一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法

摘要

本发明涉及一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，属于激光光束控制技术领域，在主激光传输光路中含有不稳定因素的光路段设置信标光源，通过信标光监测单元采集第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场通过靶点监测单元采集第二光斑指向信息，标定第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的第一标定系数，确定位于主激光传输光路中小口径光路的反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数，将与第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，得到快速反射镜的摆动角度并对快速反射镜施加控制电压进行摆动，本发明可实现低频漂移控制和高频振动控制，同时，低频漂移控制和高频振动控制分别为独立的过程。

权利要求

1.一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100、在主激光传输光路中含有高频振动的光路段设置信标光源，通过信标光监测单元采集第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场通过靶点监测单元采集第二光斑指向信息；

步骤S200、标定第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的第一标定系数，确定位于主激光传输光路中小口径光路的反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数；

所述第一光斑指向信息为第一光斑的位置偏移量，所述第二光斑指向信息为第二光斑的位置偏移量，计算第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的比例关系得到第一标定系数；

所述第二光斑指向信息与所述小口径光路的反射镜的摆动角度存有固定的关联系数，所述关联系数由主激光传输光路的光学设计参数决定，设定第一标定系数为a，设定关联系数为b，设定快速反射镜的摆动角度θ，则： ；

步骤S300、将与第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，得到快速反射镜的摆动角度并对快速反射镜施加控制电压进行摆动。

2.根据权利要求1所述的一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，将所述含有高频振动的光路段作为目标调整光路。

3.根据权利要求2所述的一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，所述信标光源位于所述目标调整光路的任一位置，所述信标光源的传输路径作为信标光源传输光路，且所述信标光源传输光路覆盖所述目标调整光路。

4.根据权利要求3所述的一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，当目标调整光路为小口径光路段时，将目标调整光路中其一反射镜替换为快速反射镜，当目标调整光路为大口径光路段时，将位于目标调整光路前级的小口径光路中其一反射镜替换为快速反射镜。

5.根据权利要求2‑4任一所述的一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，在信标光源传输光路的末端采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场采集主激光指向信息作为第二光斑指向信息。

6.根据权利要求5所述的一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，其特征在于，当不稳定因素为低频漂移时，大型激光装置准直完成后，在大型激光装置的靶场采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，主发射前，在大型激光装置的靶场再次采集信标光源指向信息作为第二光斑指向信息，获得信标光光斑位置的低频漂移量，基于第一标定系数以及关联系数，调整光路中投射镜的姿态，完成对低频漂移的控制。

说明书

一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光光束控制技术领域，具体地说涉及一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法。

背景技术

[0002] 大型激光装置（大型高功率激光驱动器）是一类复杂的光学系统，其涵盖了光、机、电、控、测、装等多个学科领域，其功能是创造一个极端的物质环境，提供各类物理过程的研究。打靶精度是大型激光装置的关键性能指标，其关系到物理实验的成败。受装置内部、外部环境影响，大型激光装置不是一个绝对稳定的系统，其存有低频和高频的振动，这种振动会导致光束产生低频漂移和高频抖动，影响打靶精度。因此，为保障打靶精度，在每次正式发射前，都需要进行光路准直及光束引导。在光路中设置基准，使光束按照设定的光轴传输，最后引导至靶点打靶位，通过优化光束质量，提高准直精度，缩短准直时间，兼顾精度与效率，实现装置打靶精度指标。

[0003] 目前，提高打靶精度的手段主要聚焦在提升光路自动准直精度、提升光束引导精度、提高准直效率、缩短引导后到零前时间等方面，这些手段都是解决装置中的低频漂移问题。针对高频振动问题，只能依靠装置设计阶段的隔震设计措施。

发明内容

[0004] 针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤S100、在主激光传输光路中含有不稳定因素的光路段设置信标光源，通过信标光监测单元采集第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场通过靶点监测单元采集第二光斑指向信息；

[0008] 步骤S200、标定第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的第一标定系数，确定位于主激光传输光路中小口径光路的反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数；

[0009] 步骤S300、将与第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，得到快速反射镜的摆动角度并对快速反射镜施加控制电压进行摆动。

[0010] 进一步，所述不稳定因素为高频振动，将所述含有不稳定因素的光路段作为目标调整光路。

[0011] 进一步，所述信标光源位于所述目标调整光路的任一位置，所述信标光源的传输路径作为信标光源传输光路，且所述信标光源传输光路覆盖所述目标调整光路。

[0012] 进一步，当目标调整光路为小口径光路段（光束口径＜200mm）时，确定目标调整光路中其一反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数，并将与所述第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，当目标调整光路为大口径光路段（光束口径≥200mm）时，确定位于目标调整光路前级的小口径光路中其一反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数，并将与所述第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，即将快速反射镜前置。

[0013] 进一步，所述第一光斑指向信息为第一光斑的位置偏移量，所述第二光斑指向信息为第二光斑的位置偏移量，计算第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的比例关系得到第一标定系数。

[0014] 进一步，所述第二光斑指向信息与所述小口径光路的反射镜的摆动角度存有固定的关联系数，所述关联系数由主激光传输光路的光学设计参数决定，设定第一标定系数为a，设定关联系数为b，设定快速反射镜的摆动角度θ，则：。

[0015] 进一步，根据快速反射镜的摆动角度，对快速反射镜施加与所述摆动角度对应的控制电压，实现快速反射镜摆动，以补偿目标调整光路的不稳定因素。

[0016] 进一步，在信标光源传输光路的末端采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场采集主激光指向信息作为第二光斑指向信息。

[0017] 进一步，所述不稳定因素为低频漂移时，大型激光装置准直完成后，在大型激光装置的靶场采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，主发射前，在大型激光装置的靶场再次采集信标光源指向信息作为第二光斑指向信息，获得信标光光斑位置的低频漂移量，基于第一标定系数以及关联系数，调整光路中投射镜（光路中靶点前的最后一个反射镜）的姿态完成低频漂移的控制。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 1、通过设置信标光源，确定第一标定系数和第二标定系数，利用前置的快速反射镜，补偿目标调整光路的不稳定因素，以提升大型激光装置打靶精度。

[0020] 2、利用信标光源以及快速反射镜实现准直完成后至主发射前时间段产生的低频漂移控制，实现打靶精度的提升。

[0021] 3、低频漂移控制和高频振动控制，是两个独立的过程，低频漂移控制发生在主发射前，高频振动控制发生在主发射过程中。

[0022] 4、大型激光装置为单发次工作模式，打靶精度是多发次实验的综合精度表征，多发次综合打靶点的弥散圆的收缩，即实现了打靶精度的提升。

[0023] 5、将小口径光路的反射镜替换为快速反射镜，快速反射镜的各项性能指标更容易实现，提高补偿精度。

附图说明

[0024] 图1是本发明的流程框图；

[0025] 图2是实施例一中靶场传输光路与信标光源的示意图；

[0026] 图3是实施例一中靶场传输光路与快速反射镜的示意图；

[0027] 图4（a）是实施例一中信标光监测单元采集的光束指向示意图；

[0028] 图4（b）是实施例一中靶点监测单元采集的光束指向示意图；

[0029] 图5是信标光监测单元的结构示意图；

[0030] 图6是实施例二中主放大光路与快速反射镜的示意图。

具体实施方式

[0031] 为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

[0032] 快速反射镜主要用于高频振动控制，其主要应用场景为高重频或准连续光束的高频振动控制。通过探测振动信号，实时获取振动数据并反馈至快速反射镜，通过对快速反射镜施加电压对偏转的信号进行反向控制，实现目标信号的稳定，是一种闭环的主动控制手段，可直接观测到振动信号的控制状态，通过调整优化控制参数，获得较好的振动控制效果。

[0033] 针对大型激光装置，光束经前端系统、预放大系统、主放大系统、靶场传输系统后，聚焦至靶点进行打靶，前端系统产生的光束经光纤传输至预放大系统进行放大，预放大系统为小口径光路（不大于60mm口径），光束经预放大系统输出后扩束至主放大系统，在主放大系统中，仅反转器光路段为小口径光路（约100mm 150mm口径），其余主光路段均为大口径~光路（大于200mm口径），光束经主放大系统输出后，经靶场传输系统传输至终端光学组件，最后进行聚焦打靶，靶场传输系统以及聚焦光路均为大口径光路。因此，对于大型激光装置，光束主要运行在大口径光路中。

[0034] 受限于快速反射镜的口径，利用快速反射镜控制整个激光装置的振动时，大多利用装置中的小口径光路进行。同时，大型激光装置为单发次工作的装置，无法获得实时振动信号的反馈，即无法进行全闭环校正。

[0035] 鉴于此，如图1所示，发明人提出一种用于提升大型激光装置打靶精度的方法，具体包括以下步骤：

[0036] 步骤S100、在主激光传输光路中含有不稳定因素的光路段设置信标光源，通过信标光监测单元采集第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场通过靶点监测单元采集第二光斑指向信息；

[0037] 步骤S200、标定第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的第一标定系数，确定位于主激光传输光路中小口径光路的反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数；

[0038] 步骤S300、将与第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，得到快速反射镜的摆动角度并对快速反射镜施加控制电压进行摆动。

[0039] 进一步优选的，所述不稳定因素为高频振动，需要对含有不稳定因素的光路段产生的抖动进行控制，将所述含有不稳定因素的光路段作为目标调整光路。

[0040] 进一步优选的，所述信标光源位于所述目标调整光路的任一位置，所述信标光源的传输路径作为信标光源传输光路，且所述信标光源传输光路覆盖所述目标调整光路，用信标光源来表征目标调整光路的抖动情况。同时，默认信标光源自身是稳定的，经过目标调整光路的信标光源就会携带目标调整光路引入的抖动量，最终引起靶点的抖动和漂移。

[0041] 进一步优选的，当目标调整光路为小口径光路段（光束口径＜200mm）时，确定目标调整光路中其一反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数，并将与所述第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，当目标调整光路为大口径光路段（光束口径≥200mm）时，确定位于目标调整光路前级的小口径光路中其一反射镜的摆动角度与第一光斑指向信息的第二标定系数，并将与所述第二标定系数相对应的反射镜替换为快速反射镜，即将快速反射镜前置。

[0042] 进一步优选的，所述第一光斑指向信息为第一光斑的位置偏移量（即信标光光斑的位置偏移量），所述第二光斑指向信息为第二光斑的位置偏移量（即主激光光斑的位置偏移量），计算第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的比例关系得到第一标定系数。

[0043] 进一步优选的，所述第二光斑指向信息与所述小口径光路的反射镜的摆动角度存有固定的关联系数，所述关联系数由主激光传输光路的光学设计参数决定，设定第一标定系数为a，设定关联系数为b，设定快速反射镜的摆动角度θ，则：。

[0044] 各系数的标定过程如下：

[0045] 第一步、第一光斑指向信息与第二光斑指向信息之间的比例关系：

[0046] 同时发射主激光和信标光，通过信标光监测单元和靶点监测单元观测两束光的远场光斑并记录光斑中心点作为标定基准位置（信标光监测单元以及靶点监测单元的曝光时间拉长至百微秒左右，以获得平均效果，即光斑中心），此时，调整主激光传输光路中一个反射镜的姿态（x轴方向和y轴方向分别调整），引起两个光斑远场同时偏移并记录，获得第一标定系数。

[0047] Δx信标光/Δx主激光=a1，Δy信标光/Δy主激光=a2，多次测量取平均值，其中，Δx信标光表示信标光光斑沿着x轴方向的偏移量，Δy信标光表示信标光光斑沿着y轴方向的偏移量，Δx主激光表示主激光光斑沿着x轴方向的偏移量，Δy主激光表示主激光光斑沿着y轴方向的偏移量，a1表示第一标定系数沿着x轴方向的分量，a2表示第一标定系数沿着y轴方向的分量。

[0048] 第二步、标定位于主激光传输光路中小口径光路的反射镜的摆动角度与主激光光斑偏移量之间的关系：发射主激光（信标光可不工作或工作），通过靶点监测单元观测主激光远场光斑并记录中心作为基准位置（靶点监测单元的曝光时间拉长至百微秒左右，以获得平均效果，即光斑中心），调整反射镜的姿态（x轴方向和y轴方向分别调整），观测主激光光斑偏移量Δx主激光、Δy主激光，则θ'x=Δx主激光×b1，θ'y=Δy主激光×b2，其中，θ'x表示反射镜沿着x轴方向的摆动角度，θ'y表示反射镜沿着y轴方向的摆动角度，b1表示第二标定系数沿着x轴方向的分量，b2表示第二标定系数沿着y轴方向的分量。

[0049] 第三步、获得快速反射镜的摆动角度与信标光光斑偏移量之间的关系，θx=θ'x=Δx主激光×b1=Δx信标光/a1×b1，θy=θ'y=Δy主激光×b2=Δy信标光/a2×b2，θx表示快速反射镜沿着x轴方向的摆动角度，θy表示快速反射镜沿着y轴方向的摆动角度。

[0050] 进一步优选的，根据快速反射镜的摆动角度，对快速反射镜施加与所述摆动角度对应的控制电压，实现快速反射镜摆动，以补偿目标调整光路的不稳定因素。

[0051] 实施例一：

[0052] 大型激光装置的主激光光路多为高架光路，由机械结构支撑，不能直接落在地面，高架光路的稳定性较差，容易受到地脉动的高频振动影响。

[0053] 本实施例中，目标调整光路为靶场传输光路，在靶场传输光路中设置信标光源以及用于采集第一光斑指向信息的信标光源监测单元，受空间结构限制，在靶场传输光路的输出端插入反射镜经信标光源发出的信标光返回到注入位置，进入信标光源监测单元，如图2所示。

[0054] 在信标光源传输光路的末端采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，在大型激光装置的靶场采集主激光指向信息作为第二光斑指向信息。

[0055] 仿真计算时，给目标调整光路的每一个元件赋予随机的角度抖动量，在信标光监测单元和靶点监测单元可以看到同样的角度抖动量引入的光束指向变化，且振动幅值之间存在固定比例关系即第一标定系数，其中，图4（a）为信标光监测单元采集的光束指向示意图，图4（b）为靶点监测单元采集的光束指向示意图。本实施例中，第一标定系数为0.375。

[0056] 对于高频振动而言，快速反射镜控制是比较常见且效果显著的控制手段，但是，快速反射镜不适用于大口径光路，因此，将快速反射镜前移至主放大系统中光束反转器（小口径光路），如图3所示。该位置由快速反射镜替换之前的反射镜的角度变化同样会引起靶点光束指向的变换，这个变化存在固定对应关系，即第二标定系数。本实施例中，第二标定系数为2.5。

[0057] 根据前文所述的公式得到快速反射镜的摆动角度，就可以将这个抖动校正回来。也就是说，以信标光作为反馈信号，观测信标光的位置偏移量，根据获得的标定关系，发送对应的控制电压至小口径的快速反射镜，实现高频振动闭环控制。

[0058] 如图5所示，信标光监测单元设置两个监视器，PSD（位置敏感探测器）用于快速反射镜的反馈控制（速度快），CMOS（图像传感器）用于获取闭环控制基准。闭环控制基准的获取方法是：增加CMOS的曝光时间，也就是加长积分时间，在CMOS上观测到一个稳定的信标光光斑，该信标光光斑的中心就是闭环控制基准。

[0059] 通过设置信标光源，获得大口径光路的高频振动信息，快速反射镜前置，关联该高频振动信息至小口径光路，通过前置补偿的方式实现大口径光路高频振动控制，最终实现打靶精度提升。

[0060] 实施例二：

[0061] 本实施例与实施例一不同的是：目标调整光路为主放大光路。

[0062] 如图6所示，主放大光路高频振动需控制的点为TSF的PA2‑4焦点位置，这个位置是主放大能量输出最高的位置，PA2‑4处的光斑可以通过主放诊断测量单元进行观测。信标光经CSF注入后沿主放大光路进行四程传输后到达PA2‑4的位置，携带了振动信息，通过信标光监测单元采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，第一光斑指向信息作为闭环反馈控制的信息，在主放诊断测量单元采集主激光指向信息作为第二光斑指向信息。

[0063] 主放大光路的高频振动控制可以选择闭环控制的方式，即用快速反射镜替换光束反转器的其一反射镜，闭环控制模式下准确性更高。同时，也可选用准闭环控制模式，类似于靶场传输光路的形式，将快速反射镜前移至预放大光路，由于预放大光路的光路口径更小，快速反射镜的各项性能指标更容易实现，但是需要将高频振动信息关联到预放大光路的快反镜。

[0064] 实施例三：

[0065] 通常的，光路准直完成到打靶，需要等待30‑50分钟，这段时间内，光束指向就会产生低频漂移（慢漂），如果没有信标光，这个漂移是无法观测到的，也就不可控制，会影响打靶精度。

[0066] 当不稳定因素为低频漂移时，大型激光装置准直完成后，在大型激光装置的靶场采集信标光源指向信息作为第一光斑指向信息，主发射前，在大型激光装置的靶场再次采集信标光源指向信息作为第二光斑指向信息，获得信标光光斑位置的低频漂移量，利用第一光斑指向信息、第二光斑指向信息得到第一标定系数，所述第二光斑指向信息与靶场传输光路中投射镜（光路中靶点前的最后一个反射镜）的摆动角度存有固定的关联系数，所述关联系数由主激光传输光路的光学设计参数决定，基于第一标定系数以及关联系数，调整投射镜的姿态完成低频漂移的控制，此时，所述信标光源位于靶场传输光路之前。

[0067] 延长CMOS的曝光时间，也就是增加积分时间，在CMOS上观测到一个稳定的信标光光斑，该信标光光斑的中心就是闭环控制基准。

[0068] 以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。