b)所示,通过显示软件获得两标记点的位置坐标,其横坐标之差即为x轴方向上相差的像元数。

最后,根据缩束倍数公式计算:

(3)

d=N·δ0

(4)

其中,k为缩束倍数；D为实际光斑中心距离；d为屏幕上光斑中心距离；N为像元数,即x方向的坐标差；δ0为像元在x轴方向的尺寸。

为减小误差,进行多次测量和计算,取平均值,最终得到缩束倍数为15.6倍。

4.2 位置监测精度的实验检测

位置监测装置的监测精度与相机的位置分辨率直接相关,并由软件对光斑脱靶量提取的跳动量最终决定。因此通过监测光斑脱靶量的跳动量,计算获得位置监测装置的监测精度,公式如下:

η0=k·δ0

(5)

εL=ΔN·η0

(6)

其中,η0为像元分辨率；ΔN为最大跳动值；εL为监测精度。

最后,通过计算得到监测精度为0.1 mm。

通过实验,得到设计的位置监测系统的缩束倍数为15.6,监测精度为0.1 mm,符合设计要求,满足使用需要。

误差的产生受光束特性影响较大,包括形状、能量分布、衰减效果等,此外还有CCD测量时的误差及数据处理的误差等。

5 结 论

本文从位置监测装置的功能出发,结合光学、机械以及算法等各个方面的知识对位置监测装置进行了设计和器件的选择。对位置监测装置的实验结果表明装置的性能符合设计要求,功能上能够实现对位置的监测,能够在不同的环境中精确地、实时地监测各个激光束的位置,进而提高波长合束的精度与效率。