四束激光光轴高精度稳定控制技术

介绍了压电陶瓷快速倾斜镜以及相应的反馈和控制系统研制过程,并对快速倾斜镜进行了详细的性能测试,包括响应速度、动态范围以及闭环分辨率等重要参数。在此基础上,完成了4束激光相干合成时光轴稳定闭环控制实验。实验结果表明:系统闭环控制时,4束激光光轴的均方根抖动均小于1.5μrad,与开环状态相比,光轴抖动量减小了80%。通过对开闭环控制结果的对比分析发现,远场光斑平均帧峰值提高了3.8倍。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

基于两级高速倾斜镜闭环控制的光束稳定技术研究

在光束稳定系统中,受到传输介质和平台振动等因素的影响,通常同时存在能量与频率成反比特性的宽带扰动和平台机械谐振引起的在某个特定频率点出现的窄带扰动。为了解决光束稳定系统中由大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动引起光束抖动的问题,设计了基于两级高速倾斜镜串联控制的光束稳定系统,提出了利用前级光束稳定系统校正窄带扰动,后级光束稳定系统校正宽带扰动的控制算法,实现了对大幅度高频率窄带扰动和宽带扰动的同时抑制。在相同条件下,对比了传统的控制方法和两级高速倾斜镜联合校正控制系统的残余误差。仿真和实验表明,提出的系统结构和控制方法能够有效地抑制光束稳定系统中存在的扰动。     

抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制

提出了一种抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振的方法从而提高系统校正带宽和跟瞄精度.通过分析双二阶滤波器参数对频率特性的影响,提出了一种双二阶滤波器的设计方法,并把这种设计方法结合比例积分(PI)控制算法用于抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振.最后,对经典PI控制算法和增加了双二阶滤波器的PI控制算法进行了实验比较,在相同的条件下,增加了双二阶滤波器的PI控制带宽比经典PI控制带宽提高了近1倍,对平台抖动控制精度提高了5倍以上.实验结果表明:增加了双二阶滤波器的PI控制算法对抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振简单有效,可以提高系统校正带宽和跟瞄精度.     

光束控制系统组件化仿真及运动解耦方法研究

利用激光系统组件化仿真软件构建了光束控制系统的组件化仿真框架,对几何/波动光学传输、光束定向器机架与其内部光学元件的耦合运动进行了仿真,提出了目标脱靶量数据和传感器图像自动更新、光束定向器机架与其内部多块快速倾斜镜控制驱动量自动解耦的数值仿真新方法,并在动态跟踪控制可视化过程中完成了光束定向器机架、多块快速倾斜镜驱动控制以及光学传输成像的仿真,满足了光束控制系统建模仿真的普适性、灵活性、易用性设计目标。最后,大气传输校正联合仿真实例证明:利用精跟踪、自适应光学技术能有效抑制大气低频扰动幅值,校正高频扰动的影响。     

回波瞄准系统中基于爬山法的光束闭环瞄准实验

瞄准偏差和光束抖动,会导致光束到达靶面能量的损失,是光束瞄准系统中两个最主要的误差。分析了以高斯光束和高斯抖动为基础的光束在照明目标时产生的光回波信号的特性;在此基础上,搭建了实验室平台,实现了基于二维爬山法的光束闭环瞄准,讨论了光束抖动对光束瞄准实时性的影响,分析了不同抖动强度下光束瞄准的精度。实验结果表明：爬山算法无需已知目标和光束分布的任何信息,即可实现光束回波闭环瞄准,且性能优良;但随着光束抖动的增加,其瞄准所需回波信号样本增大,瞄准精度降低。     

室内多波段光轴一致性测试系统的设计

介绍用于室内检测多波段光电设备光轴一致性的测试系统。该系统采用准直平行光管为测试系统提供无穷远目标。为满足全波段测试，光束无中心遮拦，系统选用离轴抛物面全反射光学系统。采用多光谱分光镜为激光光斑提供瞄准基准，带温控热十字丝的高斯目镜为红外和可见光波段提供瞄准基准，实现了光电设备之间可见与红外、可见与激光、激光与红外光轴的一致性测试。系统具有测试精度高、测试结果可靠等特点。根据初步估算，可见与红外、可见与激光、红外与激光之间的光轴一致性测试精度分别达到了4.01″， 1.08″和 4.05″的水平。该系统有效解决了多波段光测设备光轴间的一致性测试问题。     

固体板条MOPA激光光束质量主动控制

详细介绍了固体板条MOPA激光系统输出光束特性,包括光束近场强度分布、波前畸变空间特性和时间频率特性等,并以此为设计输入,研制了大动态范围高空间分辨率变形镜。研制的自适应光学闭环校正系统在强光条件下,实现了全程闭环控制,光束质量因子平均值从开环7.4提高到4.06。根据当前波前闭环校正残差,提出了进一步提高MOPA系统输出光束质量的方法。     

一种快速倾斜镜系统的设计与应用

激光在大气中传输时,由于大气湍流的存在,会导致光束漂移和能量集中度下降。校正倾斜像差,可以提高激光在大气中传输的质量,而快速倾斜镜正是倾斜像差校正的关键部件。设计了一个基于柔性轴结构的二维压电陶瓷型快速倾斜镜,采用高压运算放大器PA96制作其驱动电源,并选用TMS320F2812型DSP芯片作为倾斜镜控制系统的核心处理器,经实验测试表明,该快速倾斜镜的偏转范围达到1.8mrad,谐振频率为432Hz,角分辨力约为0.5μrad。最后将此系统应用于激光大气传输倾斜像差校正实验中,实验结果表明,该系统能够有效提高光斑能量集中度并降低光斑漂移,可以应用于激光大气传输中对倾斜像差的校正。     

高能激光束自动对准和稳定系统的结构设计

介绍了一种用于两个光学平台之间光轴自动对准和稳定光束的设计方案。以可绕ｘ,ｙ,ｚ三个方向转动的导光管为单元,组成导光臂连接两个光学平台,消除两个平台之间相对运动产生的光轴对接偏差。用压电陶瓷驱动的倾斜镜作光束稳定元件,消除光束自身的漂移和平台间高频振动产生的光轴偏差。     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通...     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通过分析图形的形成原理并用Matlab仿真,选出了适用用于任意图案显示的扫描镜谐振频率组合(X轴2 400 Hz, Y轴2 425 Hz).该组合可以形成194×192个像素点,刷新频率为25 Hz.在此基础上提出了一种通过调制激光开关来进行投影显示的方法.     

抑制大型折叠腔结构光斑抖动技术的研究

针对光腔镜盒的真空变形和振动对精密光学系统的影响,分析了传统刚性连接的光学调整架平台以及球关节连接结构在减振降噪设计的不足,从支撑和柔性密封连接的角度,设计了隔离振动和光腔镜盒真空变形的精密光学调整架平台,对应用于大型折叠腔的双层光学调整架平台的动力学特性进行ANSYS仿真,并完成了光斑抖动验证实验。结果显示框架式双层光学调整架平台的第一阶弹性体频率可达到126.5,172.3Hz,很好地满足折叠腔光学调整架平台的使用要求;应用在大型折叠腔,抽真空试验前后He-Ne导引光输出光斑位置无变化,形状变化很小,出光过程中输出抖动角均方根值为3.73″,隔离振动传递效果明显。     

快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究

液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.     

Performance simulation of an adaptive optics system with liquid crystal corrector under closed-loop and open-loop control

The adaptive optics system (AOS) often operates in a discrete sampling process with finite closed-loop frequency. Reconstruction, detection, and time lag induced errors are the main correction errors of the system. An AOS that is based on a liquid crystal (LC) benefits from the LC’s high correction precision, thus the reconstruction error can be ignored. The primary error will be induced by the time lag from the time of detection to the time of compensation. In this paper, some theoretical simulations are introduced in order to evaluate the correction precision of AOS with an LC corrector. The main purpose is to compare the correction precision between the open-loop and closed-loop control. We attempt to find a method to ascertain the exact precision of the open-loop control and show whether it improves the correction precision. The conclusion is thus reached that the actual error rejection bandwidth for the closed-loop was lower than the −3 dB error rejection bandwidth measured in practice. The increased refresh frequency of the open-loop control can improve the imaging performance to nearly −3 dB bandwidth of the detector measured, which is the maximum possible bandwidth due to the time lag.     

Adaptive-optics ultrahigh-resolution optical coherence tomography

Merging of ultrahigh-resolution optical coherence tomography (UHR OCT) and adaptive optics (AO), resulting in high axial (3 microm) and improved transverse resolution (5-10 microm) is demonstrated for the first time to our knowledge in in vivo retinal imaging. A compact (300 mm x 300 mm) closed-loop AO system, based on a real-time Hartmann-Shack wave-front sensor operating at 30 Hz and a 37-actuator membrane deformable mirror, is interfaced to an UHR OCT system, based on a commercial OCT instrument, employing a compact Ti:sapphire laser with 130-nm bandwidth. Closed-loop correction of both ocular and system aberrations results in a residual uncorrected wave-front rms of 0.1 microm for a 3.68-mm pupil diameter. When this level of correction is achieved, OCT images are obtained under a static mirror configuration. By use of AO, an improvement of the transverse resolution of two to three times, compared with UHR OCT systems used so far, is obtained. A significant signal-to-noise ratio improvement of up to 9 dB in corrected compared with uncorrected OCT tomograms is also achieved.