用于激光穩(wěn)定的快速壓電偏轉系統(tǒng)
為使得激光在傳輸過程中的穩(wěn)定，芯明天利用壓電偏轉鏡搭建了一階與二階的激光穩(wěn)定系統(tǒng)。根據光源的不同而選擇，例如平行光，采用一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)即可；而點光源，因其光斑的位置會有偏移，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)的搭建結構如下。
系統(tǒng)中部件分別為：
① E70.D3S壓電控制器，用于控制干擾用壓電偏轉鏡；
② E70.D3S壓電控制器，用于控制補償用壓電偏轉鏡；
③ P33.T2K壓電偏轉鏡，產生干擾信號，使激光產生抖動；
④ P33.T2K壓電偏轉鏡，產生補償信號，使激光穩(wěn)定；
⑤ 激光器，光源；
⑥ 激光位置探測器，實時探測激光的位置
⑦ 電腦，閉環(huán)補償控制與補償效果顯示。
一階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結構原理
該系統(tǒng)是采用外部位置探測器進行閉環(huán)的壓電偏轉系統(tǒng)，預先設定了光束接收的目標位置坐標，光源通過干擾壓電偏轉鏡、補償壓電偏轉鏡的反射后，到達PSD位置探測器。原理圖如下所示。
采用外部PSD位置探測器的快速壓電偏轉系統(tǒng)原理圖
PSD位置探測器可對光束的光斑進行實時位置檢測，并反饋給補償壓電控制器，補償壓電控制器對PSD位置探測器反饋的傳感器信號進行采集、放大，同時向補償壓電偏轉鏡輸出相應的補償控制電壓信號，補償壓電偏轉鏡根據補償控制電壓信號進行快速角度調整，使得光信號準確、完整的接收，從而達到成像或光通信等目的。
與采用內置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉鏡相比，開環(huán)壓電偏轉鏡具有更快的響應速度及更高的分辨率，因此采用外部PSD位置探測器檢測，可提高光束的調整速度。另外，PSD可直接對光斑位置進行測量，是光束偏轉方向的直接反應。而內置傳感器的閉環(huán)版本壓電偏轉鏡的特點是使得控制電壓與偏轉角度間成線性關系，可保證壓電偏轉鏡的實際偏轉角度與預期控制調整的偏轉角度相一致。
通過計算機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)的搭建結構如下。
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鏡；
③ E70.D3S壓電控制器，控制補償用壓電偏轉鏡1；
④ E70.D3S壓電控制器，控制補償用壓電偏轉鏡2；
⑤ P33.T2K 壓電偏轉鏡，產生干擾信號，使激光傳輸不穩(wěn)；
⑥ P33.T2K 壓電偏轉鏡，產生補償信號1，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑦ P33.T2K 壓電偏轉鏡，產生補償信號2，使激光傳輸保持穩(wěn)定；
⑧ 45°分光鏡；
⑨ PSD激光位置探測器1，實時探測并反饋激光的位置；
⑩ PSD激光位置探測器2，實時探測并反饋激光的位置；
? 電腦，閉環(huán)補償控制與補償效果顯示。
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)結構原理
二階激光穩(wěn)定系統(tǒng)，仍是采用外部位置探測器進行閉環(huán)的壓電偏轉系統(tǒng)，同樣，預先設定了光束接收的目標位置坐標，光源通過干擾壓電偏轉鏡、補償壓電偏轉鏡1、補償壓電偏轉鏡2 的反射后，再經過45°分光鏡的分光，分別到達各自的PSD位置探測器。
采用外部PSD位置探測器的快速壓電偏轉系統(tǒng)原理圖
原理與一階的類似，兩個PSD位置探測器分別對接收到的光束光斑進行實時位置檢測，并反饋給各自控制的補償壓電控制器。補償壓電控制器對PSD位置探測器反饋的傳感器信號進行采集、放大，同時向其控制的補償壓電偏轉鏡輸出相應的補償控制電壓信號，補償壓電偏轉鏡根據補償控制電壓信號進行快速角度調整，使得光信號準確、完整的穩(wěn)定接收， 從而達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)壓電偏轉鏡，具有更快的響應速度及更高的分辨率。PSD位置探測器對光束的直接反應信號反饋到壓電控制器，壓電控制器對信號進行讀取并對輸出電壓進行調節(jié)，從而壓電偏轉鏡做出快速偏轉。
通過計算機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，當開啟補償壓電偏轉鏡之前，位置探測器顯示的效果如下左圖中所示，光斑與目標位置間有偏移；而在開啟補償壓電偏轉鏡后，可從軟件中直觀的看到，光斑穩(wěn)定在預先設定的目標位置，如下右圖所示。
經過壓電偏轉系統(tǒng)的補償控制，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鏡有超高的的偏轉精度和超快的偏轉速度。芯明天P33.T2K壓電偏轉鏡與E70.D3S壓電控制器為整個激光穩(wěn)定過程提供了納弧度級的偏轉精度及毫秒甚至亞毫秒的偏轉響應速度，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，采用的壓電偏轉鏡與壓電控制器分別為芯明天P33.T2K壓電偏轉鏡與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鏡內置的應變傳感器反饋的信號形成閉環(huán)控制。而在該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中，采用的是PSD位置探測器反饋的控制信號，與E70.D3S形成閉環(huán)伺服控制。
P33.T2K壓電偏轉鏡參數(shù)如下。
型號 | P33.T2K | P33.T2S | 單位 | |
運動自由度 | θx、θy | θx、θy |
| |
標稱行程范圍（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壓電控制器技術參數(shù)如下。
型號 | E70.D3S |
功能 | 數(shù)字與模擬集成式控制器 |
通道數(shù) | 3 |
標稱模擬輸入范圍（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 | 有 |
供電電壓 | 24V DC1.5A(36W) |
2，PSD位置探測器
該激光穩(wěn)定系統(tǒng)中采用的PSD位置探測器的傳感尺寸為φ7.8mm，可根據要求任意更換。
技術參數(shù)
傳感尺寸 | φ7.8mm |
波長范圍 | 400~1050nm |
峰值響應度 | 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 |
信號輸出偏置 | 100 mV，max |
帶寬 | 150 kHz |
推薦光點尺寸 | 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。
技術參數(shù)
激光安全等級 | 3R |
工作電壓 | 4.9 V至5.2 V |
波長 | 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 |
