激光穩(wěn)定系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)光路的閉環(huán)控制？

激光穩(wěn)定系統(tǒng)可用于抵消或糾正由外部振動(dòng)或其他因素引起的光路變化。在成像、光通信等應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。最常用的方法是采用電學(xué)反饋回路，例如PI或PID類型。電光調(diào)制器可用來控制功率，且伺服系統(tǒng)帶寬很高。合理設(shè)計(jì)反饋電路對(duì)于實(shí)現(xiàn)在大帶寬范圍內(nèi)有效抑制噪聲非常重要。

為了使得激光在傳輸過程中穩(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)。該激光穩(wěn)定系統(tǒng)是采用外部PSD位置探測器進(jìn)行閉環(huán)的壓電式激光偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定系統(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位置探測器。其中，干擾壓電偏轉(zhuǎn)鏡就是為了模擬外界干擾的。

可根據(jù)光源的不同而選擇合適的系統(tǒng)，一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)適用于定位，而二階系統(tǒng)適用于定向。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)來調(diào)節(jié)。兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如下所示。

采用外部PSD位置探測器的一階快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

采用外部PSD位置探測器的二階快速壓電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

在上述原理圖中，補(bǔ)償用壓電控制器是如何實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制補(bǔ)償光路偏差的呢?

閉環(huán)控制過程

在該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中，閉環(huán)控制是通過芯明天壓電控制器配合外部PSD位置探測器模塊來完成的。

上圖中展示的是激光穩(wěn)定系統(tǒng)閉環(huán)控制的過程，除外部PSD位置探測器與 0~10V目標(biāo)控制信號(hào)外，其余部分是芯明天壓電偏轉(zhuǎn)鏡與壓電控制器系統(tǒng)。

該系統(tǒng)中，壓電偏轉(zhuǎn)鏡是執(zhí)行部件，它控制反射鏡片的偏轉(zhuǎn)方向，即光路方向；而壓電控制器是閉環(huán)回路控制和電壓輸出源，左側(cè)淺綠色框內(nèi)為壓電控制器的功能。

該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中具有兩個(gè)重要的信號(hào)，分別是控制信號(hào)和傳感反饋信號(hào)，在伺服模塊（包括比較和自適應(yīng)調(diào)節(jié)）中進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行功率放大（包含電壓和電流放大）輸出，施加至壓電偏轉(zhuǎn)鏡，這樣就能驅(qū)動(dòng)PZT壓電偏轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，壓電偏轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)引起光路變化，使得PSD傳感反饋的信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)的變化，反饋信號(hào)被采集、處理，并進(jìn)入伺服模塊，與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較后的差值，進(jìn)行控制信號(hào)的調(diào)節(jié)?？刂菩盘?hào)再對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得施加至壓電偏轉(zhuǎn)鏡的電壓變化，從而改變壓電偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)向，改變光路...進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，如此反復(fù)，將激光的最終位置穩(wěn)定在目標(biāo)位置上。

壓電控制器的功能

該激光穩(wěn)定系統(tǒng)的閉環(huán)原理細(xì)節(jié)可通過壓電控制器的功能來解釋，如下概述：

1）功率放大

壓電偏轉(zhuǎn)鏡的驅(qū)動(dòng)電壓一般需達(dá)到0~120V或150V左右，而控制輸入電壓通常較小，例如0~10V或0~5V等，因此，就需對(duì)控制輸入電壓進(jìn)行放大，達(dá)到驅(qū)動(dòng)壓電偏轉(zhuǎn)鏡的要求，施加至壓電偏轉(zhuǎn)鏡。

通過壓電控制器的功率放大，將輸入的目標(biāo)控制模擬信號(hào)進(jìn)行放大并輸出。

注：目標(biāo)控制信號(hào)一般為0~10V，也可設(shè)定為其他范圍，可在采購時(shí)與區(qū)域銷售經(jīng)理進(jìn)行確認(rèn)。

2）傳感信號(hào)的采集、處理、比較

隨著壓電偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，PSD探測器接收到的光功率信號(hào)會(huì)發(fā)生變化。壓電控制器將對(duì)PSD位置探測器返回的電壓信號(hào)進(jìn)行采集、處理、比較，對(duì)相應(yīng)的偏差信號(hào)進(jìn)行伺服調(diào)節(jié)，并放大輸出至壓電偏轉(zhuǎn)鏡，從而改變壓電偏轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)方向。

綜上所述即為芯明天激光穩(wěn)定系統(tǒng)的大致流程。PSD位置探測器可對(duì)光束的光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測，并反饋給補(bǔ)償壓電控制器，補(bǔ)償壓電控制器對(duì)PSD位置探測器反饋的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、處理、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。

壓電偏轉(zhuǎn)鏡內(nèi)置傳感器與外部PSD閉環(huán)的區(qū)別

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位置探測器檢測，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。

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，如下圖所示。

結(jié)束語

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。