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可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究

徐新行 李高生 谢兵 韩旭东

徐新行, 李高生, 谢兵, 韩旭东. 可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 342-353. doi: 10.37188/CO.2023-0077
引用本文: 徐新行, 李高生, 谢兵, 韩旭东. 可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 342-353. doi: 10.37188/CO.2023-0077
XU Xin-hang, LI Gao-sheng, XIE Bing, HAN Xu-dong. Multi-channel laser beam combining and closed-loop correction technology in visible light band[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 342-353. doi: 10.37188/CO.2023-0077
Citation: XU Xin-hang, LI Gao-sheng, XIE Bing, HAN Xu-dong. Multi-channel laser beam combining and closed-loop correction technology in visible light band[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 342-353. doi: 10.37188/CO.2023-0077

可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究

doi: 10.37188/CO.2023-0077
基金项目: 吉林省科技发展计划资助项目(No. 20180520185JH)
详细信息
    作者简介:

    徐新行(1983—),男,河南周口人,博士,副研究员,2015年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光束控制、光电转台及光电编码器的研究工作。E-mail:xxh123321xxh@163.com

    李高生(1996—),男,河南项城人,硕士,2023年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位,主要从事光学加工和激光合束系统的研究。E-mail:ligaos182@163.com

  • 中图分类号: TP394.1

Multi-channel laser beam combining and closed-loop correction technology in visible light band

Funds: Supported by Science and Technology Development Plan Funded Projects of Jilin Province (No. 20180520185JH)
More Information
  • 摘要:

    为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正,设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先,根据系统的应用需求,提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后,在合束方案的基础上,建立了合束系统的光束控制模型,并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测,并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算;进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后,采用两路不同波长的激光束,配合光束监测与调节装置,搭建了闭环合束模拟实验平台,对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明:在长时间的工作过程中,两路激光均实现了与基准光路的精密合束,合束指向精度优于±7 μrad,位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势,而且可实现激光束的周期性闭环校正,能够有效保证合束激光的长期工作稳定性。

     

  • 图 1  激光合束及闭环校正系统整体布局

    Figure 1.  Overall layout of laser beam combining and closed-loop correction system

    图 2  两维摆镜光束指向调节示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of beam pointing adjustment by two-dimensional oscillating mirror

    图 3  光束指向调节示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of beam pointing adjustment

    图 4  光束位置调节原理示意图

    Figure 4.  Principle diagram of beam position adjustment

    图 5  光束左右位置调节示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of beam left and right position adjustment

    图 6  左右位置调节装置实物

    Figure 6.  Physical photo of left-right adjusting device

    图 7  光束高低位置调节示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of beam high and low position adjustment

    图 8  高低位置调节装置原理和实物

    Figure 8.  Principle and physical map of beam high-low position adjusting device

    图 9  合束系统模拟实验装置

    Figure 9.  Simulation experiment setup of beam combining system

    图 10  光束1周期性闭环合束指向偏差实时监测数据

    Figure 10.  Real-time monitoring data of beam 1 periodically closed-loop beam pointing deviation

    图 11  光束1周期性闭环合束位置偏差实时监测数据

    Figure 11.  Real-time monitoring data of beam 1 periodically closed-loop beam combining position deviation

    图 12  光束2周期性闭环合束指向偏差实时监测数据

    Figure 12.  Real-time monitoring data of beam 2 periodic closed-loop beam combining pointing deviation

    图 13  光束2周期性闭环合束位置偏差实时监测数据

    Figure 13.  Real-time monitoring data of beam 2 periodic closed-loop beam combining position deviation

    图 14  监测装置监测精度实验检测

    Figure 14.  Monitoring accuracy test for monitoring device

    图 15  合束系统光束调节部分的光路图

    Figure 15.  Optical path diagram of the beam adjustment section of the beam combining system

    表  1  激光合束系统设计要求

    Table  1.   Design requirements for beam combining system

    Items Requirement
    Wavelength/nm 400~900
    Aperture/mm ≥Φ40
    Precision of directio/μrad ±20
    Precision of positional/mm ±1
    Direction correction range/μrad θx≥±600; θy≥±600
    Positional correction range/mm ≥±7.5
    下载: 导出CSV

    表  2  指向调节仿真实验数据(单位:μrad)

    Table  2.   Pointing adjustment simulation experiment data

    方位
    偏差δy
    俯仰
    偏差δx
    方位
    控制量α
    俯仰
    控制量β
    δy与2α
    差值
    δx与$ \sqrt{2}\beta $
    差值
    −1500 0 −749.886 0 −0.228 0
    −1000 0 −499.992 0 −0.016 0
    −500 0 −249.959 0 −0.082 0
    500 0 249.958 0 0.084 0
    1000 0 499.922 0 0.156 0
    1500 0 749.886 0 0.228 0
    0 −1500 0 −1060.652 0 −0.012
    0 −1000 0 −707.099 0 −0.011
    0 −500 0 −353.546 0 −0.010
    0 0 0 0 0 0
    0 500 0 353.546 0 0.010
    0 1000 0 707.099 0 0.011
    0 1500 0 1060.652 0 0.011
    250 250 124.982 176.790 0.036 −0.019
    500 500 249.930 353.630 0.140 −0.108
    1000 1000 499.740 707.450 0.520 −0.485
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    表  3  左右位置调节仿真实验数据

    Table  3.   Simulation experiment data of left and right position adjustment

    输入输出参数 数值
    左右控制量(mm) 0.1 1 2 3 4 6 8 10
    坐标变化量$ \Delta x $(μm) 0.224 2.249 3.699 5.249 6.598 7.499 8.899 10.512
    坐标变化量$ \Delta y $(mm) 0.099 0.999 1.997 2.995 3.994 5.991 7.988 9.985
    下载: 导出CSV

    表  4  高低位置调节仿真实验数据

    Table  4.   Simulated experimental data for high and low position adjustment

    调节参数 数值
    高低位置控制量(mm) 0.1 1 2 3 4 6 8 10
    坐标变化量$ \Delta x $(mm) 0.100 1.002 2.002 3.004 4.005 6.009 8.011 10.017
    坐标变化量$ \Delta y $(μm) −0.300 −3.124 −6.125 −9.253 −9.527 −10.836 −11.259 −12.452
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-04
  • 修回日期:  2023-06-08
  • 网络出版日期:  2023-09-14

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