朱 凡，李穎先，譚久彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 超精密光電儀器工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引 言

激光光束用作直線基準(zhǔn)可以獲得非常高的直線運(yùn)動精度，如目前用于大型光學(xué)鏡面面形測量的納米輪廓儀中，應(yīng)用激光束作為直線基準(zhǔn)達(dá)到了60 nm/1 m的直線運(yùn)動精度[1-2]。但是應(yīng)用激光束作為直線基準(zhǔn)普遍存在光束方向漂移的問題[3-8]，漂移嚴(yán)重影響了激光光束的準(zhǔn)直精度，在應(yīng)用中必須加以解決。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，幾米的短距離內(nèi)激光光束方向漂移主要包括激光器諧振腔熱變形導(dǎo)致的漂移以及傳輸路徑中空氣擾動造成的漂移，導(dǎo)致激光光束的準(zhǔn)直精度僅能達(dá)到10-4～10-6rad量級[3-6]。針對激光光束方向漂移的問題，科研人員提出了多種解決方案[3-13]。其中，雙光束補(bǔ)償準(zhǔn)直法、相位板法等能夠達(dá)到10-6rad的準(zhǔn)直精度[9]，采用閉環(huán)反饋法抑制激光光束漂移能夠取得非常好的效果，能夠達(dá)到5×10-7rad的準(zhǔn)直精度[5]，尤其是將激光束的平漂與角漂分離后分別加以控制，達(dá)到了7×10-8rad的準(zhǔn)直精度[4-5]。對激光光束方向漂移進(jìn)行閉環(huán)反饋控制時，控制精度一方面取決于漂移量的檢測精度，另一方面則取決于漂移量控制單元的執(zhí)行精度與頻率響應(yīng)速度。

對于漂移量的檢測，本課題組已實(shí)現(xiàn)了激光光束平漂與角漂的相互分離并分別加以控制，取得了很高的準(zhǔn)直精度[4-5]。其中，角漂量的檢測精度主要受限于光電檢測電路的靈敏度以及所使用的聚焦透鏡的焦距長度，并且平漂與角漂分離過程中存在一定程度的相互耦合，制約了最終光束漂移的控制精度，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

對于漂移量控制單元，其作用是利用光束穩(wěn)定器實(shí)現(xiàn)光束的平移或角度偏轉(zhuǎn)。光束的平移可以采用壓電陶瓷直接驅(qū)動反射鏡平移來實(shí)現(xiàn)[4-5]，光束平移精度與響應(yīng)速度直接取決于所使用壓電陶瓷的位移輸出精度與響應(yīng)速度，而目前高性能壓電陶瓷可以達(dá)到亞納米量級超高位移分辨力以及數(shù)千赫茲的高頻率響應(yīng)速度[14]。對于光束的角度偏轉(zhuǎn)，目前已有較多的光束偏轉(zhuǎn)裝置，廣泛應(yīng)用于空間光通信、瞄準(zhǔn)與跟蹤等。常見的光束偏轉(zhuǎn)裝置為機(jī)械式[15-20]，采用萬向支架結(jié)構(gòu)或柔性偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)出射光束的方向控制，通常具有體積較大、響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)，其光束偏轉(zhuǎn)精度由驅(qū)動器的位移分辨力與驅(qū)動點(diǎn)到偏轉(zhuǎn)軸的距離的比值決定，驅(qū)動器的位移分辨力可以達(dá)到亞納米級，驅(qū)動點(diǎn)到偏轉(zhuǎn)軸的距離越大則機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角分辨力越高，但機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量會增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量增大使得系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。其他一些常見的光束偏轉(zhuǎn)裝置有聲光偏轉(zhuǎn)器[21-22]、電光偏轉(zhuǎn)器[23-24]、液晶空間光偏轉(zhuǎn)器[25-27]，一些新型的光束偏轉(zhuǎn)裝置如偏心透鏡法[28]、旋轉(zhuǎn)棱鏡法[28]、微透鏡陣列法[29-31]、電潤濕法[32-33]等，在體積、響應(yīng)時間、偏轉(zhuǎn)角等方面均有不同程度的發(fā)展。但這些光束偏轉(zhuǎn)方法仍有待于進(jìn)一步的改進(jìn)，以滿足高精度激光直線基準(zhǔn)應(yīng)用中對激光光束方向漂移在小范圍內(nèi)的精確快速控制需求。

為了進(jìn)一步提高激光光束的準(zhǔn)直精度，本文建立了一套高精度激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)。針對以上光束漂移控制中制約控制精度的兩方面問題，提出一種基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器，利用反射鏡平動實(shí)現(xiàn)激光光束的高靈敏度與高頻響角度偏轉(zhuǎn)；并提出一種兩點(diǎn)式高精度光束漂移分離法，利用兩個四象限光電探測器(Quadrant Photodiode Detector,QPD)的中心連線作為虛擬基準(zhǔn)直線，實(shí)現(xiàn)激光光束漂移的精確檢測與分離。最終對激光光束方向漂移進(jìn)行高精度閉環(huán)控制，達(dá)到提高激光光束準(zhǔn)直精度的目的。

2 工作原理

激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中，激光光源采用的是帶單模光纖耦合的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光耦合進(jìn)入單模光纖，由單模光纖及光纖準(zhǔn)直鏡出射的準(zhǔn)直激光光束沿x正向傳輸，由聚焦透鏡會聚，由反射鏡FM1將其傳輸方向轉(zhuǎn)換為z正向，依次經(jīng)過平動反射鏡TM1與壓電陶瓷PZT1組成的垂直方向光束角度偏轉(zhuǎn)單元將光束方向轉(zhuǎn)換為y正向、由反射鏡FM2將光束方向轉(zhuǎn)換為z正向、平動反射鏡TM2與壓電陶瓷PZT2組成的水平方向光束角度偏轉(zhuǎn)單元將光束方向轉(zhuǎn)換為x負(fù)向，平動反射鏡TM1與平動反射鏡TM2分別對光束在垂直(y向)和水平(x向)傳輸方向進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，抑制激光光束的角漂；然后光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，由會聚光束重新成為準(zhǔn)直平行光束，依次經(jīng)過平動反射鏡TM3與壓電陶瓷PZT3組成的水平(x向)方向光束平移單元將光束方向轉(zhuǎn)換為z正向、反射鏡FM3將光束方向轉(zhuǎn)換為y負(fù)向、平動反射鏡TM4與壓電陶瓷PZT4組成的垂直(y向)方向光束平移單元將光束方向轉(zhuǎn)換為z正向，分別對光束在水平(x向)和垂直(y向)傳輸方向進(jìn)行位置平移，抑制激光光束的平漂。QPD 1與QPD 2用于檢測經(jīng)過角漂和平漂抑制后激光光束的準(zhǔn)直精度。QPD 1與QPD 2的中心連線可以作為一條虛擬直線基準(zhǔn)，將激光光束的方向矢量與該虛擬直線基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而分離出激光光束的角漂量與平漂量，反饋給光束穩(wěn)定器實(shí)現(xiàn)對激光光束方向的閉環(huán)控制。激光光束的角漂和平漂得到抑制后，大幅提高了方向穩(wěn)定性，從而提高了其準(zhǔn)直精度。

圖1 激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)原理圖.Fig.1 Schematic diagram of laser beam collimation system

3 單元設(shè)計

3.1 基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器

采用閉環(huán)反饋的激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)中，光束穩(wěn)定器是實(shí)現(xiàn)光束方向偏轉(zhuǎn)與位置平移的執(zhí)行器件。本文提出的光束穩(wěn)定器中，光束角度偏轉(zhuǎn)采用兩個共焦放置的透鏡以及壓電陶瓷與平動反射鏡構(gòu)成的平移鏡組來實(shí)現(xiàn)。如圖2(a)所示，聚焦透鏡的后焦面與準(zhǔn)直透鏡的前焦面重合，構(gòu)成無焦系統(tǒng)。入射的準(zhǔn)直光束經(jīng)過聚焦透鏡會聚后，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡重新成為準(zhǔn)直光束出射。如果經(jīng)聚焦透鏡會聚后的光束中心軸線相對于準(zhǔn)直透鏡的光軸有偏離，根據(jù)幾何光學(xué)原理，該光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后的出射方向?qū)l(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，如圖2(b)所示。

圖2 共焦透鏡實(shí)現(xiàn)光束角度偏轉(zhuǎn)Fig.2 Beam deflection realized by confocal lens

出射光束的偏轉(zhuǎn)角θ可以由準(zhǔn)直透鏡的焦距f2與平移鏡組對光束經(jīng)聚焦透鏡后聚焦點(diǎn)平移的距離d來確定：

θ=arctan(d/f2).

(1)

通過精確控制經(jīng)聚焦透鏡聚焦后的光束中心軸線相對于準(zhǔn)直透鏡光軸的偏離量，可以實(shí)現(xiàn)出射光束方向的精確控制。要達(dá)到這一點(diǎn)，一種實(shí)現(xiàn)的途徑是采用偏心透鏡法，直接在垂直于光軸的方向上平移準(zhǔn)直透鏡[23]。本文根據(jù)激光光束準(zhǔn)直領(lǐng)域中對激光光束在微小角度范圍內(nèi)達(dá)到非常高的角度偏轉(zhuǎn)精度的要求，利用壓電陶瓷驅(qū)動的平移鏡組，直接在垂直于光軸方向上平移經(jīng)聚焦透鏡會聚后的光束聚焦點(diǎn)位置。

如圖3(a)所示，在兩個共焦放置的透鏡之間設(shè)置一組平移鏡組，平移鏡組由兩片平行放置的平面反射鏡組成。其中一片固定，另一片固定于壓電陶瓷的位移輸出端，由壓電陶瓷驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對光束聚焦點(diǎn)的平移，從而實(shí)現(xiàn)對出射光束的角度偏轉(zhuǎn)。如圖3(b)所示，該光束穩(wěn)定器中，出射光束角度偏轉(zhuǎn)量θ由平移鏡組中壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡的平移量Δ和準(zhǔn)直透鏡的焦距f2表示為：

(2)

該光束穩(wěn)定器中，光束角度的偏轉(zhuǎn)分辨力與偏轉(zhuǎn)范圍，由壓電陶瓷的位移分辨力和最大位移輸出量與準(zhǔn)直透鏡焦距的比值來決定。以目前普遍能夠達(dá)到的具有1 nm分辨力和12 μm最大位移輸出量的壓電陶瓷為例，準(zhǔn)直透鏡焦距f2=100 mm時，該光束穩(wěn)定器的光束角度偏轉(zhuǎn)分辨力和偏轉(zhuǎn)范圍分別可以達(dá)到10 nrad(0.002″)和120 μrad(24″)，滿足激光光束準(zhǔn)直應(yīng)用中對光束漂移量在小角度范圍內(nèi)進(jìn)行精確控制的需求。

圖3 基于反射鏡平動的光束角度偏轉(zhuǎn)方法Fig.3 Translation mirror based beam deflection method

從圖3可以看出，利用平移鏡組對光束聚焦點(diǎn)位置進(jìn)行平移時，光束聚焦點(diǎn)的運(yùn)動軌跡與光軸方向呈45°角，在光束偏轉(zhuǎn)過程中光束聚焦點(diǎn)相對于準(zhǔn)直物鏡焦面產(chǎn)生離焦，進(jìn)而影響到出射光束的平行性。該光束平行性變化，將導(dǎo)致后續(xù)光束漂移檢測單元中QPD接收到的光斑尺寸與光強(qiáng)分布發(fā)生變化，從而影響到QPD對光束漂移量的檢測靈敏度。如圖3(b)所示，光束聚焦點(diǎn)離焦量df與壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡的平移量Δ之間的關(guān)系可以表示為：

(3)

如圖4(a)所示，假設(shè)在未離焦的情況下出射光束直徑為D，當(dāng)存在離焦時準(zhǔn)直透鏡面處光束直徑為D1，距離為L位置處光束直徑為D2，則有：

(4)

(5)

根據(jù)式(4)和式(5)可以計算出，當(dāng)壓電陶瓷最大輸出位移量為12 μm、準(zhǔn)直透鏡焦距為100 mm時，在距離1 000 mm位置處，對于直徑為3 mm的光束，其直徑最大變化量僅為3.4 μm，相對變化量為0.11%，如圖4(b)所示，其影響可完全忽略。

圖4 光束偏轉(zhuǎn)器中離焦導(dǎo)致光束直徑變化Fig.4 Variation of beam diameter due to defocus in stabilizer

以上基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器中，光束的角度偏轉(zhuǎn)由壓電陶瓷驅(qū)動其位移輸出端固定的平面反射鏡來實(shí)現(xiàn)，具有高位移靈敏度和小運(yùn)動慣量的特點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)的壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光束角度偏轉(zhuǎn)的方式，該光束穩(wěn)定器理論上可以獲得更高的光束角度偏轉(zhuǎn)靈敏度和頻率響應(yīng)速度。

3.2 兩點(diǎn)式光束漂移分離法

激光光束方向漂移量的精確探測與分離，是實(shí)現(xiàn)漂移量閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)。在本設(shè)計中，采用兩片相隔一定間距LQ的QPD在沿著激光光束的傳輸方向上進(jìn)行布置，如圖5所示。

圖5 兩點(diǎn)式光束漂移探測與分離法Fig.5 Schematic diagram of two-point beam drift detection and separation method

基于兩點(diǎn)唯一確定一條空間直線的原理，將該兩片QPD的中心連線作為一條虛擬基準(zhǔn)直線，將激光光束的方向矢量與該虛擬基準(zhǔn)直線相比較，實(shí)現(xiàn)對激光光束方向角漂量和平漂量的探測與分離。任何相對于該虛擬基準(zhǔn)直線的激光光束方向偏移或空間位置平移，均被反饋至光束穩(wěn)定器中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。激光光束在二維方向上的平漂量和角漂量分別如下：

(6)

LD=(x1,y1).

(7)

在圖1所示系統(tǒng)中，反饋單元根據(jù)QPD1和QPD2的輸出信號，按照式(6)解算出二維角漂量，并反饋給由聚焦透鏡、固定反射鏡FM1、平動反射鏡TM1、固定反射鏡FM2、PZT1、平動反射鏡TM2、PZT2、準(zhǔn)直透鏡組成的二維角漂量控制單元，對激光光束的二維角漂量進(jìn)行閉環(huán)控制；同時，反饋單元根據(jù)QPD1和QPD2的輸出信號，按照式(7)解算出二維平漂量，并反饋給由平動反射鏡TM3、PZT3、固定反射鏡FM3、PZT4、平動反射鏡TM4組成的二維平漂量控制單元，對激光光束的二維平漂量進(jìn)行閉環(huán)控制。最終得到的激光光束準(zhǔn)直精度，是系統(tǒng)對激光光束的角漂量和平漂量進(jìn)行綜合抑制后的結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

4.1 光束偏轉(zhuǎn)分辨力與偏轉(zhuǎn)范圍

對基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器的光束偏轉(zhuǎn)分辨力和偏轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。測試裝置采用兩個正交放置的平移鏡組實(shí)現(xiàn)二維方向光束偏轉(zhuǎn)；兩個QPD間距200 mm，沿出射激光光束布置，用于監(jiān)測激光光束方向偏移。

圖6 光束穩(wěn)定器的光束偏轉(zhuǎn)分辨力和偏轉(zhuǎn)范圍測試裝置Fig.6 Test setup for beam deflection resolution and range of proposed beam stabilizer

該測試裝置中，需要首先測試QPD的光斑位移檢測靈敏度，從而根據(jù)QPD的輸出結(jié)果確定激光光束的方向偏移量。由于QPD對光斑位移檢測靈敏度顯著依賴于光斑尺寸及光強(qiáng)分布，因此這里直接將QPD安裝于測試裝置光路中進(jìn)行在線測試。如圖6(a)所示，將QPD安裝于精密位移臺上，激光光源預(yù)熱時間足夠長，并且光束穩(wěn)定器固定不動。精密位移臺帶動QPD進(jìn)行小位移步進(jìn)，同時采集QPD的輸出，該輸出即反映了QPD與光斑之間的相對位移，從而確定出QPD對光斑的位移檢測靈敏度。當(dāng)精密位移臺帶動QPD進(jìn)行2 nm和1 nm步進(jìn)時，QPD的輸出分別如圖7(a)和7(b)所示，可以看出，QPD能夠清晰分辨出1 nm的步進(jìn)量。利用QPD的輸出電壓與精密位移臺的輸出位移量，可以計算出QPD對光斑位移檢測靈敏度為3.7 mV/nm。

QPD對于平漂量進(jìn)行檢測時，平漂量僅體現(xiàn)為光斑相對于QPD中心的位置平移，因此，QPD對光斑位移的分辨力直接反映了它對于光束平漂量的檢測能力。根據(jù)圖7(b)可以得出，本實(shí)驗(yàn)中QPD對激光光束平漂量的檢測分辨力可以達(dá)到1 nm。

圖7 QPD對光斑位移分辨力測試結(jié)果Fig.7 Test results of spot displacement resolution of QPD

將兩QPD固定，壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡以1 nm步進(jìn)量平移，同時采集QPD的輸出，以測試光束穩(wěn)定器的光束角度偏轉(zhuǎn)分辨力。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 所提出的光束穩(wěn)定器的光束偏轉(zhuǎn)分辨力測試結(jié)果Fig.8 Test results of beam deflection resolution of proposed beam stabilizer

4.2 壓電陶瓷非線性與遲滯特性

本文中光束穩(wěn)定器采用壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡平移實(shí)現(xiàn)光束角度偏轉(zhuǎn)。壓電陶瓷的非線性響應(yīng)以及遲滯特性將顯著影響光束穩(wěn)定器的輸出精度，尤其是當(dāng)壓電陶瓷的輸出在納米量級時。這里采用米依CS02型電容傳感器對壓電陶瓷的位移輸出進(jìn)行測試，測試裝置如圖9(a)所示。壓電陶瓷電源在-600～600 V內(nèi)輸出電壓，驅(qū)動壓電陶瓷產(chǎn)生位移。從圖9(b)測試結(jié)果可以看出，壓電陶瓷全行程±6 μm內(nèi)輸出正向和負(fù)向位移時的非線性分別為3.36%和5.37%，相應(yīng)的最大光束角度偏轉(zhuǎn)誤差為4.03 μrad和6.44 μrad。從圖9(c)可以看出，該壓電陶瓷的最大遲滯量為1.035 μm，由此導(dǎo)致的光束穩(wěn)定器的輸出遲滯量為10.35 μrad。由此可見，當(dāng)光束穩(wěn)定器工作于開環(huán)狀態(tài)時，壓電陶瓷的非線性響應(yīng)和遲滯特性會顯著影響光束穩(wěn)定器的輸出特性，因此應(yīng)采用閉環(huán)工作方式以獲得高輸出精度。在壓電陶瓷上集成電容傳感器，對壓電陶瓷的輸出構(gòu)成局部閉環(huán)，以此大幅度減小壓電陶瓷自身的非線性和遲滯特性的影響。

圖9 壓電陶瓷位移輸出特性測試結(jié)果Fig.9 Test results of displacement output charateristics of PZT

4.3 光束穩(wěn)定器頻響特性

本文光束穩(wěn)定器中，光束偏轉(zhuǎn)通過直接驅(qū)動粘貼于壓電陶瓷位移輸出端的反射鏡來實(shí)現(xiàn)，其頻率響應(yīng)特性也可以采用圖9(a)所示裝置進(jìn)行測試。測試過程中，信號發(fā)生器產(chǎn)生某一頻率的正弦信號，輸入至壓電陶瓷電源，驅(qū)動壓電陶瓷輸出正弦位移，該位移量由電容傳感器監(jiān)測，并與信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號進(jìn)行比較，從而得到壓電陶瓷的幅頻特性和相頻特性。測試結(jié)果如圖10所示，可以看出，該光束穩(wěn)定器的頻響特性大于2 kHz。

圖10 壓電陶瓷位移輸出特性測試結(jié)果Fig.10 Test results of displacement output of PZT

4.4 激光光束準(zhǔn)直精度測試

在以上各單元測試基礎(chǔ)上，按圖1所示激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)原理圖，組建了激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖11(a)所示。其中QPD1與QPD2相距500 mm，用于檢測最終激光光束的準(zhǔn)直效果，測試過程在恒溫、隔振的潔凈間環(huán)境中進(jìn)行。測試結(jié)果如圖11(b)和11(c)所示，采用閉環(huán)控制后，500 mm位置處激光光束的準(zhǔn)直精度在二維方向上2 h內(nèi)分別可以達(dá)到1.9×10-8rad和2.1×10-8rad，采用本文提出的基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器和兩點(diǎn)式光束方向漂移分離法，實(shí)現(xiàn)了高精度激光光束準(zhǔn)直。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)目前激光光束用作直線基準(zhǔn)的高精度需求，提出基于反射鏡平動的光束穩(wěn)定器和兩點(diǎn)式光束漂移分離法，實(shí)現(xiàn)對激光光束方向漂移的高精度閉環(huán)控制。對該激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的組成及主要單元模塊的設(shè)計進(jìn)行了介紹，并對該系統(tǒng)的激光光束準(zhǔn)直精度進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該激光光束準(zhǔn)直系統(tǒng)在二維方向上2 h準(zhǔn)直精度分別達(dá)到1.9×10-8rad和2.1×10-8rad，相對于現(xiàn)有技術(shù)約提高了3倍，大幅提高了激光光束的準(zhǔn)直精度，滿足激光光束用作高精度直線基準(zhǔn)的需求。