高速高精度的激光自动准直技术研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文2013年5月ByLiYaoADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofOpticsShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanicsChineseAcademyofScienceMay,2013硕士学位论文二。一三年五月十三日独创性声明本人声明所呈的学位论文是本人在导师

2、指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究工作所做的任何贡献，均己在论文中做了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名；套稷签字日期硼年／月／铀学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将学位论文的全部或部

3、分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：蛮寥隧指导教师签名：≥≥雨，≯、签字日期：册多月}钼签字日期：年月日学位论文作者毕业去向：羔壁兰垦壁攫通信地址：锄洲诗新话嘶围路啦邮编：电子邮件地址：Issac．1．y@gmail．corn高速高精度的激光自动准直技术研究李耀导师：冷雨欣研究员摘要近年来，高功率激光技术取得了显著的发展，使得人们可以在实验室实现极端的物理条件，为科研和工程应用创造前所未有的机遇。例如，通过目前的周期量级超快强激光，可以得到阿秒量级的极紫外／软X射线波段的脉冲，进而探测

4、研究亚原子尺度下的电子动力学；使用太瓦级强激光，可以实现高质量准单能的中子束，为癌症的医疗诊断提供新工具。然而，为了充分实现目前高功率激光系统的潜力，还有许多问题需要解决，特别是激光参数的稳定性问题，如激光光束指向的稳定性。然而实验室环境温度变化引起镜架的热胀冷缩、各种机械动力装置引起实验平台的震动以及空气流动的扰动等因素都会使激光光束的方向发生不同程度的抖动，特别是对于复杂的激光系统，影响更加明显。因此，降低光束指向抖动性对提高激光系统性能至关重要。为提高光束指向的稳定性，除了采取措施获得良好的实验环境(如恒温恒湿、防震光学平台、良好的通风换气系统)外，通过一定方法实现光束指向自准直也

5、是重要手段。目前，实现光束自准直的方法有被动方案，但主要是利用主动控制的方法实时测量抖动并反馈调节。本论文主要围绕高重复率小型激光系统的激光光束自动准直展开，针对高重复率小型激光系统重复频率高，但光束漂移幅度小的特点，提出一套适用于自动化控制的新型自动准直算法。针对现有实时测量光束抖动的元件，设计了新型光学传感器。主要研究成果如下：1．基于CMOS技术并辅助以光学放大，设计了一种新型的光学传感器。总结了前人设计光路自动准直系统中使用的传感器技术，即CMOS技术，CCD技术以及QD技术等。在此基础上，设计了新型的高速高精度的传感系统，该传感系统以CMOS传感器为核心，辅助以光学放大系统和图

6、中科院上海光机所硕士研究生毕业论文／2013年像处理模块。该新型传感系统利用了CMOS传感器相对CCD传感器帧频快，响应波长范围广的固有优点。而光学放大结构则弥补了CMOS传感器相对CCD传感器精度差的不足。另一方面，由于CMOS传感器得到的是二维数据，相比PSD，QD的标量数据，可以利用更复杂的数字信号处理算法，以软件方式降低硬件本身带来的测量误差。2．发展了一套适用于自动化控制的调校光路的算法。对光路进行了抽象的数学建模，并由此推导出在一阶近似条件下，施加的外部控制电压与光斑位置的线性关系，对该线性关系进行了坐标变换处理，从而得到了水平竖直两个方向解耦合的调节光路的方法，为自动准直系

7、统的自定标和反馈控制提供了理论依据。从本文建立的数学模型分析，该自动准直系统的反馈控制效果相比传统方式将具有较高的精度和较大的带宽，并且稳健性较好。3．设计了一套激光光束自动准直系统，能够高速高精度自动准直激光输出方向。新型探测系统实现了光路漂移的监测。PCI控制卡上使用FPGA芯片设计数字电路实现算法。该控制卡可以与探测系统进行通信并输出控制电压，经线性放大器驱动压电陶瓷偏摆镜进行闭环反馈控制。经实验，设计装置的调整精度2．59m