高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法及装置

本发明属于光电子及激光，更具体地，涉及一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法及装置。

背景技术：

1、声光偏转器是一种重要的激光光束固态偏转器件，具有高速、高精度、无惯性的扫描特点，在半导体加工、平板显示、生物成像、医疗和航空航天等领域有着广泛的应用。作为一种无机械运动的固态激光光束扫描器件，它是通过控制外部射频信号的改变精确的实现光束角度的偏转，控制信号的细分精度与光束偏转精度有关，控制信号的扫描速度与光束偏转速度有关。一般情况下，声光偏转器的偏转速度可达到500rad/s,偏转精度小于1urad。如何精准的测量其光束偏转精度，标定该器件的核心技术指标，是提升该器件控制性能、拓展应用领域的关键。

2、现有的激光光束的偏转角度及偏转精度的测量方法很多，包括机械测量法、干涉法、全内反射临界角测量法等。其中，由于机械测量装置的响应频率在100hz以内，远低于声光偏转器高速工作下的偏转频率(0.1～2mhz)，所以只能测量低速工作下声光偏转器的偏转角度。此外，测量中平台振动、地表振动以及器件振动的频率在20hz左右，与机械测量装置的响应频率相近，引入的噪声对测量结果影响很大。想要降低噪声影响，需要建立复杂的机械结构，加工成本较高，同时精度易受机械零件的磨损和疲劳影响。

3、干涉法测量激光偏转角度的原理是利用干涉现象来测量光程差从而得到角度信息，包括法布里珀罗干涉法、无源干涉法、波前差分干涉法等。总体而言，干涉法环境干扰影响大，环境因素如温度、震动等都会对干涉信号产生影响，导致测量精度下降；处理信号复杂，得到的信号通常是光强的干涉图案，需要对信号进行复杂的信号处理才能得到精确的角度信息，且需要使用复杂的干涉仪器，设备成本较高。

4、全内反射临界角测量法利用光在两种介质的交界面上发生全反射附近的效应测量激光光束的偏转角度。具体而言，在两种介质的交界面上，当入射光和法线的夹角接近于全反射角时，出射光的光强与入射角偏离全反射角的角度近似呈线性关系，根据出射光的光强可以得出激光的偏转角度。但是全内反射临界角测量法也受限于全内反射临界角，在每次测量时都要将主光路对到全内反射临界角处，操作复杂，且十分依赖于校准精度。

5、因此，现有的测量装置响应频率低，外界的振动，光束自身的抖动引入的误差极大的降低了偏转角测量的精度，更无法测量像声光偏转器这类固态高速偏转器百纳弧度以下精度的角度偏转。与此同时，现有测量装置结构复杂，测量操作繁琐，设备成本高，测量精度受温度、振动等噪声影响大。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法及装置，旨在解决现有装置和方法只能测量低速工作下声光偏转器的偏转角度，测量精度较低，无法实现百纳弧度的偏转精度的测量，同时装置结构复杂，测量精度受影响大的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法，包括：

3、高速声光偏转器以预设频率移动高频偏转激光光束，使形成的偏转光斑连续扫描光电探测器的光敏面，获取一个扫描周期内所述光电探测器的电流变化数据，构建电流-时间曲线；

4、移动光电探测器并观察所述光电探测器的电流变化，将两个电流突变点对应的光电探测器位置分别确定为所述高速声光偏转器的扫描起始点和扫描终点；

5、在激光光束不偏转时，移动光电探测器并观察所述光电探测器的电流变化，根据两个电流突变点对应的光电探测器位置确定原点光斑的圆心和半径，所述圆心作为原点，所述原点光斑的半径和所述偏转光斑的半径相等；

6、根据扫描起始点和原点的距离与光电探测器和高速声光偏转器的距离之比确定扫描起始点的偏转角度，根据扫描终止点和原点的距离与光电探测器和高速声光偏转器的距离之比确定扫描终点的偏转角度，并确定所述高速声光偏转器的偏转角度范围，构建偏转角-时间曲线，并得到高速声光偏转器的偏转精度；

7、基于所述电流-时间曲线和所述偏转角-时间曲线构建电流-偏转角度关系曲线，得到高速声光偏转器的偏转精度；

8、获取所述光电探测器的实时电流数据，并通过查电流-偏转角度关系曲线得到实时偏转角数据。

9、可选的，所述移动光电探测器并观察所述光电探测器的电流变化，将两个电流突变点对应的光电探测器位置分别确定为所述高速声光偏转器的扫描起始点和扫描终点，包括：

10、控制所述水平位移台让所述光电探测器的光敏面与所述偏转光斑完全分离，记录此时所述示波器探测到的所述光电探测器的底噪电流为j0；

11、调整所述水平位移台使得所述光敏面与所述偏转光斑边缘重合，通过所述示波器观察所述光电探测器的电流变化，当电流降到j0时，所述光敏面与所述偏转光斑外切；

12、控制所述水平位移台移动所述光电探测器使得所述光电探测器的光敏面与所述偏转光斑左侧外切，记录该位置为第一位置，对应的刻度值为p1，确定其为所述高速声光偏转器的扫描起始点；

13、控制所述水平位移台从左往右移动，使得所述光电探测器的光敏面与所述偏转光斑右侧外切，记录该位置为第二位置，对应的刻度值为p2，确定其为所述高速声光偏转器的扫描终点；

14、根据所述扫描起始点和扫描终点确定扫描区域的位置信息与大小。

15、可选的，所述在激光光束不偏转时，移动光电探测器并观察所述光电探测器的电流变化，根据两个电流突变点对应的光电探测器位置确定原点光斑的圆心和半径，所述圆心作为原点，所述原点光斑的半径和所述偏转光斑的半径相等，包括：

16、关闭所述高速声光偏转器并调整激光功率，使从高速声光偏转器透射的激光光束功率与高速声光偏转器工作时的透射激光光束功率相同，激光光束不偏转，设定此时的原点光斑的圆心位置为原点；

17、控制所述水平位移台移动所述光电探测器使得所述光电探测器的光敏面与原点光斑左侧外切，记录该位置为第三位置，对应的刻度值为p3；

18、控制所述水平位移台移动所述光电探测器使得光电探测器的光敏面与所述原点光斑右侧外切，记录该位置为第四位置，对应的刻度值为p4；

19、所述原点对应的刻度值为查询所述光电探测器的光敏面的半径r，所述原点光斑的半径和所述偏转光斑的半径相等，所述光斑的半径r如下：

20、

21、其中，r的大小在偏转角度测量过程开始之前由光阑调整至合适值，测量过程中保持不变。

22、可选的，所述根据扫描起始点和原点的距离与光电探测器和高速声光偏转器的距离之比确定扫描起始点的偏转角度，根据扫描终止点和原点的距离与光电探测器和高速声光偏转器的距离之比确定扫描终点的偏转角度，并确定所述高速声光偏转器的偏转角度范围，构建偏转角-时间曲线，包括：

23、根据所述偏转光斑的半径、原点光斑的位置和扫描起始点确定扫描起始点的偏转角度，所述高速声光偏转器的扫描起始点的偏转角度为：

24、

25、其中，l1为光电探测器和高速声光偏转器的距离，l2为扫描起始点和原点的距离，l2＝p1-p5+r+r；

26、根据所述偏转光斑的半径、原点光斑的位置和扫描终点确定扫描终点的偏转角度，所述高速声光偏转器的扫描终止点的偏转角度为：

27、

28、其中，l3为扫描终止点和原点的距离，l3＝p2-p5-(r+r)；

29、根据所述扫描起始点的偏转角度和扫描终点的偏转角度确定所述高速声光偏转器的偏转角度范围为θ∈[θstart,θend]；

30、根据偏转角度范围和周期时长构建偏转角-时间曲线。

31、可选的，所述偏转角度的测量精度为：

32、

33、其中，n为扫描点的总个数。

34、可选的，所述高速声光偏转器的扫描方式包括步进式扫描或飞点式扫描；

35、其中，所述步进式扫描为：所述高速声光偏转器以预设频率和预设步进角进行步进扫描，每扫描完一个扫描点，所述高速声光偏转器在当前扫描点停留预设时间；

36、所述飞点式扫描为：所述高速声光偏转器以预设频率对扫描点进行跳跃式扫描，每扫描完一个扫描点，所述高速声光偏转器返回起始点并停留预设时间，再次扫描时跳跃至下个扫描点。

37、第二方面，本发明还提供了一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量装置，用于执行如上述第一方面中所述的测量方法，包括：

38、激光扩束单元，用于将连续单频激光器发出的入射激光光束扩束，压缩发散角；

39、光阑，用于过滤经过扩束后的激光光束，获取偏转光斑；

40、高速声光偏转器，包括高速声光偏转器及其驱动装置，用于将入射激光光束偏转预设角度；

41、光电探测单元，用于获取所述高速声光偏转器偏转过程中偏转光斑的位置数据，以及对应的电流强度数据；

42、水平位移台，用于带动连接的所述光电探测单元移动；

43、主控单元，控制所述高速声光偏转器的驱动装置和水平位移台移动，根据偏转光斑的位置数据和电流强度数据计算高速声光偏转器的偏转角度，并构建所述高速声光偏转器的偏转角度和所述光电探测器的电流之间的电流-偏转角度关系曲线。

44、可选的，所述激光扩束单元、光阑、高速声光偏转器和光电探测单元沿入射激光光束的光轴依次设置。

45、可选的，所述光电探测单元的响应时间小于等于10ns；

46、所述高速声光偏转器的角度偏转频率超过10khz；

47、所述高速声光偏转器在偏转范围内任意位置的衍射效率均相同。

48、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得有益效果包括：

49、1、本发明提供的一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法，通过光电探测器获取在一个扫描周期中电流变化数据，借助与光电探测器连接的水平位移台移动光电探测器，并根据水平位移台上的刻度获取一个扫描周期中测量高速声光偏转器的偏转角度范围，通过构建一个扫描周期中电流数据与偏转角数据的对应关系曲线，得到高速声光偏转器的偏转精度，并使得在测量高速声光偏转器的偏转角度时，通过光电探测器的电流数据查表快速获取偏转角度数据，仅采用一个高速声光偏转器和一个光电探测器，使整个系统更加而灵活可控，相较于传统的激光光束的偏转角度的测量方案更加简洁，易于调试，成本较低，偏转精度高。

50、2、本发明提供的一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法，在测量时首先考虑到了激光光强的准确分布，其次使用了高响应速度的光电探测器，使高速声光偏转器的偏转角度转化为激光光斑进入面阵光电探测器的光强积分，进一步转化为光电探测器的输出电流，具有很高的测量精度。

51、3、本发明提供的一种高速声光偏转器的偏转角度及偏转精度的测量方法，利用了高速声光偏转器的偏转频率在10khz以上和光电探测器响应时间在10ns以内的特点，在高速声光偏转器的一个扫描周期内，其它低频噪声如温度和平台振动的变化很小，可视为常量。所以本发明能够有效降低温度、振动等低频噪声对测量结果的影响，提高测量精度。同时本方案也适配于其他需要测量高频率变化的激光光束偏转角度的应用场景。