在成像、光通信等激光的應(yīng)用中，激光光路的穩(wěn)定都是至關(guān)重要的。為使得激光在傳輸過程中的穩(wěn)定，芯明天利用壓電偏轉(zhuǎn)鏡搭建了一階與二階的激光穩(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)光源的不同而選擇，例如平行光，采用一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)即可；而點(diǎn)光源，因其光斑的位置會(huì)有偏移，需要額外的位置校正，則需要二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)。
一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)
一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)的搭建結(jié)構(gòu)如下。
系統(tǒng)中部件分別為：
①e70.d3s壓電控制器，用于控制干擾用壓電偏轉(zhuǎn)鏡；
②e70.d3s壓電控制器，用于控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡；
③p33.t2k壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生干擾信號(hào)，使激光產(chǎn)生抖動(dòng)；
④ p33.t2k壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)，使激光穩(wěn)定；
⑤激光器，光源；
⑥ 激光位置探測(cè)器，實(shí)時(shí)探測(cè)激光的位置
⑦ 電腦，閉環(huán)補(bǔ)償控制與補(bǔ)償效果顯示。
一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
該系統(tǒng)是采用外部位置探測(cè)器進(jìn)行閉環(huán)的壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)定了光束接收的目標(biāo)位置坐標(biāo)，光源通過干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡的反射后，到達(dá)psd位置探測(cè)器。原理圖如下所示。
采用外部psd位置探測(cè)器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖
psd位置探測(cè)器可對(duì)光束的光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，并反饋給補(bǔ)償壓電控制器，補(bǔ)償壓電控制器對(duì)psd位置探測(cè)器反饋的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、放大，同時(shí)向補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補(bǔ)償控制電壓信號(hào)，補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補(bǔ)償控制電壓信號(hào)進(jìn)行快速角度調(diào)整，使得光信號(hào)準(zhǔn)確、完整的接收，從而達(dá)到成像或光通信等目的。
與采用內(nèi)置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉(zhuǎn)鏡相比，開環(huán)壓電偏轉(zhuǎn)鏡具有更快的響應(yīng)速度及更高的分辨率，因此采用外部psd位置探測(cè)器檢測(cè)，可提高光束的調(diào)整速度。另外，psd可直接對(duì)光斑位置進(jìn)行測(cè)量，是光束偏轉(zhuǎn)方向的直接反應(yīng)。而內(nèi)置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉(zhuǎn)鏡的特點(diǎn)是使得控制電壓與偏轉(zhuǎn)角度間成線性關(guān)系，可保證壓電偏轉(zhuǎn)鏡的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度與預(yù)期控制調(diào)整的偏轉(zhuǎn)角度相一致。
通過計(jì)算機(jī)顯示可觀看光束跟蹤及穩(wěn)定情況。
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)的搭建結(jié)構(gòu)如下。
系統(tǒng)中部件分別為：
① 激光器，光源；
② e70.d3s壓電控制器，控制干擾用壓電偏轉(zhuǎn)鏡；
③ e70.d3s壓電控制器，控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡1；
④ e70.d3s壓電控制器，控制補(bǔ)償用壓電偏轉(zhuǎn)鏡2；
⑤ p33.t2k 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生干擾信號(hào)，使激光傳輸不穩(wěn)；
⑥ p33.t2k 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)1，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑦ p33.t2k 壓電偏轉(zhuǎn)鏡，產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)2，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑧ 45°分光鏡；
⑨ psd激光位置探測(cè)器1，實(shí)時(shí)探測(cè)并反饋激光的位置；
⑩ psd激光位置探測(cè)器2，實(shí)時(shí)探測(cè)并反饋激光的位置；
? 電腦，閉環(huán)補(bǔ)償控制與補(bǔ)償效果顯示。
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)，仍是采用外部位置探測(cè)器進(jìn)行閉環(huán)的壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，同樣，預(yù)先設(shè)定了光束接收的目標(biāo)位置坐標(biāo)，光源通過干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡1、補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡2 的反射后，再經(jīng)過45°分光鏡的分光，分別到達(dá)各自的psd位置探測(cè)器。
采用外部psd位置探測(cè)器的快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖
原理與一階的類似，兩個(gè)psd位置探測(cè)器分別對(duì)接收到的光束光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，并反饋給各自控制的補(bǔ)償壓電控制器。補(bǔ)償壓電控制器對(duì)psd位置探測(cè)器反饋的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、放大，同時(shí)向其控制的補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡輸出相應(yīng)的補(bǔ)償控制電壓信號(hào)，補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡根據(jù)補(bǔ)償控制電壓信號(hào)進(jìn)行快速角度調(diào)整，使得光信號(hào)準(zhǔn)確、完整的穩(wěn)定接收， 從而達(dá)到成像或光通信等目的。
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)與一階一樣，采用的是開環(huán)壓電偏轉(zhuǎn)鏡，具有更快的響應(yīng)速度及更高的分辨率。psd位置探測(cè)器對(duì)光束的直接反應(yīng)信號(hào)反饋到壓電控制器，壓電控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取并對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而壓電偏轉(zhuǎn)鏡做出快速偏轉(zhuǎn)。
通過計(jì)算機(jī)顯示可觀看光束跟蹤及穩(wěn)定情況。
激光穩(wěn)定系統(tǒng)軟件控制界面
在該系統(tǒng)中，當(dāng)開啟補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡之前，位置探測(cè)器顯示的效果如下左圖中所示，光斑與目標(biāo)位置間有偏移；而在開啟補(bǔ)償壓電偏轉(zhuǎn)鏡后，可從軟件中直觀的看到，光斑穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)位置，如下右圖所示。
經(jīng)過壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的補(bǔ)償控制，使得光的傳輸更加精確穩(wěn)定。其中重要的因素就是壓電偏轉(zhuǎn)鏡有超高的的偏轉(zhuǎn)精度和超快的偏轉(zhuǎn)速度。芯明天p33.t2k壓電偏轉(zhuǎn)鏡與e70.d3s壓電控制器為整個(gè)激光穩(wěn)定過程提供了納弧度級(jí)的偏轉(zhuǎn)精度及毫秒甚至亞毫秒的偏轉(zhuǎn)響應(yīng)速度，這在該系統(tǒng)中起著決定性的作用。
系統(tǒng)部件介紹
1，壓電偏轉(zhuǎn)鏡與壓電控制器
該一階、二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)中，采用的壓電偏轉(zhuǎn)鏡與壓電控制器分別為芯明天p33.t2k壓電偏轉(zhuǎn)鏡與e70.d3s壓電控制器。
通常情況下，e70.d3s壓電伺服控制器與壓電偏轉(zhuǎn)鏡內(nèi)置的應(yīng)變傳感器反饋的信號(hào)形成閉環(huán)控制。而在該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中，采用的是psd位置探測(cè)器反饋的控制信號(hào)，與e70.d3s形成閉環(huán)伺服控制。
p33.t2k壓電偏轉(zhuǎn)鏡參數(shù)如下。
型號(hào)
p33.t2k
p33.t2s
單位
運(yùn)動(dòng)自由度
θx、θy
θx、θy
標(biāo)稱行程范圍（0~120v）
±1.25 (≈±260秒)
±1.25 (≈±260秒)
mrad
行程范圍（0~150v）
±1.5 (≈±300秒)
±1.5 (≈±300秒)
mrad
傳感器類型
-
sgs
-
閉/開環(huán)分辨率
0.02(＜0.01秒)
0.05(≈0.01秒)
μrad
閉環(huán)線性度
-
0.1
%f.s.
閉環(huán)重復(fù)定位精度
-
0.02
%f.s.
空載諧振頻率
3.7
3.7
khz
閉/開環(huán)空載階躍時(shí)間
1
1.5
ms
閉環(huán)空載
工作頻率
10%行程
1000
1000
hz
100%行程
80
80
e70.d3s壓電控制器技術(shù)參數(shù)如下。
型號(hào)
e70.d3s
功能
數(shù)字與模擬集成式控制器
通道數(shù)
3
標(biāo)稱模擬輸入范圍（v）
0~10
峰值電流（a）
1.1/通道
平均電流（ma）
70/通道
放大器帶寬（hz）
10k/通道
伺服特性
p.i+低通+陷波
通信接口
rs-232/422、usb
過流保護(hù)
有
供電電壓
24v dc1.5a(36w)
2，psd位置探測(cè)器
該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中采用的psd位置探測(cè)器的傳感尺寸為φ7.8mm，可根據(jù)要求任意更換。
技術(shù)參數(shù)
傳感尺寸
φ7.8mm
波長(zhǎng)范圍
400~1050nm
峰值響應(yīng)度
0.4 a/w(633nm)、0.64a/w(900nm)
跨阻增益
10kv/a
大光電流
200μa
輸出電壓范圍
±2vmin
信號(hào)輸出偏置
100 mv，max
帶寬
150 khz
推薦光點(diǎn)尺寸
φ1~3.9mm
供電電壓
±5vdc±5％，35 ma
3，激光光源
為了光在傳輸過程中的衰減不會(huì)影響光的正常傳輸與接收，該系統(tǒng)中采用的是635nm、4mw的激光器。
技術(shù)參數(shù)
激光安全等級(jí)
3r
工作電壓
4.9 v至5.2 v
波長(zhǎng)
635nm, max 640 nm
橢圓光束尺寸
4.5mmx1mm
工作電流
typ 48ma, max 70 ma
軸偏差
5 mrad
光束發(fā)散
1.5 mrad
光輸出功率（cw）
4~5.0 mw