基于散焦光栅的光束自适应稳定对准技术研究

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激光光束由于其良好的方向性、高亮度及高稳定性等优点,已被广泛应用于超精细加工、激光医学、激光照排等领域。但激光在产生和发射的过程中受到光腔形态变化、镜面热变形及大气湍流扰动等影响会产生漂移,主要表现为光束的平行漂移(平漂)、角度漂移(角漂)及随机漂移,其量级一般在10-4~10-6rad,这一弱点限制了激光应用效果的提升。为抑制光束抖动、提高光束稳定精度,采用光束自适应稳定对准系统是主要的手段之一。传统的光束自适应稳定对准系统主要解决了光束角漂的问题,结构较为复杂、安装精度要求高,实时性低。本文对基于散焦光栅测量光束漂移量的方法进行深入研究,旨在验证该方法用于光束漂移量校正技术的可行性,为光瞳光轴的自适应对准提供了一种途径。论文的主要工作如下:(1)基于惠更斯-菲涅耳衍射原理和散焦光栅成像机理,建立正、负一级衍射光斑位置变化与光束漂移之间的对应关系。(2)根据光束通过散焦光栅和短焦透镜组合、在短焦透镜焦平面成像的过程,利用MATLAB软件建立了光束传输模型。仿真分析了散焦光栅关键参数与可测量的最大漂移量幅值的关系;结合实验室条件,初步确定了一组实验系统最优设计参数。(3)依据漂移量测量原理,制定了光束稳定对准方案,阐述了系统各模块的工作原理和技术指标,重点分析并解决了实现系统闭环所需的关键技术。介绍了实验布局及实验模式,分析了系统的基本特征,给出了主要的实验结果,验证了该光束稳定控制方案的可行性。结果表明该实验系统实时有效地校正了光束静态漂移和具有一定频率和幅值的准静态漂移,闭环后平漂残差为0.1mm,角漂残差约12"。
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