全自动光学谐振腔稳定调节系统的可行性研究
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摘要
自从激光器问世以来，光学谐振腔稳定技术就一直是激光技术研究的一个
重要课题。在激光器工作过程中，一些内部和外部因素的影响将会导致激光谐
振腔镜空间相对位置发生变化，致使激光束偏离理想状态。最终影响激光束的
方向性、光斑模式的均匀性和激光束的强度等。这是在激光器的使用中所不希
望发生的现象。所以光学谐振腔稳定技术研究就显得尤为重要。
本文讨论了全自动光学谐振腔稳定调节系统。这项研究涉及光、机、电以
及计算机等多个方面。
我们运用光学的有关定律，推导出光学谐振腔镜的倾斜角和光斑偏移量之
间的直接函数关系。为了验证这个理论的正确性，设计了光学谐振腔稳定实验
装置。用带有椭圆内孔的刮刀镜切取光学谐振腔的输出光束到CCD的接收面
上。把CCD接收到的环形光斑输入计算机，进行图象处理与分析，检测出环形
光斑的内外圆环边缘，然后用曲线拟合的方法获得内外圆环中心坐标，计算出
光斑偏移量。由光斑偏移量反演出谐振腔镜的倾斜角，并把腔镜倾斜角反馈给
控制系统。在控制执行机构中，用四个步进电机分别控制两个腔镜的四个失调
角度。采用先进的控制算法，通过电机控制器对每个电机的运动速度和位移进
行动态控制，将光腔的失调量补偿回来。
实验结果表明，依据这样的理论，建立的稳定调节方法是合理的、切实可
行的，对于提高光学谐振腔的稳定性具有显著效果。
Since the invention of laser, adjustment system for the stability of the
resonator has been taken into consideration in research of laser. Some internal and
external factors may disalign the mirror and lead to the deviation of output beam
from ideal status. So the research on the stability of the resonator is of special
importance.
In this thesis, we discussed an automatic resonator adjustment system. The
research includes several technical fields such as optics, mechanics, automatic
control and computer science.
We deduced the relation function between the incline angle of the resonator
mirrors and the deviation of output pattern position using optics law. According
to the relation ,we can obtain the incline angle. In order to validate the theory, we
design stable equipment of resonator. The mirror with an elliptic inner hole deflects
the output beam of laser to a CCD sensor. The data of the image received by CCD
is transformed into a micro-computer and the image is processed and analyzed.
Finally we detect the inner and outer edge of the cirque, get the centeral position of
the ring by fitting the curve and obtain the deviation of optics maladjustment.
We can obtain incline angle according to the deviation of optics
maladjustment and transfer the angle into control system. In control system ,four
micro-motors control four angles of the two mirrors. Using advanced control
technique, motor controller operate speed and displacement of each motor and
compensate the maladjustment of resonator.
Experiment result has proved that this stable adjustment method is reasonable
and can improve stability of resonator.
重要课题。在激光器工作过程中，一些内部和外部因素的影响将会导致激光谐
振腔镜空间相对位置发生变化，致使激光束偏离理想状态。最终影响激光束的
方向性、光斑模式的均匀性和激光束的强度等。这是在激光器的使用中所不希
望发生的现象。所以光学谐振腔稳定技术研究就显得尤为重要。
本文讨论了全自动光学谐振腔稳定调节系统。这项研究涉及光、机、电以
及计算机等多个方面。
我们运用光学的有关定律，推导出光学谐振腔镜的倾斜角和光斑偏移量之
间的直接函数关系。为了验证这个理论的正确性，设计了光学谐振腔稳定实验
装置。用带有椭圆内孔的刮刀镜切取光学谐振腔的输出光束到CCD的接收面
上。把CCD接收到的环形光斑输入计算机，进行图象处理与分析，检测出环形
光斑的内外圆环边缘，然后用曲线拟合的方法获得内外圆环中心坐标，计算出
光斑偏移量。由光斑偏移量反演出谐振腔镜的倾斜角，并把腔镜倾斜角反馈给
控制系统。在控制执行机构中，用四个步进电机分别控制两个腔镜的四个失调
角度。采用先进的控制算法，通过电机控制器对每个电机的运动速度和位移进
行动态控制，将光腔的失调量补偿回来。
实验结果表明，依据这样的理论，建立的稳定调节方法是合理的、切实可
行的，对于提高光学谐振腔的稳定性具有显著效果。
Since the invention of laser, adjustment system for the stability of the
resonator has been taken into consideration in research of laser. Some internal and
external factors may disalign the mirror and lead to the deviation of output beam
from ideal status. So the research on the stability of the resonator is of special
importance.
In this thesis, we discussed an automatic resonator adjustment system. The
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control and computer science.
We deduced the relation function between the incline angle of the resonator
mirrors and the deviation of output pattern position using optics law. According
to the relation ,we can obtain the incline angle. In order to validate the theory, we
design stable equipment of resonator. The mirror with an elliptic inner hole deflects
the output beam of laser to a CCD sensor. The data of the image received by CCD
is transformed into a micro-computer and the image is processed and analyzed.
Finally we detect the inner and outer edge of the cirque, get the centeral position of
the ring by fitting the curve and obtain the deviation of optics maladjustment.
We can obtain incline angle according to the deviation of optics
maladjustment and transfer the angle into control system. In control system ,four
micro-motors control four angles of the two mirrors. Using advanced control
technique, motor controller operate speed and displacement of each motor and
compensate the maladjustment of resonator.
Experiment result has proved that this stable adjustment method is reasonable
and can improve stability of resonator.
引文
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2、 俞宽新等，激光原理与激光技术，北京工业出版社，1998
3、 Kenneth．R．Castleman，数字图象处理，电子工业出版社，1998
4、 赵荣春等，数字图象处理导论，西北工业大学出版社，1999
5、 吕凤军，数字图象处理编程入门，清华大学出版社，1999
6、 全自动光学谐振腔稳定系统技术方案，1999
7、 .R．Akitt，H．J．J．Seguin，C．V．Sellathamby，and K．Rogozinski，An industrial quiality automatic resonator aligment system For a 20 KW CO2 laser．optics &Laser Technoligy，1993，25(7) ，315-322
8、 康健等，多变量自适应光学谐振腔系统动态特性的研究，光学学报，，1994， 14(7) ，752～757
11、 姚煜等，散斑位移法测量激光高斯光束的空间分布， 强激光与粒子束 2000，12(2) ，141～144
12、 徐继友等，小波变换在图象边缘提取中的应用，光电工程，1998，25(4) ， 28～34
13、 凌阳等，自适应光学系统中高速倾斜反射镜的稳定控制，强激光与粒子 束，1992，11(10) ，31～36
14、 H．Joseph，Unbiased Least Squares Fitting of Circle Ares，Graphical model and image processing，1994，56(5) ，424～432
15、 于刚，二值图象边界平滑跟踪的一个算法，中国图象图形学报，1997， 2(7) ，471～472
16、 吕百达等，光学系统的失调对激光束发射性能的影响，激光技术， 1999，23(6) ，356～359
17、 D．Akitt，H．J．J．Seguin，M．R．Cervenan，and S．K．Nikumb，Automatic Alignment of a High-Power CO2 Laser Resonator，Appl．Phy．B 51，326～328，(1990)
18、 R．H．Freeman，R．J．Freiberg，and H．R．Garcia，Adaptive laser resonator，Optics Letters，1998，2(30) ，61～63
19、 吕百达，关于激光光束质量若干问题的分析，激光技术，1998，22(1) ，
14～17
20、 竺子民，基于泰泊效应的高斯光束尺寸测量，光学学报，1996，16(7) ， 982-987
21、 叶嘉雄等，自适应激光谐振腔模式像差的微机控制器，光电工程，1996， 23(2) ，53～56
22、 叶嘉雄等，自适应光学谐振腔系统的稳定性分析，光电工程，1996，23(1) ， 18～23
23、 张国轩等，用CCD摄像机检测激光器输出光束的指向稳定性，应用光学， 1998，19(2) ，15～18
27、 S．M．Thomas and Y．T．Chan．A simple approach for the estimation of circular arc center and radius，Comput，Vision Graphics Image Process 45，1989， 362～370
28、 B．B．Chaudhufi and P．Knudu．Optimum circular fit to weighted data in muti-dimensional space，Pattern Recog．Lett．14，1993，1～6
29、 P．D．Sampson，Fitting conic sections to very scattered data，Comput．Vision Graphics Image Process，18，1982． 97～108
30、 U．M．Landau，Estimation of a circular are center and its radius，Comput．Vision Graphics Image Process，38，1987，317～326．
31、 刘泽金，高能非稳腔激光器光束质量评价的探讨，中国激光，1998，25(3) ， 193～196
32、 Du xiangwan，Factors for evaluating beam quality of high power laser on the target surface infar filed，Chineses J．Laser，1997，A24(4) ，327～332
33、 吕百达，激光光学(第二版)， 成都，四川大学出版社，1992
34、 Paul L．Rosin，Assessing error of fit function for ellipses，Graphical model and image procesing，58(5) ，September，PP．494～502，1996
35、 叶嘉雄等，自适应光学，武汉，华中理工大学出版社，1992
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