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多波长激光合束系统中光束监测装置的设计

陈昌博  
【摘要】:近年来,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。各领域如材料加工、激光熔覆等对高功率、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、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。如何获得具有高功率、宽波长的激光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。波长合束可以对较宽波段范围内的多路激光进行合束,而且结构较为简单,因此其使用较为广泛。但是在激光波长合束中,影响合束质量的因素较多,特别是在车载等特殊环境中,由于振动等外部因素的影响,以及一些其他因素如气体热效应、导光镜组件的稳定性、自动校正机构的精度和分辨率等会导致合束效果较差。因此为了提高激光波长合束的质量与合束效率,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,这对激光波长合束效果的提升有非常重要的意义。本文主要是对波长合束的监测系统进行设计,其中包括对整个装置的整体布局、指向监测系统、位置监测系统和光斑中心定位算法等进行了设计研究。整个监测装置采用的是“漏光法”,即利用合光束经主导光镜反射后,透过的极小一部分光作为被监测光束进入到监测系统中,各个波长的光束会在光电探测器上形成光斑。通过对不同波长光束的光斑的中心位置进行定位,可以为光束校正装置(如:快速反射镜)的调整提供依据。根据设计要求,系统对合束激光的指向与位置重合度均有严格的要求。因此,根据整个装置所要完成的功能,整个光束监测系统包括两个小系统:指向监测系统和位置监测系统。指向监测系统用来监测激光光束相互之间倾斜的角度,位置监测系统用来监测激光光束之间位置的差异。计算得出倾斜角度和位置偏差后,可以通过控制快速反射镜进行补偿,进而减小合束偏差,提高合束精度。另外还要加入衰减系统和选通系统,衰减系统可以防止激光束的功率过高对镜片或光电探测器造成损伤,影响监测结果;选通系统可以对不同波长的激光进行选通,进而实现对不同波长的光束的监测。所以,对整个监测装置的设计,主要分为四个功能模块:指向监测系统、位置监测系统、衰减系统和选通系统。本文中还对反射镜的平移以及转动对光路的影响进行了数学分析,通过理论计算,得出了当反射镜发生平移和转动时,会对光路的位置和指向造成较大影响的结论。文中根据设计指标要求,分别对指向监测系统和位置监测系统进行光学设计和结构设计。利用光学设计软件仿真设计了一个15倍的色差较小的缩束系统,使激光束能全部打到光电探测器上从而完成对光束位置的监测。同样,利用光学软件仿真设计了一个焦距为1m的像差符合要求的聚焦系统,利用聚焦系统的焦距和光斑中心的坐标进而可以计算出激光束发生的偏转角度。然后分别在缩束系统和聚焦系统的基础上,对系统的箱体、镜座以及物镜筒进行设计,进而得到指向和位置监测系统。还对两个系统的支撑体——箱体进行了轻量化设计,在箱体上设计了减重槽,然后使用workbench对箱体进行有限元仿真优化,确定了减重槽的槽深,进行了模态分析和谐响应分析,使箱体能够同时兼顾轻量化、较高的共振频率、较小的变形,从而保证了监测装置的工作稳定性与可靠性。除了光学设计与结构刚度会对监测精度造成影响,光斑中心定位也会对系统的监测精度造成较大的影响,因此,还要对光斑中心定位算法进行研究。文中利用MATLAB软件对几种常用的光斑中心定位算法进行仿真、优化,分别得到了50组仿真数据,通过对仿真数据处理、对比和分析后,最后选定了灰度质心法来提取光斑的中心。最后,在完成合束激光监测系统的精密加工装调后,分别对指向单元的焦距、位置监测单元的缩束倍率进行了实验验证,结果显示:焦距为1002mm,缩束倍数为15.6,与设计目标相近,满足了系统的要求。对系统的指向和位置的监测精度等进行了实验检测,结果显示:所设计的合束激光监测系统的指向与位置监测精度分别为1.4"和0.1mm,满足设计指标要求。最后对合束精度进行了实验,得到合束的位差为1.8mm,角差为9μrad,说明本监测装置在合束中有积极的作用。


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