一种低重频激光自准直装置及其准直方法

本发明涉及激光领域，具体涉及一种低重频激光自准直装置及其准直方法。

背景技术：

激光自上世纪六十年代发明至今，已被大量应用在各个领域。为了提高激光的应用效率，希望激光能够长期准确地辐照在应用终端。然而由于激光自身具有指向稳定性问题，以及应用终端出环境恶劣情况，导致应用终端相对激光有抖动，因此，激光很难长期准确地辐照在应用终端。针对此，目前已有自准直系统，即通过自动控制系统矫正激光指向性，使激光能够长期稳定地辐照到应用终端上。

现有的自准直系统是通过一对自动控制的镜片以及各自对应的探测器组成。要完成自准直功能，需要探测器实时测量激光指向性，通过激光实时数据与预期调试目标进行比较后，将误差反馈给自动控制的镜片，调节镜片的角度实现激光指向性的校正。因此这样的自动控制系统需要激光具有一定重复频率，通常在hz量级以上。

然而在很多应用中，激光是单发的，并非重频激光，这样的自准直系统无法实现激光指向性的校正。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种低重频激光自准直装置及其准直方法。

本发明的一个目的在于提出一种低重频激光自准直装置，为自准直系统提供激光指向性校正。

自准直系统包括第一自动控制镜片、第二自动控制镜片、反射镜片、分束片、第一探测器和第二探测器；其中，第一自动控制镜片和第二自动控制镜片均为反射镜，激光器发出的激光分别经第一自动控制镜片和第二自动镜片反射后输到应用终端；在应用终端前设置反射镜片，将经第一自动控制镜片和第二自动镜片反射后的激光反射至分束片，经分束片后激光被分成两路，其中一路被第一探测器接收，另一路经过聚焦透镜被第二探测器接收；分别在第一探测器和第二探测器上设定目标位置；第一探测器实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第一自动控制镜片，使第一探测器得到的光斑的探测位置接近目标位置；第二探测器实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第二自动控制镜片，使第二探测器得到的光斑的探测位置接近目标位置；通过反复调节第一和第二自动控制镜片，使得探测位置与目标位置的差距小于设定的数值；记录此时的第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1。

本发明的低重频激光自准直装置包括：参考光系统和自准直调节元件；低重频激光自准直装置包括两个阶段：参考光定位阶段和自准直调节阶段；

参考光定位阶段：在自准直系统的激光器与第一自动控制镜片之间置入参考光系统；参考光系统包括宽带光源、色散元件以及参考光置入反射镜系统；其中，宽带光源的光谱范围大于激光器的激光光谱带宽，从光谱上看，宽带光源的光谱短波截止波长比激光器的激光光谱短波截止波长短，宽带光源的光谱长波截止波长比激光器的激光光谱长波截止波长长；色散元件的作用是将宽带光源光谱在空间上分开，扩大激光光斑，从色散元件输出的光是平行光束，光谱随空间位置不同而变化，扩束后的激光为参考光，参考光光束光谱在空间上展开的方向称为x方向；参考光置入反射镜系统包括至少一片导光反射镜，该导光反射镜是参考光置入反射镜系统的最后一块导光反射镜，放置在激光器输出的激光到第一自动控制镜片的光路上；宽带光源发出宽带的参考光经过色散元件将光在空间上扩束后，经参考光置入反射镜系统反射到第一自动控制镜片和第二自动控制镜片上，通过参考光置入反射镜系统使扩束后的参考光与激光器输出的激光同轴同向，此时参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置与激光器输出的激光在第一探测器和第二探测器上的光斑的初始位置相同，即第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

自准直调节阶段：在得到参考光的光斑的初始位置数据后，在自准直系统加入自准直调节元件，自准直调节元件包括挡光件、第一小尺寸镜片和第二小尺寸镜片；其中，在色散元件输出处放置一挡光件，挡光件的尺寸大于色散元件输出的平行光束的尺寸，挡光件从垂直于光束传输方向置入光路中，即挡光件从光束外沿着x方向置入光路中，保证挡光件将参考光中与激光器输出的激光光谱相同部分遮挡；由于挡光件的尺寸大于平行光光束尺寸，因此挡光件还能够完全遮挡参考光中超出激光器输出光谱中一侧的光谱，仅剩下参考光中超出激光器输出光谱中的另一侧光谱；置入挡光件后剩下的参考光的光斑尺寸极大减小，记录剩下的参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；用第一小尺寸镜片将上述参考光置入反射镜系统中的最后一块导光反射镜换下，第一小尺寸镜片放置在所述最后一块导光反射镜的位置处，且第一小尺寸镜片置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到第一自动控制镜片；通过调节参考光置入反射镜系统将剩下的参考光调节到与利用所述最后一块导光反射镜反射的参考光同轴同向，即调节参考光置入反射镜系统使第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；进一步将反射镜片更换为第二小尺寸镜片，第二小尺寸镜片放置在反射镜片的原来位置处，且第二小尺寸镜片仅反射剩下的参考光，即第二小尺寸镜片置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到应用终端处；通过第二小尺寸镜片将剩下的参考光调节到与利用所述反射镜片反射的参考光同轴同向，即调节第二小尺寸镜片使第一探测器和第二探测器的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2，此时激光器输出的激光到达应用终端时，剩下的参考光也能够到达第一探测器和第二探测器；

在激光应用过程中，通过观察剩下的参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据来调节第一自动控制镜片和第二自动控制镜片，使参考光指向性实时控制，且参考光的传输不影响激光器输出的激光传输，因此当需要使用激光到应用终端时，能够矫正因传输过程以及终端的不稳定性带来的激光偏离；并且由于自准直系统的准直数据来自于参考光，因此不受激光重频限制。

为了保证参考光能全光谱传输到第一和第二探测器上，除了参考光系统镜片的尺寸能全部反射参考光外，自准直系统以及自准直系统到探测器之间的所有镜片尺寸能全部反射参考光。

色散元件采用一对棱镜，或者一对光栅。

第二探测器采用电荷耦合器件ccd相机；第一探测器包括屏和ccd相机，光照射在屏上，ccd相机测量屏。

探测位置与目标位置的差距小于设定的数值，设定的数值为1～10个探测像素。

本发明的另一个目的在于提出一种低重频激光自准直的控制方法。

本发明的低重频激光自准直装置的控制方法，包括以下步骤：

一、自准直系统工作

1)激光器发出的激光分别经第一自动控制镜片和第二自动镜片反射后输到应用终端；

在应用终端前设置反射镜片，将经第一自动控制镜片和第二自动镜片反射后的激光反射至分束片，经分束片后激光被分成两路，其中一路被第一探测器接收，另一路经过聚焦透镜被第二探测器接收；

2)分别在第一探测器和第二探测器上设定目标位置；

3)第一探测器实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第一自动控制镜片，使第一探测器得到的光斑的探测位置接近目标位置；

4)第二探测器实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第二自动控制镜片，使第二探测器得到的光斑的探测位置接近目标位置；

5)通过重复步骤3)和4)，反复调节第一和第二自动控制镜片，使得探测位置与目标位置的差距小于设定的数值；记录此时的第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

二、参考光定位阶段

1)提供宽带光源，宽带光源的光谱范围大于激光器的激光光谱带宽；

2)宽带光经过色散元件，将宽带光源光谱在空间上分开，扩大激光光斑，从色散元件输出的光是平行光束，光谱随空间位置不同而变化，扩束后的激光为参考光，参考光光束光谱在空间上展开的方向称为x方向；

3)参考光置入反射镜系统包括至少一片导光反射镜，该导光反射镜是参考光置入反射镜系统的最后一块导光反射镜，放置在激光器输出的激光到第一自动控制镜片的光路上；宽带光源发出宽带的参考光经过色散元件将光在空间上扩束后，经参考光置入反射镜系统反射到第一自动控制镜片和第二自动控制镜片上，通过参考光置入反射镜系统使扩束后的参考光与激光器输出的激光同轴同向，即参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置与激光器输出的激光在第一探测器和第二探测器上的光斑的初始位置相同，即第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

三、自准直调节阶段

1)在得到参考光的光斑的初始位置数据后，在色散元件输出处放置一挡光件，挡光件的尺寸大于色散元件输出的平行光束的尺寸，挡光件从垂直于光束传输方向置入光路中，即挡光件从光束外沿着x方向置入光路中，保证挡光件将参考光中与激光器输出的激光光谱相同部分遮挡；由于挡光件的尺寸大于平行光光束尺寸，因此挡光件还能够完全遮挡参考光中超出激光器输出光谱中一侧的光谱，仅剩下参考光中超出激光器输出光谱中的另一侧光谱；置入挡光件后剩下的参考光的光斑尺寸极大减小，记录剩下的参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；

2)用第一小尺寸镜片将上述参考光置入反射镜系统中的最后一块导光反射镜换下，第一小尺寸镜片放置在所述最后一块导光反射镜位置处，且第一小尺寸镜片置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到第一自动控制镜片；

3)通过调节参考光置入反射镜系统将剩下的参考光调节到与利用所述最后一块导光反射镜反射的参考光同轴同向，即调节参考光置入反射镜系统使第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；

4)进一步将反射镜片更换为第二小尺寸镜片，第二小尺寸镜片放置在反射镜片的原来位置处，且第二小尺寸镜片仅反射剩下的参考光，即第二小尺寸镜片置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到应用终端处；通过第二小尺寸镜片将剩下的参考光调节到与利用所述反射镜片反射的参考光同轴同向，即调节第二小尺寸镜片使第一探测器和第二探测器的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2，此时激光器输出的激光到达应用终端时，参考光也能够到达第一探测器和第二探测器；

四、激光应用过程

通过观察剩下的参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据来调节第一自动控制镜片和第二自动控制镜片，使参考光指向性实时控制，且参考光的传输不影响激光器输出的激光传输，因此当需要使用激光到应用终端时，能够矫正因传输过程以及终端的不稳定性带来的激光偏离；并且由于自准直系统的准直数据来自于参考光，因此不受激光重频限制。

其中，在步骤一中，设定的数值为1～10个探测像素。

本发明的优点：

本发明在自准直系统的激光器与第一自动控制镜片之间置入参考光系统，在得到参考光的光斑的初始位置数据后，在自准直系统加入自准直调节元件；通过观察剩下的参考光在第一探测器和第二探测器上的光斑位置数据来调节第一自动控制镜片和第二自动控制镜片，使参考光指向性实时控制，且参考光的传输不影响激光器输出的激光传输，因此当需要使用激光到应用终端时，能够矫正因传输过程以及终端的不稳定性带来的激光偏离；并且由于自准直系统的准直数据来自于参考光，因此不受激光重频限制。

附图说明

图1为自准直系统的示意图；

图2为本发明的低重频激光自准直装置的参考光定位阶段的光路图；

图3为本发明的低重频激光自准直装置的自准直调节阶段的光路图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，自准直系统包括第一自动控制镜片acm1、第二自动控制镜片acm2、反射镜片rm、分束片bs、第一探测器d1和第二探测器d2；其中，第一自动控制镜片acm1和第二自动控制镜片acm2均为反射镜，激光器l发出的激光分别经第一自动控制镜片acm1和第二自动镜片反射后输到应用终端af；在应用终端前设置反射镜片rm，将经第一自动控制镜片acm1和第二自动镜片反射后的激光反射至分束片bs，经分束片bs后激光被分成两路，其中一路被第一探测器d1接收，另一路经过聚焦透镜被第二探测器d2接收；分别在第一探测器d1和第二探测器d2上设定目标位置；第一探测器d1实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第一自动控制镜片acm1，使第一探测器d1得到的光斑的探测位置接近目标位置；第二探测器d2实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第二自动控制镜片acm2，使第二探测器d2得到的光斑的探测位置接近目标位置；通过反复调节第一和第二自动控制镜片acm2，使得探测位置与目标位置的差距小于设定的数值，设定的数值为1～10个探测像素；记录此时的第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1。

本实施例的低重频激光自准直装置包括：参考光系统rs和自准直调节元件；低重频激光自准直装置包括两个阶段：参考光定位阶段和自准直调节阶段；

如图2所示，参考光定位阶段：在自准直系统的激光器与第一自动控制镜片acm1之间置入参考光系统；参考光系统包括宽带光源ws、色散元件de以及参考光置入反射镜系统rirs；其中，宽带光源ws的光谱范围大于激光器的激光光谱带宽，从光谱上看，宽带光源ws的光谱短波截止波长比激光器的激光光谱短波截止波长短，宽带光源ws的光谱长波截止波长比激光器的激光光谱长波截止波长长；色散元件de的作用是将宽带光源ws光谱在空间上分开，扩大激光光斑，从色散元件de输出的光是平行光束，光谱随空间位置不同而变化，扩束后的激光为参考光；参考光置入反射镜系统rirs包括至少一片导光反射镜，该导光反射镜是参考光置入反射镜系统rirs的最后一块导光反射镜，放置在激光器输出的激光到第一自动控制镜片acm1的光路上；宽带光源ws发出宽带的参考光经过色散元件de将光在空间上扩束后，经参考光置入反射镜系统rirs反射到第一自动控制镜片acm1和第二自动控制镜片acm2上，通过参考光置入反射镜系统rirs使扩束后的参考光与激光器输出的激光同轴同向，即参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置与激光器输出的激光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑的初始位置相同，即第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

如图3所示，自准直调节阶段：在得到参考光的光斑的初始位置数据后，在自准直系统加入自准直调节元件，自准直调节元件包括挡光件lo、第一小尺寸镜片sm1和第二小尺寸镜片sm2；其中，在色散元件de输出处放置一挡光件lo，挡光件lo的尺寸大于色散元件de输出的平行光束的尺寸，挡光件lo从垂直于光束传输方向置入光路中，首先将参考光中与激光器输出的激光光谱相同部分遮挡；此外，由于挡光件lo的尺寸大于平行光光束尺寸，因此挡光件lo能够遮挡参考光中超出激光器输出光谱中一侧的光谱，此时剩下参考光中超出激光器输出光谱中的另一侧光谱；置入挡光件lo后剩下的参考光的光斑尺寸极大减小，记录剩下的参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置，即第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；用第一小尺寸镜片sm1将上述参考光置入反射镜系统rirs中的最后一块导光反射镜换下，第一小尺寸镜片sm1放置在所述最后一块导光反射镜的位置处，且第一小尺寸镜片sm1置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到第一自动控制镜片acm1；通过调节参考光置入反射镜系统rirs将剩下的参考光调节到与利用所述最后一块导光反射镜反射的参考光同轴同向，即调节参考光置入反射镜系统rirs使第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；进一步将反射镜片rm更换为第二小尺寸镜片sm2，第二小尺寸镜片sm2放置在反射镜片rm的原来位置处，且第二小尺寸镜片sm2仅反射剩下的参考光，即第二小尺寸镜片sm2置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到应用终端处；通过第二小尺寸镜片sm2将剩下的参考光调节到与利用所述反射镜片rm反射的参考光同轴同向，即调节第二小尺寸镜片sm2使第一探测器d1和第二探测器d2的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2，此时激光器输出的激光到达应用终端时，剩下的参考光也能够到达第一探测器d1和第二探测器d2；

在激光应用过程中，通过观察剩下的参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据来调节第一自动控制镜片acm1和第二自动控制镜片acm2，使参考光指向性实时控制，且参考光的传输不影响激光器输出的激光传输，因此当需要使用激光到应用终端时，能够矫正因传输过程以及终端的不稳定性带来的激光偏离；并且由于自准直系统的准直数据来自于参考光，因此不受激光重频限制。

为了保证参考光能全光谱传输到第一和第二探测器d2上，除了参考光系统镜片的尺寸能全部反射参考光外，自准直系统以及自准直系统到探测器之间的所有镜片尺寸能全部反射参考光。色散元件de采用一对棱镜，或者一对光栅。第二探测器d2采用ccd相机；第一探测器d1包括屏和ccd相机，光照射在屏上，ccd相机测量屏。

本实施例的低重频激光自准直装置的控制方法，包括以下步骤：

一、自准直系统工作

1)激光器发出的激光分别经第一自动控制镜片acm1和第二自动镜片反射后输到应用终端；在应用终端前设置反射镜片rm，将经第一自动控制镜片acm1和第二自动镜片反射后的激光反射至分束片bs，经分束片bs后激光被分成两路，其中一路被第一探测器d1接收，另一路经过聚焦透镜被第二探测器d2接收；

2)分别在第一探测器d1和第二探测器d2上设定目标位置；

3)第一探测器d1实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第一自动控制镜片acm1，使第一探测器d1得到的光斑的探测位置接近目标位置；

4)第二探测器d2实时探测光斑的位置得到光斑的探测位置，根据探测位置与目标位置的差距，自动调节第二自动控制镜片acm2，使第二探测器d2得到的光斑的探测位置接近目标位置；

5)通过重复步骤3)和4)，反复调节第一和第二自动控制镜片acm2，使得探测位置与目标位置的差距小于设定的数值，设定的数值为1～10个探测像素；记录此时的第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

二、参考光定位阶段，如图2所示

1)提供宽带光源ws，宽带光源ws的光谱范围大于激光器的激光光谱带宽；

2)宽带光经过色散元件de，将宽带光源ws光谱在空间上分开，扩大激光光斑，从色散元件de输出的光是平行光束，光谱随空间位置不同而变化，扩束后的激光为参考光，参考光光束光谱在空间上展开的方向称为x方向；

3)参考光置入反射镜系统rirs包括至少一片导光反射镜，该导光反射镜是参考光置入反射镜系统rirs的最后一块导光反射镜，放置在激光器输出的激光到第一自动控制镜片acm1的光路上；宽带光源ws发出宽带的参考光经过色散元件de将光在空间上扩束后，经参考光置入反射镜系统rirs反射到第一自动控制镜片acm1和第二自动控制镜片acm2上，通过参考光置入反射镜系统rirs使扩束后的参考光与激光器输出的激光同轴同向，即参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置与激光器输出的激光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑的初始位置相同，即第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的初始位置数据data1；

三、自准直调节阶段，如图3所示

1)在得到参考光的光斑的初始位置数据后，在色散元件de输出处放置一挡光件lo，挡光件lo的尺寸大于色散元件de输出的平行光束的尺寸，挡光件lo从垂直于光束传输方向置入光路中，即挡光件从光束外沿着x方向置入光路中，保证挡光件将参考光中与激光器输出的激光光谱相同部分遮挡；由于挡光件的尺寸大于平行光光束尺寸，因此挡光件还能够完全遮挡参考光中超出激光器输出光谱中一侧的光谱，仅剩下参考光中超出激光器输出光谱中的另一侧光谱；置入挡光件lo后剩下的参考光的光斑尺寸极大减小，记录剩下的参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；

2)用第一小尺寸镜片sm1将上述参考光置入反射镜系统rirs中的最后一块导光反射镜换下，第一小尺寸镜片sm1放置在所述最后一块导光反射镜位置处，且第一小尺寸镜片sm1置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到第一自动控制镜片acm1；

3)通过调节参考光置入反射镜系统rirs将剩下的参考光调节到与利用所述最后一块导光反射镜反射的参考光同轴同向，即调节参考光置入反射镜系统rirs使第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2；

4)进一步将反射镜片rm更换为第二小尺寸镜片sm2，第二小尺寸镜片sm2放置在反射镜片rm的原来位置处，且第二小尺寸镜片sm2仅反射剩下的参考光，即第二小尺寸镜片sm2置入光路不会阻挡激光器输出的激光入射到应用终端处；通过第二小尺寸镜片sm2将剩下的参考光调节到与利用所述反射镜片rm反射的参考光同轴同向，即调节第二小尺寸镜片sm2使第一探测器d1和第二探测器d2的光斑位置数据为光斑的遮挡位置数据data2，此时激光器输出的激光到达应用终端时，参考光也能够到达第一探测器d1和第二探测器d2；

四、激光应用过程

通过观察剩下的参考光在第一探测器d1和第二探测器d2上的光斑位置数据来调节第一自动控制镜片acm1和第二自动控制镜片acm2，使参考光指向性实时控制，且参考光的传输不影响激光器输出的激光传输，因此当需要使用激光到应用终端时，能够矫正因传输过程以及终端的不稳定性带来的激光偏离；并且由于自准直系统的准直数据来自于参考光，因此不受激光重频限制。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。