高精度激光光束準直系統設計

朱 凡，李穎先，譚久彬

(哈爾濱工業大學 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可以獲得非常高的直線運動精度，如目前用于大型光學鏡面面形測量的納米輪廓儀中，應用激光束作為直線基準達到了60 nm/1 m的直線運動精度[1-2]。但是應用激光束作為直線基準普遍存在光束方向漂移的問題[3-8]，漂移嚴重影響了激光光束的準直精度，在應用中必須加以解決。

在實驗室環境下，幾米的短距離內激光光束方向漂移主要包括激光器諧振腔熱變形導致的漂移以及傳輸路徑中空氣擾動造成的漂移，導致激光光束的準直精度僅能達到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，雙光束補償準直法、相位板法等能夠達到10-6rad的準直精度[9]，采用閉環反饋法抑制激光光束漂移能夠取得非常好的效果，能夠達到5×10-7rad的準直精度[5]，尤其是將激光束的平漂與角漂分離后分別加以控制，達到了7×10-8rad的準直精度[4-5]。對激光光束方向漂移進行閉環反饋控制時，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行精度與頻率響應速度。

對于漂移量的檢測，本課題組已實現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，有待進一步改進。

對于漂移量控制單元，其作用是利用光束穩定器實現光束的平移或角度偏轉。光束的平移可以采用壓電陶瓷直接驅動反射鏡平移來實現[4-5]，光束平移精度與響應速度直接取決于所使用壓電陶瓷的位移輸出精度與響應速度，而目前高性能壓電陶瓷可以達到亞納米量級超高位移分辨力以及數千赫茲的高頻率響應速度[14]。對于光束的角度偏轉，目前已有較多的光束偏轉裝置，廣泛應用于空間光通信、瞄準與跟蹤等。常見的光束偏轉裝置為機械式[15-20]，采用萬向支架結構或柔性偏轉結構實現反射鏡的角度偏轉，以實現出射光束的方向控制，通常具有體積較大、響應速度較慢的缺點，其光束偏轉精度由驅動器的位移分辨力與驅動點到偏轉軸的距離的比值決定，驅動器的位移分辨力可以達到亞納米級，驅動點到偏轉軸的距離越大則機構的轉角分辨力越高，但機構的體積和質量會增大，導致轉動慣量增大使得系統響應速度變慢。其他一些常見的光束偏轉裝置有聲光偏轉器[21-22]、電光偏轉器[23-24]、液晶空間光偏轉器[25-27]，一些新型的光束偏轉裝置如偏心透鏡法[28]、旋轉棱鏡法[28]、微透鏡陣列法[29-31]、電潤濕法[32-33]等，在體積、響應時間、偏轉角等方面均有不同程度的發展。但這些光束偏轉方法仍有待于進一步的改進，以滿足高精度激光直線基準應用中對激光光束方向漂移在小范圍內的精確快速控制需求。

為了進一步提高激光光束的準直精度，本文建立了一套高精度激光光束準直系統。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定器，利用反射鏡平動實現激光光束的高靈敏度與高頻響角度偏轉；并提出一種兩點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直線，實現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行高精度閉環控制，達到提高激光光束準直精度的目的。

2 工作原理

激光光束準直系統原理圖如圖1所示。其中，激光光源采用的是帶單模光纖耦合的半導體激光器，半導體激光器發出的激光耦合進入單模光纖，由單模光纖及光纖準直鏡出射的準直激光光束沿x正向傳輸，由聚焦透鏡會聚，由反射鏡FM1將其傳輸方向轉換為z正向，依次經過平動反射鏡TM1與壓電陶瓷PZT1組成的垂直方向光束角度偏轉單元將光束方向轉換為y正向、由反射鏡FM2將光束方向轉換為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單元將光束方向轉換為x負向，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)傳輸方向進行角度偏轉，抑制激光光束的角漂；然后光束經過準直透鏡，由會聚光束重新成為準直平行光束，依次經過平動反射鏡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換為z正向、反射鏡FM3將光束方向轉換為y負向、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)傳輸方向進行位置平移，抑制激光光束的平漂。QPD 1與QPD 2用于檢測經過角漂和平漂抑制后激光光束的準直精度。QPD 1與QPD 2的中心連線可以作為一條虛擬直線基準，將激光光束的方向矢量與該虛擬直線基準進行比較，從而分離出激光光束的角漂量與平漂量，反饋給光束穩定器實現對激光光束方向的閉環控制。激光光束的角漂和平漂得到抑制后，大幅提高了方向穩定性，從而提高了其準直精度。

圖1 激光光束準直系統原理圖.Fig.1 Schematic diagram of laser beam collimation system

3 單元設計

3.1 基于反射鏡平動的光束穩定器

采用閉環反饋的激光光束準直系統中，光束穩定器是實現光束方向偏轉與位置平移的執行器件。本文提出的光束穩定器中，光束角度偏轉采用兩個共焦放置的透鏡以及壓電陶瓷與平動反射鏡構成的平移鏡組來實現。如圖2(a)所示，聚焦透鏡的后焦面與準直透鏡的前焦面重合，構成無焦系統。入射的準直光束經過聚焦透鏡會聚后，再經準直透鏡重新成為準直光束出射。如果經聚焦透鏡會聚后的光束中心軸線相對于準直透鏡的光軸有偏離，根據幾何光學原理，該光束經準直透鏡后的出射方向將發生角度偏轉，如圖2(b)所示。

圖2 共焦透鏡實現光束角度偏轉Fig.2 Beam deflection realized by confocal lens

出射光束的偏轉角θ可以由準直透鏡的焦距f2與平移鏡組對光束經聚焦透鏡后聚焦點平移的距離d來確定：

θ=arctan(d/f2).

(1)

通過精確控制經聚焦透鏡聚焦后的光束中心軸線相對于準直透鏡光軸的偏離量，可以實現出射光束方向的精確控制。要達到這一點，一種實現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直透鏡[23]。本文根據激光光束準直領域中對激光光束在微小角度范圍內達到非常高的角度偏轉精度的要求，利用壓電陶瓷驅動的平移鏡組，直接在垂直于光軸方向上平移經聚焦透鏡會聚后的光束聚焦點位置。

如圖3(a)所示，在兩個共焦放置的透鏡之間設置一組平移鏡組，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，由壓電陶瓷驅動，實現對光束聚焦點的平移，從而實現對出射光束的角度偏轉。如圖3(b)所示，該光束穩定器中，出射光束角度偏轉量θ由平移鏡組中壓電陶瓷驅動反射鏡的平移量Δ和準直透鏡的焦距f2表示為：

(2)

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

圖3 基于反射鏡平動的光束角度偏轉方法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位置進行平移時，光束聚焦點的運動軌跡與光軸方向呈45°角，在光束偏轉過程中光束聚焦點相對于準直物鏡焦面產生離焦，進而影響到出射光束的平行性。該光束平行性變化，將導致后續光束漂移檢測單元中QPD接收到的光斑尺寸與光強分布發生變化，從而影響到QPD對光束漂移量的檢測靈敏度。如圖3(b)所示，光束聚焦點離焦量df與壓電陶瓷驅動反射鏡的平移量Δ之間的關系可以表示為：

(3)

如圖4(a)所示，假設在未離焦的情況下出射光束直徑為D，當存在離焦時準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)

根據式(4)和式(5)可以計算出，當壓電陶瓷最大輸出位移量為12 μm、準直透鏡焦距為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 光束偏轉器中離焦導致光束直徑變化Fig.4 Variation of beam diameter due to defocus in stabilizer

以上基于反射鏡平動的光束穩定器中，光束的角度偏轉由壓電陶瓷驅動其位移輸出端固定的平面反射鏡來實現，具有高位移靈敏度和小運動慣量的特點。相對于傳統的壓電陶瓷驅動反射鏡偏轉實現光束角度偏轉的方式，該光束穩定器理論上可以獲得更高的光束角度偏轉靈敏度和頻率響應速度。

3.2 兩點式光束漂移分離法

激光光束方向漂移量的精確探測與分離，是實現漂移量閉環反饋控制的基礎。在本設計中，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行布置，如圖5所示。

圖5 兩點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直線，將激光光束的方向矢量與該虛擬基準直線相比較，實現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，均被反饋至光束穩定器中實現閉環控制。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所示系統中，反饋單元根據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行閉環控制；同時，反饋單元根據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行閉環控制。最終得到的激光光束準直精度，是系統對激光光束的角漂量和平漂量進行綜合抑制后的結果。

4 實驗測試與結果

4.1 光束偏轉分辨力與偏轉范圍

對基于反射鏡平動的光束穩定器的光束偏轉分辨力和偏轉范圍進行測試，實驗裝置如圖6所示。測試裝置采用兩個正交放置的平移鏡組實現二維方向光束偏轉；兩個QPD間距200 mm，沿出射激光光束布置，用于監測激光光束方向偏移。

圖6 光束穩定器的光束偏轉分辨力和偏轉范圍測試裝置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QPD的輸出結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分布，因此這里直接將QPD安裝于測試裝置光路中進行在線測試。如圖6(a)所示，將QPD安裝于精密位移臺上，激光光源預熱時間足夠長，并且光束穩定器固定不動。精密位移臺帶動QPD進行小位移步進，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。當精密位移臺帶動QPD進行2 nm和1 nm步進時，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對于平漂量進行檢測時，平漂量僅體現為光斑相對于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。根據圖7(b)可以得出，本實驗中QPD對激光光束平漂量的檢測分辨力可以達到1 nm。

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

將兩QPD固定，壓電陶瓷驅動反射鏡以1 nm步進量平移，同時采集QPD的輸出，以測試光束穩定器的光束角度偏轉分辨力。測試結果如圖8所示。

圖8 所提出的光束穩定器的光束偏轉分辨力測試結果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

本文中光束穩定器采用壓電陶瓷驅動反射鏡平移實現光束角度偏轉。壓電陶瓷的非線性響應以及遲滯特性將顯著影響光束穩定器的輸出精度，尤其是當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行測試，測試裝置如圖9(a)所示。壓電陶瓷電源在-600～600 V內輸出電壓，驅動壓電陶瓷產生位移。從圖9(b)測試結果可以看出，壓電陶瓷全行程±6 μm內輸出正向和負向位移時的非線性分別為3.36%和5.37%，相應的最大光束角度偏轉誤差為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，由此導致的光束穩定器的輸出遲滯量為10.35 μrad。由此可見，當光束穩定器工作于開環狀態時，壓電陶瓷的非線性響應和遲滯特性會顯著影響光束穩定器的輸出特性，因此應采用閉環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成局部閉環，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果Fig.9 Test results of displacement output charateristics of PZT

4.3 光束穩定器頻響特性

本文光束穩定器中，光束偏轉通過直接驅動粘貼于壓電陶瓷位移輸出端的反射鏡來實現，其頻率響應特性也可以采用圖9(a)所示裝置進行測試。測試過程中，信號發生器產生某一頻率的正弦信號，輸入至壓電陶瓷電源，驅動壓電陶瓷輸出正弦位移，該位移量由電容傳感器監測，并與信號發生器產生的正弦信號進行比較，從而得到壓電陶瓷的幅頻特性和相頻特性。測試結果如圖10所示，可以看出，該光束穩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果Fig.10 Test results of displacement output of PZT

4.4 激光光束準直精度測試

在以上各單元測試基礎上，按圖1所示激光光束準直系統原理圖，組建了激光光束準直系統實驗裝置，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直效果，測試過程在恒溫、隔振的潔凈間環境中進行。測試結果如圖11(b)和11(c)所示，采用閉環控制后，500 mm位置處激光光束的準直精度在二維方向上2 h內分別可以達到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定器和兩點式光束方向漂移分離法，實現了高精度激光光束準直。

5 結 論

本文根據目前激光光束用作直線基準的高精度需求，提出基于反射鏡平動的光束穩定器和兩點式光束漂移分離法，實現對激光光束方向漂移的高精度閉環控制。對該激光光束準直系統的組成及主要單元模塊的設計進行了介紹，并對該系統的激光光束準直精度進行了測試。實驗結果表明：該激光光束準直系統在二維方向上2 h準直精度分別達到1.9×10-8rad和2.1×10-8rad，相對于現有技術約提高了3倍，大幅提高了激光光束的準直精度，滿足激光光束用作高精度直線基準的需求。