分离式调控的高精度光束指向稳定系统 High-accuracy laser spatial alignment and stabilization system with error separation technology 1 first-author 马程鹏（1993-），男，浙江绍兴人，工程师，2018年于北京航空航天大学获得硕士学位，主要从事激光纳米直写与成像、高精度光束指向稳定调控方面的研究。E-mail： machengpeng@zhejianglab.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410420&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410444&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410411&type= 22.01333237 32.00399780 马程鹏 （1993-），男，浙江绍兴人，工程师，2018年于北京航空航天大学获得硕士学位，主要从事激光纳米直写与成像、高精度光束指向稳定调控方面的研究。E-mail： machengpeng@zhejianglab.com machengpeng@zhejianglab.com 1 1 1 1 corresp E-mail：dingcl@zhejianglab.com E-mail：dingcl@zhejianglab.com dingcl@zhejianglab.com 1 2 3 corresp cfkuang@zju.edu.cn cfkuang@zju.edu.cn 匡翠方（1977-），男，博士，教授，博士生导师，主持国家杰出青年科学基金等研究项目20多项，累计发表论文140余篇，荣获得2019年中国技术发明二等奖、2019年王大珩光学奖等多个奖项，长期从事高通量激光纳米直写、超分辨荧光成像、光电检测等方面的研究工作。E-mail： cfkuang@zju.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410449&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410476&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410441&type= 22.01332855 32.00399780 匡翠方 （1977-），男，博士，教授，博士生导师，主持国家杰出青年科学基金等研究项目20多项，累计发表论文140余篇，荣获得2019年中国技术发明二等奖、2019年王大珩光学奖等多个奖项，长期从事高通量激光纳米直写、超分辨荧光成像、光电检测等方面的研究工作。E-mail： cfkuang@zju.edu.cn cfkuang@zju.edu.cn 之江实验室 智能芯片与器件研究中心，浙江 杭州 310023 之江实验室 智能芯片与器件研究中心，浙江 杭州 310023 Research Center for Intelligent Chips and Devices， Zhejiang Laboratory， Hangzhou 310023， China Research Center for Intelligent Chips and Devices， Zhejiang Laboratory， Hangzhou 310023， China 浙江大学 光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027 浙江大学 光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation， College of Optical Science and Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation， College of Optical Science and Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China 极端光学技术与仪器全国重点实验室， 浙江 杭州 311200 极端光学技术与仪器全国重点实验室， 浙江 杭州 311200 State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation， ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center， Hangzhou 311200， China State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation， ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center， Hangzhou 311200， China 光束指向稳定系统基于对光束位置和角度的控制，能够实现对光束指向的高精度主动控制，在微纳光刻及超分辨成像等领域中发挥着重要的作用。为了实现光束的长时间指向稳定，提出一种分离式调控的小型化光束指向稳定系统，消除了传统方案中双反射镜校正带来的耦合误差，大幅度提升了光束指向精度的控制性能。对比测试结果表明，基于该方法的光束指向稳定系统对光束位置的稳定精度（RMS值）可达0.3 μm，角度稳定精度（RMS值）达到1 μrad；施加一定幅度的主动扰动后的测试结果表明，该系统在较大的光源抖动下仍能保持同一量级的稳定精度。相比于同样测试条件下的两种商业化光束指向稳定系统，其位置抖动与角度抖动性能可提高50%以上。 The laser beam stabilization system facilitates high-precision correction of the laser beam via the control of the beam position and angle， providing long-term stability. It plays an important role in micro/nano-laser direct writing and super-resolution imaging. In this paper， a miniaturized laser stabilization system with error separation technology， which eliminates the coupling error caused by traditional dual-mirror controlling and improves the performance of laser beam stabilization control， is proposed. Comparative experiments indicate that the laser stabilization system based on this method stabilized the beam position with an accuracy better than 0.3 µm （RMS） and stabilized the angle with an accuracy better than 1 µrad （RMS）. The results of test experiments with active disturbance indicate that the system maintained the same performance. Compared with two commercial laser stabilization systems under the same conditions， the proposed system can yield 50% lower position and angle jitter. 光束稳定 高精度校正 高精度角度检测 误差分离技术 laser stabilization high-precision correction high precision angle detection error separation technology 1 引 言 1 近年来，激光技术在微纳加工、显微成像、激光通信和高能激光器等领域大放异彩 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。各领域对激光光束的稳定性要求不断提高，然而，光学系统所处的环境干扰和自身的光源指向误差会带来光束在空间位置和角度的不规则抖动 ［ 4 4 ］ 。在纳米光刻与超分辨成像领域，加工特征尺寸与成像精度已突破10 nm ［ 5 5 - 8 8 5-8 ］ ，系统中光束稳定性的要求越来越高，目前市面上可获得的商业化光束指向稳定系统已无法满足需求。 光束指向的抖动通常被分解为位置抖动与角度抖动两个部分。位置抖动指光束平行于理想传播光轴形成的位置偏移（使用 X ， Y 表示），角度抖动指光束相对于理想传播光轴形成的偏转夹角（用 α ， β 表示）。通常，对于高精度的光学系统而言，角度抖动的后果更加严重，例如在微纳光刻系统中，物镜入瞳的入射光束具有角度误差时会引起焦点位置的大幅偏移。 为实现高精度的光束指向控制，首先需要实现光束指向的准确检测。常用的探测器有灵敏探测器（Position Sensitive Detectors， PSD）、象限探测器与电荷耦合器件（Charge-coupled Devices， CCDs）等 ［ 9 9 - 11 11 9-11 ］ ，能够得出探测器传感表面的光束二维位置信息。对于光束的位置探测，可直接将光束采样投射到探测器探测面上，也可使用透镜将光路前方一点成像至探测面上，实现位置判断。常用的角度探测方法使用透镜与位置探测器的组合，利用透镜聚焦将角度信息转换成位置信息投射到位置探测器探测面上，再进行换算测量，由于探测面上的光点来自透镜聚焦，所以在角度探测的同时不会受到光束位置偏移的影响，从而实现角度的单独探测。高精度的位移检测结合长焦距的透镜理论上可以获得小于1 μrad的角度检测精度。然而，长焦距透镜带来的长光程，会造成光束稳定系统体积过大，且长光程本身会造成探测光路易受环境的干扰，导致探测能力下降。在角度探测小型化研究上，Huang团队 ［ 12 12 - 13 13 12-13 ］ 提出基于全反射临界角效应（Critical-angle effect）的角度检测方法，通过光束在全反射临界角附近反射率的急剧变化，建立能量与偏转角度的关系，将角度测量转换成能量测量，从而实现高精度的角度测量，但探测光路较为复杂，要实现两个维度的角度探测成本较高。Garcia-Valenzuela团队 ［ 14 14 ］ 利用激光的干涉效应，将入射光束的角度变化转换为光栅条纹位置的变化，将光束通过光栅形成的条纹分别投射在各探测器上，通过检测探测器的光强判断光束角度，该方法对探测系统本身的安装调试精度要求较高，且易受到环境影响。Dobosz团队 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 提出了基于干涉条纹周期分析的方法，大幅缩小了整体体积，降低了外界的干扰，但是由于采用了多次测量优化精度，其响应速度受到了限制，约在20 Hz。 常见的光束指向主动调控方法大致可分为反射式和透射式两种。反射式方案 ［ 17 17 - 20 20 17-20 ］ 主要通过控制安装在光路中的两面反射镜组的联动实现对光束位置和角度的控制，当两者偏转相同角度时，光束只发生传播位置的改变；当两者以不同角度发生偏转时，光束传播角度发生改变。透射式方案主要基于楔形平片对光束在不同入射角下形成的折射角变化，通过控制一组楔形片对中各片偏转角度实现光束位置和角度的控制 ［ 21 21 ］ 。反射镜和楔形透射平片通常使用压电陶瓷或音圈电机作为执行器件进行控制，但由于目前的光束稳定方法都基于对一组光学元件的联合控制实现。因此，现有的光束指向控制方法由于执行器件间存在一定的耦合误差。 为了提升光束指向的探测和控制精度，并实现控制系统的小型化，本文提出并验证了一种基于分离式调控的光束位置与指向的稳定方案，实现角度与位置偏移的分离式调控，避免由双反射镜组合产生的耦合效应，解决耦合问题；利用误差分离技术的优势解决目前系统设计中由校正计算不准确造成的误差，实现无误差的校正反馈，具有大幅提升稳定精度的能力；针对角度漂移探测，摒弃之前利用使用的单透镜聚焦方式，采用等效长焦距透镜组的方式来实现高精度角度抖动的测量。最终，在小体积装置下实现了高精度的光束稳定控制。 2 系统设计 1 2.1　基于分离式调控的光束稳定系统光路设计与控制 2 图1 图1 （a）所示为误差分离技术的光路设计示意图。其中，主光路入射进入光束稳定系统后经回射器（HRM）、快速反射镜（Fast Steering Mirror， FSM）出射，分束器1（BS1）置于压电反射镜后部的主光路上分离出一束光用于检测；检测光路经分束器2（BS1）等分，其中透镜1（L1）与探测器1（PSD1）所在光路为位置检测光路，透镜2（L2）、透镜3（L3）和探测器2（PSD2）光路为角度检测光路。 图1 图1 （b）为光路实物图，集成了两组光束稳定光路，本文使用其中一组作为测试平台。 1;2; 该系统采用回射器作为位置控制器件，快速反射镜为角度控制器件。回射器由3个正交放置的反射镜拼合而成，入射光经过3次反射后平行于入射方向出射，当回射器固定，入射光平移时，出射光会在反方向平移相同距离。当入射光固定，回射器在平行于底面的平面上平移运动时，出射光束会在相同方向上产生平移，出射光位移量是回射器位移量的2倍；当入射光有角度偏移时，上述比例仍然成立。因此，回射器可单独控制位置，同时不受光束角度变化的影响。快速反射镜具有两轴调节功能，使用两个压电陶瓷促动器驱动反射镜进行两轴调节，实现对光束偏转角度的控制。 经分束器1、分束器2、透镜1到达探测器1的光路为位置探测光路。其中，透镜1将快速反射镜后方的光斑成像至探测器1表面，快速反射镜到透镜1的距离 d 1 + d 2 、透镜至探测器面的距离 d 3 、透镜1焦距 f 1 满足成像关系： <math display="block" id="M1"><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410550&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410528&type= 40.80933380 4.91066647 ， 式中： d 1 + d 2 =90 mm， d 3 =45 mm， f 1 =30 mm。当物平面位置的光斑发生平移，即光束经过反射镜后的光斑位置产生移动时，探测器1表面的光斑才产生移动，因此能够不受角度偏移的影响，探测该处光束位置的偏移情况。经分束器1、分束器2、透镜2、透镜3到达探测器2的光路为角度探测光路，间距为 d 4 的透镜2、透镜3组成的透镜组可等效为一个长焦透镜，其等效焦距为： <math display="block" id="M2"><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410569&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410564&type= 25.65399933 8.80533314 ， 式中： f 2 =100 mm， f 3 = - 15 mm， d 4 =88 mm，等效焦距 F 为500 mm。透镜组与探测器2的距离为： <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410595&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410574&type= 25.14599991 9.90600014 ， 可得： <math id="M4"><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410641&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410639&type= 3.30200005 3.72533321 =60 mm，因此角度探测光路总长 <math id="M5"><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410628&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410607&type= 3.30200005 3.72533321 + <math id="M6"><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410641&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410639&type= 3.30200005 3.72533321 =148 mm，大幅减小了使用长焦透镜所需的聚焦光程。透镜组将光束聚焦于探测器2的探测表面，由聚焦关系可知：只有在光束入射角度发生变化时，探测器表面的探测光斑才会发生移动，因此可实现角度的单独探测。 本系统中回射器与位置探测光路组成位置控制单元，快速反射镜与角度探测光路组成角度控制单元，两路控制单元之间的探测及控制均能够实现分离。为尽量消除执行器件与探测器件的实际坐标差异，光束稳定控制前需要进行位置及角度控制单元的驱动电压标定。将驱动回射器的压电位移台以及驱动快速反射镜的压电单元分别施加一定范围的电压扫描，在探测器靶面上探测得到实际的光斑扫描范围，得到执行器件在本系统中一定运动范围内的驱动电压曲线，将两者进行对比后按照实际扫描位置标定驱动电压，直至电压曲线驱动产生的光束扫描坐标能够与探测器坐标一致。光束稳定控制开始后，控制系统从探测器采集信号并换算后，配合PID控制算法计算执行器件所需的运动量，并转换为控制电压控制执行器件运动，实现位置与角度的分离式闭环控制。 2.2　光束稳定系统性能测试光路设计 2 本文搭建实验测试光路进行光束稳定系统的性能测试，并将基于分离式调控的光束稳定系统与商业光束稳定系统置于同一环境及光路中进行对比。两种常见的商业光束稳定系统如 图2 图2 ~ 图3 图3 所示，按照两种类型的商用光束稳定系统手册建议的搭建方法，将产品部件进行搭建并调试。两种商用光束稳定系统根据各自的标称数据指标，按照其建议的装置搭建方法，位置控制精度（RMS值）均可达到1 μm左右，角度控制精度（RMS值）在1~2 μrad。 图2 图2 为MRC公司的光束稳定系统，其基本光路原理如 图2 图2 （a）所示。使用两个压电驱动的两轴快速反射镜作为执行器件修正光束位置和角度，光束经分束器从主光路采样部分能量用于探测，其中L1透镜将快反镜2处的光束截面成像至探测器1处，进行位置探测；L2透镜（ f =175 mm）将光束聚焦至探测器2处，进行角度探测。 图3 图3 为TEM公司光束稳定系统，其基本光路原理如 图3 图3 （a）所示，使用步进电机及压电陶瓷联合驱动的快速反射镜作为执行器件，采样光束直接进入探测器1作为位置探测，经过 f =300 mm的透镜后聚焦于探测器2处，进行角度探测。 图4 图4 所示为光束稳定系统的性能测试对比光路。其中，光源使用532 nm光纤输出连续激光，功率为50 mW，经准直后光束直径约为4 mm，经过两个调节反射镜后经过一个快速反射镜，再经一个分光比为50∶50的分束器等分为两束后分别入射至实验系统和对照系统光路入口。实验系统为本文设计的基于分离式调控的光束稳定系统，对照系统为商业光束稳定系统。 在光束稳定系统出口处放置外部探测器，进行光束稳定性能的外部测试对比。进行角度稳定精度测试时，在两光束稳定系统光路出口分别放置 f =300 mm的透镜，外部探测器置于透镜焦点处，将外部探测器处的光斑偏移换算后得到角度偏移量。设外部探测器探测到光斑两轴的位移量分别为 A i ， B i ，换算得两轴角度偏移量为： <math display="block" id="M7"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">300</mn></mrow></mfenced></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>β</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>B</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">300</mn></mrow></mfenced></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410742&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45410752&type= 33.78200150 11.93799973 . 进行位置精度测试时，移除透镜，将外部探测器置于光束稳定系统的光路出口处。 为进一步测试对比各系统的光束稳定性能，在测试光路中光束进入光束稳定系统前主动施加角度扰动，对光路中的外加快速反射镜两轴同时施加正弦波形的电压控制，幅度为0~5 V，频率为0.2 Hz，理论等效角度的扰动幅度约为0~50 μrad，扰动施加位置与外部探测器光程约为750 mm。 光束稳定性能测试分别在施加和不施加主动角度扰动下进行，使用外部探测器进行光束经过光束稳定系统后的位置和角度精度测量。每次测试持续30 min，探测器信号采集频率约为10 Hz。 3 实验结果与分析 1 搭建测试光路后进行光源自身稳定性能测试，不安装光束稳定系统，将探测器放置于原定光束稳定系统的出口处，测量光源在无光束稳定装置的情况下，经过相等光程的距离后光束位置与角度抖动情况。 图5 图5 所示为30 min内位置与角度偏移的分布情况。当没有安装光束稳定系统且未外加主动扰动时，光束在测量处位置两轴的偏移范围主要集中在±2.5 μm内， X 轴位置偏移量的标准差（STD X ）为0.844 μm， Y 轴位置偏移量的标准差（STD Y ）为0.849 μm；角度的两轴偏移量主要集中在±9 μrad内， α 轴角度偏移量的标准差（STD α ）为2.294 μrad， β 轴角度偏移量的标准差（STD β ）为3.090 μrad。使用外部压电快速反射镜施加主动扰动后，外部探测器在750 mm光程位置探测到主动扰动形成的实际角度变化幅度为20~30 μrad，主动扰动的两压电陶瓷轴同时扫描下 α 轴角度偏移量的标准差为5.162 μrad， β 轴角度偏移量的标准差为6.812 μrad；实际位置为15~20 μm， X 轴位置偏移量的标准差为4.404 μm， Y 轴位置偏移量的标准差为4.306 μm。 1;2; 在上述光路原始抖动情况下，将本文自研的光束稳定系统与商业光束稳定系统安装在测试光路中，进行控制精度测量及对比，并研究主动添加振幅25 μrad的角度扰动情况下的控制精度，测量结果如 表1 表1 所示。如 图6 图6 所示，光束经过分离式调控的光束稳定系统后，出口处位置偏移主要集中在±0.5 μm之内， X 轴位置偏移量的标准差为0.143 μm， Y 轴位置偏移量的标准差为0.167 μm，与未施加光束稳定控制时相比光束稳定精度分别提升83.2%和80.3%；角度的两轴偏移量主要集中在±3 μrad内， α 轴角度偏移量的标准差为0.753 μrad， β 轴角度偏移量的标准差为0.553 μrad，与稳定前相比精度提升67.2%和82.1%。在测试光路中加入主动扰动后，光束稳定精度略有下降，仍能够保持一定的稳定范围。其中，位置偏移主要集中在±0.8 μm之内， X 轴位置偏移量的标准差为0.275 μm， Y 轴位置偏移量的标准差为0.244 μm；角度的两轴偏移量保持在±3 μrad内，α轴角度偏移量的标准差为0.819 μrad， β 轴角度偏移量的标准差为0.601 μrad。 2 稳定系统 2 外部扰动 2 位置控制精度/μm 2 角度控制精度/μrad STD X STD Y STD α STD β 2 无 无 0.844 0.849 2.294 3.090 有 4.404 4.306 5.162 6.812 2 本文系统 无 0.143 0.167 0.753 0.553 有 0.275 0.244 0.819 0.601 2 MRC 无 0.346 0.386 1.950 1.880 有 0.779 0.468 1.764 2.210 2 TEM 无 0.307 0.483 1.087 1.190 有 0.377 0.523 1.106 1.217 图7 图7 ~ 图8 图8 所示为使用两种商业光束稳定系统进行稳定控制后出射光束的抖动情况，相对于稳定前，两者都起到了比较明显的光束稳定作用，能够达到标称的光束稳定控制精度。相比于分离式调控的光束稳定系统，两者光束稳定性能均有不同程度下降。MRC系统在有无叠加主动扰动的情况下，位置与角度的稳定范围均为本文系统的2倍左右，位置与角度偏移的标准差为2~3倍。TEM系统的稳定性能略好于MRC系统，稳定后各工况下光束位置与角度偏移分布标准差相比于本文系统为1.5~2倍左右。 由光束稳定测试结果可知，本文提出的光束稳定系统相比于两种商业系统均具有更好的光束稳定控制精度，且实现了较小的装置体积。两种商业光束稳定系统均采用了双压电快速反射镜作为执行器件联动控制光束位置与角度，由于压电快速反射镜校正时误差存在耦合，无法精确判断两个快速反射镜各自的误差修正量，因此对闭环控制精度有一定限制。此外，角度探测精度受到聚焦透镜的直接影响。MRC系统使用一个单透镜聚焦进行角度检测，检测精度受到焦距和装置体积的直接制约，限制光路体积的情况下无法使用长焦透镜进行角度检测。本文搭建的MRC系统使用 f =175 mm的透镜进行角度检测，当光束偏转1 μrad时，探测器靶面上光斑移动仅0.175 μm，检测精度较为有限。TEM系统检测光路中，使用直接将检测光束投射到探测器靶面上的位置检测方式，因此与角度检测之间存在一定的耦合，需要配套额外的自适应算法进行配合控制，调试较为复杂；角度检测光路中的聚焦透镜焦距较长，但仍为单透镜，因此使用折返光路满足较长的焦距，角度检测精度相比于MRC系统有所提高。 分离式调控的光束稳定系统在控制和检测上都实现了位置与角度之间的分离，位置控制单元与角度控制单元能够各自独立探测与修正，避免了执行器件之间和位置角度探测之间的耦合干扰，提高了两者的检测和控制精度，有利于简化控制逻辑，位置控制单元与角度控制单元可分别独立运行。在角度检测光路上，使用长焦透镜组，在相近的光路长度上角度检测精度是单透镜探测的3倍，提高了角度控制精度。 4 结 论 1 本文提出的分离式调控的光束位置与角度稳定系统，基于对光束位置与角度的分离式检测与控制，解除了执行器件与检测光路中两者的耦合，位置与角度控制器件相互独立，避免多个压电器件的误差耦合导致反馈控制的复杂度增加、控制精度下降。在光束检测上，使用等效长焦的透镜组，提高了角度检测与控制精度，整体光束稳定系统较为紧凑。经实验测试，在相近装置体积下相比于商业化光束稳定系统大部分控制性能指标能够提升50%以上。经过该光束稳定系统稳定后，光束位置抖动偏移量主要集中在±0.5 μm之内， X 轴位置偏移量的标准差为0.143 μm， Y 轴位置偏移量的标准差为0.167 μm，偏移量标准差与未施加光束稳定控制时相比减小为16.8%和19.7%；角度的抖动偏移量主要集中在±3 μrad内， α 轴角度偏移量的标准差为0.753 μrad， β 轴角度偏移量的标准差为0.553 μrad，偏移量标准差与未施加光束稳定控制时相比减小为32.8%和17.9%。在测试光路中加入主动扰动后，光束稳定系统仍能保持较好的性能，位置偏移在±0.8 μm之内，偏移量标准差保持在0.3 μm以下，角度的两轴偏移量保持在±3 μrad内，偏移量标准差保持在1 μrad以下，实现了较好的稳定性能。 本文提出的分离式调控的光束位置与角度稳定系统，能够在入射光抖动较大的情况下达到较高的控制精度，最大限度保证光学系统中后续光路的稳定性，维持全系统功能稳定。对于光束质量要求较高的精密光学系统，本装置主光路由于回射器的应用使得反射面较多，可能引入一定的波像差，同时限制了一定的光束孔径，因此需要根据实际情况考虑应用位置，并在后端进行光束质量修正，以免影响应用系统的整体性能。 参考文献 李鹏举 ， 潘登 ， 刘顺利 . 长焦深连续立方相位板的飞秒激光加工与性能测试 ［J］. 光学 精密工程 ， 2022 ， 30 （ 17 ）： 2088 - 2093 . doi: 10.37188/OPE.20223017.2088 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223017.2088 长焦深连续立方相位板的飞秒激光加工与性能测试 LI P J ， PAN D ， LIU SH L . 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