[發明專利]基于光束自動穩定的半導體激光運動誤差測量系統及方法

有效

• 申請號: 202010175977.2
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111351430B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 蔡引娣;楊濱赫;文志祥;凌四營;范光照
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/26;G01B11/27
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

1.基于光束自動穩定的半導體激光運動誤差測量系統的方法，用于測量長行程線性平臺運動誤差，其特征在于，該系統包括四自由度誤差測量模塊和光束穩定模塊，其中：

所述四自由度誤差測量模塊包括半導體激光器(1)、第一直角反射鏡(2)、第二直角反射鏡(3)、第一分光棱鏡(8)、第一四象限光電探測器(9)、第三直角反射鏡(10)、第一聚焦透鏡(11)、第二四象限光電探測器(12)；半導體激光器產生的光束經第一直角反射鏡(2)和第二直角反射鏡(3) 反射后平行射入第二分光棱鏡(4)和第三分光棱鏡(6)，其透射光射入第一分光棱鏡(8)，第一分光棱鏡(8)的透射光由第一四象限光電探測器(9)接收，第一四象限光電探測器(9)探測到的光斑位移作為線性平臺的二維直線度誤差；第一分光棱鏡(8)的反射光經第三直角反射鏡(10)和第一聚焦透鏡(11)后射入第二四象限光電探測器(12)，第二四象限光電探測器(12)探測到的光斑位移作為線性平臺的俯仰角誤差和偏擺角誤差；

所述光束穩定模塊包括第一直角反射鏡(2)、第二直角反射鏡(3)、第二分光棱鏡(4)、第三四象限光電探測器(5)、第三分光棱鏡(6)、第四直角反射鏡(7)、第二聚焦透鏡(13)、第四四象限光電探測器(14)；第二分光棱鏡(4)的反射光射入第三四象限光電探測器(5)，作為光束穩定模塊的近端光束漂移反饋源；第四直角反射鏡(7)的反射光經第二聚焦透鏡(13)射入第四四象限光電探測器(14)，作為光束穩定模塊的遠端光束漂移反饋源；第一直角反射鏡(2)、第二直角反射鏡(3)均安裝在可由PZT控制的高精度二維角度調整架上，當第三四象限光電探測器(5)和第四四象限光電探測器(14)檢測到激光光束發生漂移即示數不為零時，其輸出信號在計算機中經PID控制后轉換為電壓信號輸出給PZT，PZT根據輸出電壓改變自身的長度進而改變第一直角反射鏡(2)和第二直角反射鏡(3)的角度從而改變光束出射角度，使第三四象限光電探測器(5)和第四四象限光電探測器(14)的示數向零靠近，以此補償和抑制激光器在測量區間內的光束漂移；

所述半導體激光器(1)、帶PZT驅動的第一直角反射鏡(2)、帶PZT驅動的第二直角反射鏡(3)、第二分光棱鏡(4)、第三四象限光電探測器(5)、第三分光棱鏡(6)、第四直角反射鏡(7)安裝在固定端；第一分光棱鏡(8)、第一四象限光電探測器(9)、第三直角反射鏡(10)、第一聚焦透鏡(11)、第二四象限光電探測器(12)安裝在測量端；第二聚焦透鏡(13)、第四四象限光電探測器(14)安裝在反饋端；固定端與反饋端固定安裝在線性平臺平面上，測量端在被測線性平臺上運動；

包括步驟如下：

測量開始前，調整測量光與待測線性平臺同軸，調整第三四象限光電探測器(5)和第四四象限光電探測器(14)的示數為零；開啟PID反饋控制，使測量光束穩定；在被測平臺起始位置處，調整第一四象限光電探測器(9)和第二四象限光電探測器(12)的示數為零；

測量時，測量端在線性平臺上運動，第一四象限光電探測器(9)中光斑的中心位置和第二四象限光電探測器(12)中光斑的中心位置隨運動誤差的不同而產生不同的變化；當被測平臺有垂直直線度誤差和水平直線度誤差時，第一四象限光電探測器(9)中光斑的中心位置會發生改變，而第二四象限光電探測器(12)中光斑的中心位置不會改變；當被測平臺有俯仰角誤差和偏擺角誤差時，第一四象限光電探測器(9)中光斑的中心位置不會改變，而第二四象限光電探測器(12) 中光斑的中心位置會發生改變；通過讀取第一四象限光電探測器(9)和第二四象限光電探測器(12)的示數即可測量出平臺水平直線度誤差、垂直直線度誤差、俯仰角誤差、偏擺角誤差的四自由度運動誤差；當第三四象限光電探測器(5)和第四四象限光電探測器(14)檢測到激光光束發生漂移(Δx,Δy,Δθ_x,Δθ_y)時，其輸出信號在計算機中經PID控制后轉換為電壓信號輸出給PZT，PZT根據輸出電壓改變自身的長度進而改變由PZT控制的高精度二維角度調整架上的第一直角反射鏡(2)和第二直角反射鏡(3)的角度(α_x,α_y,β_x,β_y)從而改變光束出射角度，使第三四象限光電探測器(5)和第四四象限光電探測器(14)的示數向零靠近，以此保證光束的穩定，光束漂移量與反射鏡角度的關系如下表示：

Δx＝z₁tanα_x+z₂tanβ_x (5)

Δy＝z₁tanα_y+z₂tanβ_y (6)

Δθ_x＝2(β_x-α_x) (7)

Δθ_y＝2(β_y-α_y) (8)

其中，z₁為第一直角反射鏡(2)和第二直角反射鏡(3)間的光程，z ₂為第二直角反射鏡(3)至第三四象限光電探測器(5)的光程。

2.根據權利要求1所述基于光束自動穩定的半導體激光運動誤差測量系統的方法，其特征在于，直線度誤差和角度誤差的計算如下：

其中，(V_{9_1},V_{9_2},V_{9_3},V_{9_4})和(V_{12_1},V_{12_2},V_{12_3},V_{12_4})為第一四象限光電探測器(9)和第二四象限光電探測器(12)的四個象限的電壓，k_x和k_y為第一四象限光電探測器(9)的靈敏度，k_1x和k_1y為第二四象限光電探測器(12)的靈敏度，f_L表示平凸透鏡(11)的焦距。