用于激光穩(wěn)定的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
為使得激光在傳輸過程中的穩(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；而點光源，因其光斑的位置會有偏移，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：
① E70.D3S壓電控制器，用于控制干擾用壓電偏轉(zhuǎn)鏡；
② E70.D3S壓電控制器，用于控制補償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡；
③ P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生干擾信號，使激光產(chǎn)生抖動；
④ P33.T2K壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補償信號，使激光穩(wěn)定；
⑤ 激光器，光源；
⑥ 激光位置探測器，實時探測激光的位置
⑦ 電腦，閉環(huán)補償控制與補償效果顯示。
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器進行閉環(huán)的壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)定了光束接收的目標位置坐標，光源通過干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡的反射后，到達PSD位置探測器。原理圖如下所示。
采用外部PSD位置探測器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖
PSD位置探測器可對光束的光斑進行實時位置檢測，并反饋給補償壓電控制器，補償壓電控制器對PSD位置探測器反饋的傳感器信號進行采集、放大，同時向補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補償控制電壓信號，補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補償控制電壓信號進行快速角度調(diào)整，使得光信號準確、完整的接收，從而達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位置探測器檢測，可提高光束的調(diào)整速度。另外，PSD可直接對光斑位置進行測量，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。
通過計算機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，控制補償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡1；
④ E70.D3S壓電控制器，控制補償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡2；
⑤ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生干擾信號，使激光傳輸不穩(wěn)；
⑥ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補償信號1，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑦ P33.T2K 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補償信號2，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑧ 45°分光鏡；
⑨ PSD激光位置探測器1，實時探測并反饋激光的位置；
⑩ PSD激光位置探測器2，實時探測并反饋激光的位置；
? 電腦，閉環(huán)補償控制與補償效果顯示。
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器進行閉環(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位置坐標，光源通過干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡1、補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡2 的反射后，再經(jīng)過45°分光鏡的分光，分別到達各自的PSD位置探測器。
采用外部PSD位置探測器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖
原理與一階的類似，兩個PSD位置探測器分別對接收到的光束光斑進行實時位置檢測，并反饋給各自控制的補償壓電控制器。補償壓電控制器對PSD位置探測器反饋的傳感器信號進行采集、放大，同時向其控制的補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補償控制電壓信號，補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補償控制電壓信號進行快速角度調(diào)整，使得光信號準確、完整的穩(wěn)定接收， 從而達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位置探測器對光束的直接反應(yīng)信號反饋到壓電控制器，壓電控制器對信號進行讀取并對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，從而壓電偏轉(zhuǎn)鏡做出快速偏轉(zhuǎn)。
通過計算機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，當開啟補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡之前，位置探測器顯示的效果如下左圖中所示，光斑與目標位置間有偏移；而在開啟補償壓電偏轉(zhuǎn)鏡后，可從軟件中直觀的看到，光斑穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的目標位置，如下右圖所示。
經(jīng)過壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的補償控制，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壓電控制器為整個激光穩(wěn)定過程提供了納弧度級的偏轉(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位置探測器反饋的控制信號，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 | P33.T2K | P33.T2S | 單位 | |
運動自由度 | θx、θy | θx、θy |
| |
標稱行程范圍（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)重復定位精度 | - | 0.02 | %F.S. | |
空載諧振頻率 | 3.7 | 3.7 | kHz | |
閉/開環(huán)空載階躍時間 | 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 | E70.D3S |
功能 | 數(shù)字與模擬集成式控制器 |
通道數(shù) | 3 |
標稱模擬輸入范圍（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 |
過流保護 | 有 |
供電電壓 | 24V DC1.5A(36W) |
2，PSD位置探測器
該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中采用的PSD位置探測器的傳感尺寸為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 |
信號輸出偏置 | 100 mV，max |
帶寬 | 150 kHz |
推薦光點尺寸 | φ1~3.9mm |
供電電壓 | ±5VDC±5％，35 mA |
3，激光光源
為了光在傳輸過程中的衰減不會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 | 3R |
工作電壓 | 4.9 V至5.2 V |
波長 | 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 |
17051647888
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