CC BY
9
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
ОПТОЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ЗА НАСТРОЙВАНЕ НА ОГЛЕДАЛАТА НА ТЕХНОЛОГИЧНИ ЛАЗ ЕРИ СЛЕД ПОЧИСТВАНЕ
Иван Рачев
ТУ-София, Филиал Пловди в, Катедра „Електроника", гр. Пловдив, бул. "Санкт Петербург"63, ivr@tu-plovdiv.bg
OPTOELECTRONIC SYSTE IM FOR MIRRORS' TUNING IN TECHNOLOGICAL LA SERS AFTER CLEANING Ivan Rachev
TU-Sofia, Branch Plovdiv, Departments of Electronics, Plovdiv, 63 Sankt Petersburg, blvd, e-mail: ivr@tu-plovdiv.bg
Abstract: This paper describes the development of a peculiar type optoelectronic system for mirrors tuning in technological lasers after cleaning. The main requirements are to develop computer integrated, user friendly and simple for realization system for this application. The methodology for development and for system approbation is designed. Specially developed application in MATLAB for data storage and further data transfer via Internet is presented. The approbation results confirm the good accuracy achieved and easiness for exploitation of the developed optoelectronic system.
Key words: laser mirror, autocollimators, 4 quadrant photodetector, MATLAB application.
Въведение
Експлоатацията на технологичните лазери е съпроводена с необходимостта от периодично почиства на използваните в резонатора огледала. Полупрозрачного огледало обикновено е твърдо фиксирано към корпуса, което позволява то да се демонтира, почисти и монтира отново. Останалите огледала са така монтирани, че да може да се осъществява настройване след почистване.
За настройването на огледалата се използват котролно-юстировъчни (КЮ) уреди от типа на автоколиматори [1,2]. Могат да бъдат използвани „универсални" автоколиматори, както и специализирани оптични или оптоелектронни такива [2]. Преди демонтирането на едно огледало, използваният КЮ уред трябва да бъде така насочен, че той да показва отклонение на огледалата, което е в допуск.
В настоящата статия е представено разработването на специализирано котролно-юстировъчен оптоелектронен уред за настройване на огледалата на резонатора в технологични лазери. Поставените цели при проектирането са лесно изработване и лесно използване на уреда, както и неговата компютърна интегрираност. Последното изискване дава възможност за записване а резултатите от настройването и тяхното изпращане чрез Internet.
Аналитичен модел и синтез на обобщена блокова схема
При избора на принцип на работа, необходимите функционални звена и схемни репения за тяхната реализация на разглеждания КЮ уред трябва да се имат предвид следните специфични особености на работа:
• настройването на огледалата не е бърз процес и респ. изискванията по отношение на бързодействието към разглежданото устройство не са високи;
• разглежданото устройство не е предназначено за измерване - достатъчно е само да установи, че почистеното огледало е монтирано в същото (с зададена грешка) положение в сравнение с положението, в което то е била снето. Това означава, че в интересуващото ни приложение не е необходима линеаризация на статичната предавателна характеристика;
• специфична ососбеност е също фактът, че независимо кое от огледалата се настройва, оптичният път, който преминава светлината, е един и същ - два пъти повече от дължината на резонатора плюс разстоянието от полупрозрачного огледало до КЮ уреда.
Посочените особености са основание за избор на четириквадрантен фотоприемник в качеството на позиционно-чувствителен елемент. Причините за това са големия динамичен обхват и сравнително лесното получаване и обработване на сигнала, в сравнение, например, с матричните фотопреобразуватели [3].
Формирането на сигнали при използване на четириквадрантни фотоприемници се илюстрира с фиг.1. Използват се два подхода в зависимост от положението на приемника. В случая, показан на фиг.1 а, сигналите описващи координатите на петното се определят с формулите:
(1) х = А + Б - В-С,
(2) у = А + В-С-Б .
В последните зависимости с А, В, С и Б са означени получените от съответните квадранти сигнали. При монтиране на фотоприемника в положение, показано на фиг.1 б, координатите на петното се определят със зависимостите
(3) х = А - С и
(4) у = В - Б.
Енергийно по-изгоден е първия подход, защото се засветяват по-големи площи, което означава по-големи разликови сигнали Пх и Пу .
За приблизително определяне на разликовия сигнал може да се разгледа представената на фиг.1 в схема. Предполага (в първо приближение) се, че източникът на светлина е лазер, че осветеността в петното е приблизително постоянна и е равна на Р/Б , където Р е мощността на лазера, а Б е площа на петното. Когато петното е симетрично спрямо границата, разделяща два фотоприемника, то падащите върху тях оптични потоци 214
х
>
Фиг.1. Формиране на сигналите от четириквадрантни фотоприемници.
(мощности) са равни и респ. са равни изходните сигнали. Разликовият сигнал в този случай е равен на нула, т.е. их = 0 . При преместване на петното на разстояние А спрямо х = 0,
разликовият сигнал се определя по формулата р
(5) их = к—.(2 - ¿1), ^
където к е коефициент на пропорционалност, който включва чувствителност на фотоприемника, съпротивление на товарните резистори и др. постоянни множители, а ¿1 и ¿2 са засветените площи от приемниците (фиг.1в). Тъй като изменението на площите ¿1 и ¿2 не е линейна функция на х, то и разликовият сигнал също е нелинейна функция на координата. Получаването на разликовия сигнал за координата у е напълно аналогично.
Като се вземе предвид изложеното, може да се предложи показаната на фиг.2 обобщена схема на разглеждания уред. Източникът на светлина е лазерен диод. Съгласно (5) е изгодна голяма мощност р , поради което не е използвано делене на оптичния сноп. Призменият модул 1 е предназначен за приближаване на оптичните оси на излъчвателя и приемника. Разстоянието между тях трябва да е по-малко от дияметъра на огледалата на
I-----------------------1
1 Оптико-
механичен блок
Фиг.1. Обобщена схема на предлагания КЮ уред.
лазера. Приемната страна съдържа полева диафрагма 2 и квадрантния фотоприемник 3. Сигналите от фотоприемника постъпват в електронен блок. Данните за координатите на петното се показват на LCD дисплей и се предават към компютър.
Преднамерено в оптична схема не е използвана фокусираща оптика, тъй като за да се получи голямо преместване на петното тя трябва да бъде дългофокусна. В разглежданото приложение е по-добре да се използва факта, че светлината преминава два пъти дължината на резонатора (« 8m), което обезпечава голямо преместване на петното при завъртане на някое от огледалата. Следва също да се отбележи, че излъченият и приеманият снопове се разпространяват под малък ъгъл един спрямо друг, което в случая може да се компенсира с завъртане на оптико-механичния блок. Важно изискване при тази схема диаметърът на лазерния сноп да е поне два пъти по-малък от световия диаметър на квадрантния фотоприемник.
Описание на електронния блок и приложните програми
Електронният блок съдържа аналогова и цифрова (микропрцесорна) част. Четириквадрантният фотоприемник е съставен от фотодиоди. Той работи във фотодиоден режим, поради което изходният сигнал е ток. В аналоговата част този ток се преобразува в
напрежение с помоща на товарни резистори. Тъй като резисторите са високоомни, то напреженията преминават през повторители на напрежение, реализирани с операционни усилватели. Използвани са операционни усилватели от типа MCP6024 на Micrichip, които добре се съгласуват с аналоговите входове на контролерите на същата фирма [4].
Цифровата част е реализирана с микроконтролер от типа PIC16F690. На неговите аналогови входове постъпват напреженията от четирите приемника. Негов „изход" са координатите на петното x и y, показвани на върху LCD дисплея и изпращани към компютъра.
Алгоритъмът на програмата, която се изпънява от контролера, включва типични процедури. След включване на захранването се осъществява инициализация на осцилатора, на входно-изходните портове, на модул АЦП, на LCD дисплея и на модул UART. В основния цикъл се осъществява последователно аналого-цифрово преобразуване на напреженията от фотоприемниците. АЦП-то работи в 10 битов режим. След това се изчисляват координатите съгласно формули (1) и (2), а резултатите се показват на LCD дисплея и се предават към компютър по серийния интерфейс RS232. По този начин на всяко положение на петното се съпоставят две числа (x и y) в интервала [-1023 ^ +1023].
За приемане на изпратените данни от компютъра, изчисляване на координатите и визуализация на резултатите е разработено приложение в средата MATLAB. Неговият графичен потребителски интерфейс е показан на фиг.3. Той съдържа четири панела. Десният панел е за управление и съдържа два виртуални бутона - за свързване/прекъсване
а) б)
Фиг.3. Графичен интерфейс на приложната програма.
на връзката с КЮ уреда и за включване/изключване на лазера. Средният панел съдържа графичен прозорец, който показва положението на петното. Координатите на петното се показват в текстов вид в горния панел. Умишлено е използван едър шрифт, което позволява операторът да наблюдава екрана от по-голямо разстояние.
Левият панел е предназначен за „запомняне" на опорните (началните) координати на петното. Той съдържа три виртуални бутона и два текстови прозореца. Когато компютърът е свързан към уреда (фиг.3б) и се натисне бутон „Init Values", текущите координати се записват в текстовите прозорци на левия панел. При прекъсване на връзката с КЮ уреда (фиг.3а) и натискане на бутон „Save" се отваря стандартния прозорец за запис на Windows. Това дава възможност началните координата да бъдат записани като текстов файл. При натискане на бутона „Open" се отваря стандартния прозорец на Windows за четене и файлът с данни може да бъде отворен. По този начин се предотвратява възможността за загуба на началните координати при прекъсване на тока или друго нежелано събитие.
Разбира се, чрез описаната процедура могат да се записват и четат и други (не само началните) данни за координатите на петното, което позволява получените файлове да се предават чрез Internet.
Експериментални резултатите и изводи
За апробация на разгледания КЮ уред върху зрителната тръба на теодолит (2Т2) бе монтирано плоско огледало. Теодолитът бе разположен на разстояние 4m от уреда, с което се имитира пътя на светлината в резонатора. При завъртане на тръбата с огледалото на ъгъл
5 (отклонението на лъча е на ъгъл 10") се наблюдава изменение на координатите с повече от 20 единици, докато в неподвижно положение случайните изменения на показанията са не повече от единица. Описаният експеримент няма характер на представително изпитване на разглеждания КЮ уред, Независимо от това, той дава основание да се направи извод, че той има достатъчна точност и може да се използва за настройване на огледалата след почистване или при смяна.
Литература
[1]. Креопалова,Г.,Н.Лазарева, Д.Пуряев, Оптические измерения, М.,Машиностроение,! 998.
[2]. Booklet of Moeller-Wedel optical GmbH, Examples for Applications of collimators, telescopes, visual and electronic autocollimators, Wedel (Germany), 2011.
[3]. Johnson M., Photodetection and Measurement: Maximizing Performance in Optical Systems, McGraw-Hill, 2003.
[4]. www.microchip.com
