光学平台微角振动激光探测方法研究

　　光学平台是承载激光发射装置的基础结构,由于光学系统对环境振动极为敏感,刚性平台在3个转动自由度上的振动干扰会对发射光束的精确定向产生较 为严重的破坏作用,直接影响到光束定向辐射的有效性[1-4]。为获取平台微角扰动信息,寻求可行有效的探测手段一直是光学系统稳定性研究关注的重点之 一。微角运动参数测量需要高精密的探测系统,然而现有机电传感器的性能往往难以满足μrad级角度的宽带振动探测,许多领域涉及到的超精超微超快探测常常 要借助于光电子技术。虽有多种光电测角方法,但探测系统性能高低与所选择的技术途径、光路设计以及采用何种传感器等均有密切关系[5-10]。本文设计了 具备照明激光的扩束式共孔径双向传输的准直探测光路,并与具有μm至亚μm级空间分辨率和μs至亚μs级时间分辨率的光电位置传感器(PSD)有机结合 [11],构成一种精密动态角敏光学系统。它与目前国内普遍采用CCD或4QD(fourquadrant detector)作为准直误差探测的常规光学系统相比,在几何精度和响应速度上有着明显优势。

     1　基本原理

　　角敏光学系统分为基准和被测两部分。基准部分是一个共孔径发射与接收光束的高灵敏动态微角移光学探测器,它由激光光源、传感器、分束镜、扩束镜等部件组成;被测部分是设置在平台上的平面反射靶标,其作用是将平台微角振动信息通过反射光束传回基准部分[12]。

　　角敏光学系统原理结构如图1所示。从图1可以看出,准直平行光束从参考面A正向出发,经过由透镜L1和L2构成的扩束镜做正向变换后入射至平面 反射靶标F上;由于平台角振动耦合到与之刚性连接的靶标,致使反射光束按照反射定律随之产生偏转抖动;携带角振动信息的反射光束返回扩束镜,产生逆向变换 后穿过分束镜BS到达参考面B,该面接收到的远场光束经过透镜L3聚焦于焦平面C上的传感器探测面。

　　设正向出射参考面A对应的光线矢量为[rA,θA],反向出射参考面B对应的光线矢量为[rB,θB],则光线从A面出发到返回B面时所经历的光学路径满足以下变换关系[13]

式中:M为扩束镜正向变换矩阵;M-1为扩束镜逆向变换矩阵;F为靶标反射变换矩阵;Θ为靶标镜面法线角振动向量。矩阵元素中,MT=-f1/f2 为扩束镜倍率;θ(t)为平台角振动向量。角敏光路中,由于透镜L3对参考面B入射光束在焦平面C(探测面)上的聚焦位置只与入射光线方向θB有关,光束 位置rB发生的变化并不影响聚焦位置。通过调节使光线初始角θA=0,则实际探测角θB=2MTθ(t)。

　　图2为靶标振动角借助光线的偏转得到放大的示意图。当靶标无转动时,反射光轴与入射光轴重合,聚焦光点位于探测面坐标原点;当靶标发生θ(t) 偏转时,反射光轴不再与入射光轴重合,最终到达参考面B的光线转角被放大了2MT倍,这样,对角度θ(t)的探测转化为对探测面上光点线位移 f3tan[2MTθ(t)]的探测。