专利名称：一种转盘式机械快门同步时序控制方法
技术领域：
本发明提出一种转盘式机械快门同步时序控制方法，与转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光器光束及光谱特性测试等应用中控制激光器的发射时序，实现高重复频率激光器单脉冲或多脉冲选取。
背景技术：
在高重复频率激光器光谱及光束特性测试系统中，由于测试装置响应时间大于激光器周期，测试结果存在多个脉冲叠加，测量过程中脉冲激光器能量、光谱及光斑漂移对测量结果产生影响。所以需要在激光器频率不变情况下，通过快门装置实现激光器单脉冲选取，当激光器频率达到上千赫兹时，要求快门时间从毫秒到微秒量级，尽管现有技术如电光效应开关、饱和染料吸收体开关、旋转反射镜开关等也可以达到毫微秒，但这些开关仅仅适用于某些特定的领域，技术难度大，成本高，并且对光束有衰减，不适合脉冲激光器单脉冲选取，特别是在脉冲激光器光谱及光束特性测试等应用中，快门对光束信息的改变对测试结果有影响。转盘式机械快门(李新阳，王春鸿，鲜浩等，中国发明专利“高重复频率高精度转盘式机械快门装置”，申请号03149542. 7，授权公开号CN 1570569A，授权公告日2005. 01. 26)可以达到上千赫兹的开关重复频率和微秒级的开关时间设置精度；一种应用在该机械快门上的同步时序控制方法(李新阳，王春鸿，鲜浩等，中国发明专利“一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用”，申请号03149543. 5，授权公开号CN 1570570 A, 权公告日2005. 01. 26)主要应用在激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学中的人造导星等领域，控制方法没有考虑激光器光斑尺寸，光束信息的遮挡会使快门后的激光器光束信息发生改变，另外，该控制方法也不能实现快门后激光频率与脉冲分布形式可调。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，设计一种转盘式机械快门同步时序控制方法，实现高重复频率脉冲激光器单脉冲或多脉冲选取。本发明的技术解决方案一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于设计步骤如下(I)脉冲激光器工作在外部触发模式下，所需脉冲激光器工作频率f已知，通过测量得到脉冲激光器脉冲宽度At、光斑水平方向尺寸X垂直方向尺寸，即HXV及输出光脉冲与脉冲激光器外部触发信号延时A Tl ；(2)用于同步电信号输出的U型光开关位于转盘垂直轴下方，可上下调节，实现转盘尺寸可变。(3)转盘式机械快门的转盘设计转盘边缘的外孔用于生成电信号，转盘内孔为通光孔；通过转盘式机械快门的转速、U型光开关长度及脉冲激光器最高重复频率f_确定所需转盘半径；转盘半径确定后，根据所需激光器工作频率f、光斑尺寸、脉冲宽度和转盘式机械快门转速、长度计算确定转盘内孔及转盘边缘的外孔个数和尺寸，同时确定相对于转盘转动方向的转盘内孔前沿与对称方向上的转盘边缘的外孔前沿在同一直线上；(4)计算转盘内孔内径处转过距离所用时间A T2，其中a是大于I的常数，确保激光光束信息不被转盘遮挡；(5)测量转盘式机械快门中U型光开关与转盘中心间距离相对转盘垂直轴的夹角A 0，与转盘转动方向同向时，A 0为正值，否则为负值，同时计算转盘转过角度A 0时所用时间AT3 ；(6)通过信号发生器生成脉冲激光器所需外部触发信号，其中信号发生器由转盘式机械快门电信号控制，并通过计算确定信号延时范围A T2- A Tl-A T3 T ^(A T2- A Tl- A T3)+t-AX A t，如果计算得到A T2- A Tl- A T3 < 0，则延时范围为
/7 . t… .t… ,. t. t …
j^a/2-aT\-a/3<aI <(y+A/2-A/ 1-a73) + /-/Ixa/，其中 t 为机械快门完全通光时间，
A为大于I的常数，n为不小于I的整数，调节n的大小使0 通过控制脉冲激光器发
射时序使脉冲激光器的脉冲与转盘内孔完全通光时间同步，实现脉冲激光器的脉冲选取。脉冲激光器工作在外部触发模式下，触发信号由信号发生器生成，用高速探测器测量脉冲激光器输出光信号，通过示波器测量脉冲激光器外部触发信号与探测器信号间延时。所述步骤(3)中转盘式机械快门转盘设计转盘边缘的外孔个数N2、转速Co (转/秒)和脉冲激光器频率关系为f = N2 X Co，N2与Co根据所需脉冲激光器频率进行修改，转盘边缘的外孔扇形角0 2、外孔内径R3和外径R4需确保转盘式机械快门有电信号输出并能触发信号发生器生成脉冲激光器外部触发信号；转盘内孔个数NI应满足I < NI < N2，根据实际应用通过改变内孔个数及分布确定快门后激光频率及脉冲分布形式，即连续的周期相同的单脉冲或者多个脉冲中几个连续脉冲等分布形式，内孔内径R1、外径R2、扇形角0 I确保在转盘通光时间T内，只有一个脉冲激光通过转盘内孔,并且激光光束信息不被转盘遮挡，即完全通光时间t大于激光器脉冲的宽度。所述步骤(6)中信号发生器有外部触发及设置延时功能，由转盘式机械快门电信号控制信号发生器产生延时为A T的TTL信号用于脉冲激光器外部触发信号。所述步骤(6)中也能够通过软件编程实现首先采集步骤(I)中探测器和外部触发信号，测量延时A Tl，计算得到激光器外部触发信号延时A T。所述转盘式机械快门设计好后，能够根据所需激光器重复频率不同，通过改变转盘式机械快门转速及信号发生器延时实现激光器脉冲与转盘完全通光时间同步。所述步骤(6)中能够通过改变相对于转盘转动方向的内孔前沿与对称方向上的转盘边缘的外孔前沿的夹角a，或者U型光开关与转盘中心间距离相对内孔前沿夹角P，将转盘式机械快门电信号直接用作脉冲激光器外部触发信号，其中夹角a=-ATX360X Co, ^ =A TX 360X ，如果所需脉冲激光器频率改变，只能重新设计转盘或者改变光开关位置实现该频率时激光器脉冲选取。本发明与现有技术相比具有如下优点(I)本发明采用机械快门电信号控制信号发生器产生一定延时的激光器触发信、号，实现快门完全通光时间与激光脉冲的同步，控制算法简单，容易实现；(2)通过改变与本 发明配套使用的机械快门转盘转速和信号发生器延时，可以实现不同频率下激光器脉冲与转盘通光时间的同步，且在设计过程中考虑了激光器光斑尺寸，使机械快门不改变激光器光束信息；(3)本发明只需要转盘式机械快门和信号发生器即可以实现激光单脉冲或多脉冲选取，结构简单，成本低；(4)本发明可以通过改变U型光开关垂直位置，实现转盘尺寸可调；(5)本发明通过改变机械快门转盘内孔的个数及分布，可以实现快门后激光脉冲频率及分布形式可调。
图I为本发明应用在脉冲激光器单脉冲光束特性测试中的示意图；图2为与本发明配套使用的转盘大小可调的高重复频率转盘式机械快门装置示意图；图3为两种不同形式的机械快门转盘示意图；图4为本发明中转盘式机械快门实现脉冲与完全通光时间同步的原理示意图；图5为高重复频率激光器单脉冲选取中转盘式机械快门同步时序控制示意图；图6为具体实例计算得到的不同频率时通光时间、完全通光时间及信号发生器延时范围。
具体实施例方式如图I所示为本发明应用在脉冲激光器单脉冲光束特性测试系统中的示意图。该系统由激光器I、机械快门2、机械快门控制箱3、衰减系统4、光束诊断相机5、高速探测器
6、示波器7、信号发生器8组成。首先，光路中没有机械快门装置2时，测量延时A Tl及激光器光斑尺寸激光器I工作在外部触发模式下，触发信号由信号发生器8生成，探测器6可以测量到激光器散射光，激光器触发信号及探测器信号输入到示波器7中，测量得到触发信号与激光器脉冲间延时A Tl，光束诊断相机5测量衰减后的激光器光斑尺寸；其次，机械快门放置在光束诊断系统前，机械快门控制箱3输出机械快门电信号触发信号发生器生成延时A T后的激光器触发信号控制激光器发射光脉冲，实现机械快门完全通光时间与激光器脉冲同步，通过光束诊断系统测试高重复频率激光器单脉冲光束特性。如图2所示为与本发明配套使用的转盘式机械快门装置的结构示意图。用于电信号输出的U型光开关9及其支架10可以上下移动，用螺钉11将U型光开关支架10固定在电机12的支架13上，从而可以根据设计要求改变转盘14尺寸。下面结合图2介绍本发明同步时序控制方法的具体实现过程(I)激光器工作在外部触发模式下，所需激光器工作重复频率为f，根据图I所示装置测量得到激光器脉冲宽度A t、光斑尺寸HXV及输出光脉冲与外部触发信号间延时A Tl。(2)转盘式机械快门中转盘设计，如图3所示转盘外边缘孔用于生成电信号，内孔为通光孔；根据转盘式机械快门转速及激光器最高重复频率f_确定所需转盘中内孔外径最小值RO (即R2最小值)，则转盘半径R > R0+h，其中，h为转盘式机械快门中用于电信号输出的U型光开关长度；转盘半径确定后，通过激光器工作频率、光斑尺寸、脉冲宽度和快门转速、U型光开关长度计算确定转盘内孔个数NI、扇形角0 I、内径Rl和外径R2及外孔个数N2、扇形角0 2、内径R3和外径R4 ;各参数确定方法如下如图4所示，转盘内孔内径处孔宽度为L，则L应满足不等式组
权利要求
1.一种转盘式机械快门同步时序控制方法，与转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光器光束及光谱特性测试应用中控制激光器的发射时序和快门后的激光频率与脉冲分布形式，其特征在于实现步骤如下 (1)脉冲激光器工作在外部触发模式下，所需脉冲激光器工作频率f已知，通过测量得到脉冲激光器脉冲宽度At、光斑水平方向尺寸X垂直方向尺寸，即HXV及输出光脉冲与脉冲激光器外部触发信号延时A Tl ； (2)固定在机械快门装置支架上的，用于同步电信号输出的U型光开关位于转盘中心下方，可上下调节，实现转盘尺寸可调； (3)转盘式机械快门的转盘设计转盘边缘的外孔用于生成电信号，转盘内孔为通光孔；通过转盘式机械快门的转速、U型光开关长度及脉冲激光器最高重复频率f_确定所需转盘半径；转盘半径确定后，根据所需激光器工作频率f、光斑尺寸、脉冲宽度和转盘式机械快门转速、用于电信号输出的U型光开关长度计算确定转盘内孔及转盘边缘的外孔个数和尺寸，同时确定相对于转盘转动方向的转盘内孔前沿与对称方向上的转盘边缘的外孔前沿在同一直线上； (4)计算转盘内孔内径处转过距离所用时间AT2，其中a是大于I的常数，确保 2,激光光束信息不被转盘遮挡； (5)测量转盘式机械快门中U型光开关与转盘中心间距离相对转盘垂直轴的夹角A 9，与转盘转动方向同向时，A 9为正值，否则为负值，同时计算转盘转过角度A 9时所用时间AT3 ； (6)通过信号发生器生成脉冲激光器所需外部触发信号，其中信号发生器由转盘式机械快门电信号控制，并通过计算确定信号延时范围A T2- A Tl- A T3 T < (A T2- A Tl- A T3)+t-AX A t,如果计算得到A T2- A Tl- A T3 < O，则延时范围为nIi~j+aT1 —aJ1 ^aT3 -aT - (y+aT2 -An -厶T3)+7 - j xw唭中t为机械快门完全通光时间，A为大于I的常数，n为不小于I的整数，调节n的大小使< |，通过控制脉冲激光器发射时序使脉冲激光器的脉冲与转盘内孔完全通光时间同步，实现脉冲激光器的脉冲选取。
2.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述步骤(I)中输出光脉冲与脉冲激光器外部触发信号延时A Tl计算方法为脉冲激光器工作在外部触发模式下，触发信号由信号发生器生成，用高速探测器测量脉冲激光器输出光信号，通过示波器测量脉冲激光器外部触发信号与探测器信号间延时。
3.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述步骤(3)中转盘式机械快门转盘设计转盘边缘的外孔个数N2、转速Co (转/秒)和脉冲激光器频率关系为f = N2X Co，N2与Co根据所需脉冲激光器频率进行修改，转盘边缘的外孔扇形角9 2、外孔内径R3和外径R4需确保转盘式机械快门有电信号输出并能触发信号发生器生成脉冲激光器外部触发信号；转盘内孔个数NI应满足I < NI < N2，根据实际应用通过改变内孔个数及分布确定快门后激光频率及脉冲分布形式，即连续的周期相同的单脉冲或者多个脉冲中几个连续脉冲等分布形式，内孔内径R1、外径R2、扇形角0 I确保在转盘通光时间T内，只有一个脉冲激光通过转盘内孔，并且激光光束信息不被转盘遮挡，即完全通光时间t大于激光器脉冲的宽度。
4.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述步骤(6)中信号发生器有外部触发及设置延时功能，由转盘式机械快门电信号控制信号发生器产生延时为A T的TTL信号用于脉冲激光器外部触发信号。
5.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述步骤(6)中也能够通过软件编程实现首先采集步骤(I)中探测器和外部触发信号，测量延时A Tl，计算得到激光器外部触发信号延时A T0
6.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述转盘式机械快门设计好后，能够根据所需激光器重复频率不同，通过改变转盘式机械快门转速及信号发生器延时实现激光器脉冲与转盘完全通光时间同步。
7.根据权利要求I所述的一种转盘式机械快门同步时序控制方法，其特征在于所述步骤(6)中能够通过改变相对于转盘转动方向的内孔前沿与对称方向上的转盘边缘的外孔前沿的夹角a，或者U型光开关与转盘中心间距离相对内孔前沿夹角P，将转盘式机械快门电信号直接用作脉冲激光器外部触发信号，其中夹角a =-ATX360X ，^ =A TX 360X ，如果所需脉冲激光器频率改变，只能重新设计转盘或者改变光开关位置实现该频率时激光器脉冲选取。
全文摘要
一种转盘式机械快门同步时序控制方法，通过转盘式机械快门电信号控制信号发生器产生一定延时的激光器触发信号，实现激光器脉冲与转盘通光时间的完全同步。主要应用在高重复频率激光器单脉冲选取，使经过机械快门后的激光频率降低，在激光器光谱及光束特性测试等领域，消除了由于多脉冲叠加对测试结果的影响。本发明在同步时序控制方法设计过程中考虑了激光光斑尺寸，使经过机械快门后的激光光束特性不发生改变，另外本发明也可以根据需要对快门后的激光频率与脉冲分布形式进行调节，实现给定脉冲数的选取。
文档编号G03B9/10GK102749786SQ201210237128
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者刘卫静, 曲哲超, 李斌成, 韩艳玲 申请人:中国科学院光电技术研究所