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用于激光稳定的快速压电偏转系统

在成像、光通信等激光的应用中,激光光路的稳定都是至关重要的。

为使得激光在传输过程中的稳定,芯明天利用压电偏转镜搭建了一阶与二阶的激光稳定系统。根据光源的不同而选择,例如平行光,采用一阶激光稳定系统即可;而点光源,因其光斑的位置会有偏移,需要额外的位置校正,则需要二阶激光稳定系统来调节。

 

一阶激光稳定系统

一阶激光稳定系统的搭建结构如下。

 

系统中部件分别为:

 E70.D3S压电控制器,用于控制干扰用压电偏转镜;

 E70.D3S压电控制器,用于控制补偿用压电偏转镜;

 P33.T2K压电偏转镜,产生干扰信号,使激光产生抖动;

P33.T2K压电偏转镜,产生补偿信号,使激光稳定;

 激光器,光源;

激光位置探测器,实时探测激光的位置

电脑,闭环补偿控制与补偿效果显示。

 

一阶激光稳定系统结构原理

该系统是采用外部位置探测器进行闭环的压电偏转系统,预先设定了光束接收的目标位置坐标,光源通过干扰压电偏转镜、补偿压电偏转镜的反射后,到达PSD位置探测器。原理图如下所示。

采用外部PSD位置探测器的快速压电偏转系统原理图

 

PSD位置探测器可对光束的光斑进行实时位置检测,并反馈给补偿压电控制器,补偿压电控制器对PSD位置探测器反馈的传感器信号进行采集、放大,同时向补偿压电偏转镜输出相应的补偿控制电压信号,补偿压电偏转镜根据补偿控制电压信号进行快速角度调整,使得光信号准确、完整的接收,从而达到成像或光通信等目的。

与采用内置传感器的闭环版本压电偏转镜相比,开环压电偏转镜具有更快的响应速度及更高的分辨率,因此采用外部PSD位置探测器检测,可提高光束的调整速度。另外,PSD可直接对光斑位置进行测量,是光束偏转方向的直接反应。而内置传感器的闭环版本压电偏转镜的特点是使得控制电压与偏转角度间成线性关系,可保证压电偏转镜的实际偏转角度与预期控制调整的偏转角度相一致。

通过计算机显示可观看光束跟踪及稳定情况。

 

二阶激光稳定系统

二阶激光稳定系统的搭建结构如下。

系统中部件分别为:

① 激光器,光源;

② E70.D3S压电控制器,控制干扰用压电偏转镜;

③ E70.D3S压电控制器,控制补偿用压电偏转镜1;

④ E70.D3S压电控制器,控制补偿用压电偏转镜2;

⑤ P33.T2K 压电偏转镜,产生干扰信号,使激光传输不稳;

⑥ P33.T2K 压电偏转镜,产生补偿信号1,使激光传输保持稳定;

⑦ P33.T2K 压电偏转镜,产生补偿信号2,使激光传输保持稳定;

⑧ 45°分光镜;

⑨ PSD激光位置探测器1,实时探测并反馈激光的位置;

⑩ PSD激光位置探测器2,实时探测并反馈激光的位置;

⑪ 电脑,闭环补偿控制与补偿效果显示。

 

二阶激光稳定系统结构原理

二阶激光稳定系统,仍是采用外部位置探测器进行闭环的压电偏转系统,同样,预先设定了光束接收的目标位置坐标,光源通过干扰压电偏转镜、补偿压电偏转镜1、补偿压电偏转镜2 的反射后,再经过45°分光镜的分光,分别到达各自的PSD位置探测器。

采用外部PSD位置探测器的快速压电偏转系统原理图

 

原理与一阶的类似,两个PSD位置探测器分别对接收到的光束光斑进行实时位置检测,并反馈给各自控制的补偿压电控制器。补偿压电控制器对PSD位置探测器反馈的传感器信号进行采集、放大,同时向其控制的补偿压电偏转镜输出相应的补偿控制电压信号,补偿压电偏转镜根据补偿控制电压信号进行快速角度调整,使得光信号准确、完整的稳定接收, 从而达到成像或光通信等目的。

二阶激光稳定系统与一阶一样,采用的是开环压电偏转镜,具有更快的响应速度及更高的分辨率。PSD位置探测器对光束的直接反应信号反馈到压电控制器,压电控制器对信号进行读取并对输出电压进行调节,从而压电偏转镜做出快速偏转。

通过计算机显示可观看光束跟踪及稳定情况。

激光稳定系统软件控制界面

 

在该系统中,当开启补偿压电偏转镜之前,位置探测器显示的效果如下左图中所示,光斑与目标位置间有偏移;而在开启补偿压电偏转镜后,可从软件中直观的看到,光斑稳定在预先设定的目标位置,如下右图所示。

经过压电偏转系统的补偿控制,使得光的传输更加精确稳定。其中重要的因素就是压电偏转镜有超高的的偏转精度和超快的偏转速度。芯明天P33.T2K压电偏转镜与E70.D3S压电控制器为整个激光稳定过程提供了纳弧度级的偏转精度及毫秒甚至亚毫秒的偏转响应速度,这在该系统中起着决定性的作用。

系统部件介绍

1,压电偏转镜与压电控制器

该一阶、二阶激光稳定系统中,采用的压电偏转镜与压电控制器分别为芯明天P33.T2K压电偏转镜与E70.D3S压电控制器。

通常情况下,E70.D3S压电伺服控制器与压电偏转镜内置的应变传感器反馈的信号形成闭环控制。而在该激光稳定系统中,采用的是PSD位置探测器反馈的控制信号,与E70.D3S形成闭环伺服控制。

P33.T2K压电偏转镜参数如下。

型号

P33.T2K

P33.T2S

单位

运动自由度

θx、θy

θx、θy

 

标称行程范围(0~120V)

±1.25 (≈±260秒)

±1.25 (≈±260秒)

mrad

行程范围(0~150V)

±1.5 (≈±300秒)

±1.5 (≈±300秒)

mrad

传感器类型

-

SGS

-

闭/开环分辨率

0.02(<0.01秒)

0.05(≈0.01秒)

μrad

闭环线性度

-

0.1

%F.S.

闭环重复定位精度

-

0.02

%F.S.

空载谐振频率

3.7

3.7

kHz

闭/开环空载阶跃时间

1

1.5

ms

闭环空载

工作频率

10%行程

1000

1000

Hz

100%行程

80

80

 

E70.D3S压电控制器技术参数如下。

型号

E70.D3S

功能

数字与模拟集成式控制器

通道数

3

标称模拟输入范围(V)

0~10

峰值电流(A)

1.1/通道

平均电流(mA)

70/通道

放大器带宽(Hz)

10k/通道

伺服特性

P.I+低通+陷波

通信接口

RS-232/422、USB

过流保护

供电电压

24V DC1.5A(36W)

 

2,PSD位置探测器

该激光稳定系统中采用的PSD位置探测器的传感尺寸为φ7.8mm,可根据要求任意更换。

技术参数

传感尺寸

φ7.8mm

波长范围

400~1050nm

峰值响应度

0.4 A/W(633nm)、0.64A/W(900nm)

跨阻增益

10kV/A

最大光电流

200μA

输出电压范围

±2Vmin

信号输出偏置

100 mV,max

带宽

150 kHz

推荐光点尺寸

φ1~3.9mm

供电电压

±5VDC±5%,35 mA

 

3,激光光源

为了光在传输过程中的衰减不会影响光的正常传输与接收,该系统中采用的是635nm、4mW的激光器。

 

技术参数

激光安全等级

3R

工作电压

4.9 V至5.2 V

波长

635nm, max 640 nm

椭圆光束尺寸

4.5mmx1mm

工作电流

Typ 48mA, max 70 mA

轴偏差

5 mrad

光束发散

1.5 mrad

光输出功率(CW)

4~5.0 mW

 

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