第八章激光准直技术.doc

第八章激光准直技术准直，就是给出一条标准的直线作为测量的基准线产生准直光束的方法：（1）倒置望远镜法；（2）零 级Bessel-Gaussian光束法；（3）菲涅尔波带片法；（4） 相位板法；（5）超细光束法§8-1振幅（光强）型激光准直系统、倒置望远镜准直法1、开普勒型准直系统：（图8-1）针孔滤波2、伽里略型准直系统：（图8・2）® 8-2® 8-2® 8-23、组合型准直系统：（图8・3）谐振腔a 8-3、菲涅尔波带片法（一）菲涅尔波带片的成像原理:（如图8・4）图8・4从S发岀的球面波（点光源）碰到光栏边缘Mj时，将产生衍 射，考查P点其Mj到P点的光程为：ro + J-|（j为正整数），将光栏划分成很多同心圆（即波带），显然，所有奇数序列（即j二1, 3, 5……）波带发出的次波在P点位相相同同样，偶数序 列（即j二2, 4, 6……）波带发出的次波在P点位相也相同，但以 上两种情形在同一点P点发生时，其位相刚好相反因此，使 用一般圆孔光栏时，在P点光强无变化如果设计一个特殊的 光栏：某一环带可使奇数序衍射光波畅通无阻，而使偶数序衍 射光波位全被拦掉，或者相反贝UP点（观察点）的振幅是同 位相的所有次波的迭加，即A—aj +a(2j-l), 二a?+a4+a6+ +a(2j)此时，P点的光强比使用圆孔光栏时的光强增大数百倍，即 此时波带板等效于一个透镜，将波面上的等位相波带光能汇集 在一起。

这种将奇数波带或偶数波带遮去的特殊光栏叫菲涅尔波带片 下面，来证明波带片的透镜效应：如图8-4所示：设：（1） R—入射波面半径（2） r—波带片上任一级波带的半径（3） —任一半径a所对应的波面矢高（4） j—从中心0开始，波带的级次（5） r一波阵面顶点到P点的距离则矢咼h和R、Pj有如下关系:R 1-h = R — J/?? _ p；二 r_由近似公式：(1-X)I2、£1R2丿(其中2Pj /x =

二）波带板的其他种类根据菲涅尔波带片的聚焦原理，还可用相互垂直的两块长条形波带片形成“尸字形聚焦亮线，如图8・5所示：图8・5图8・5<»5C^Xr外*1电•J外b）方形波带板外a）条形波带示意图r; U ・■ 一二 WC 二；• H=0:9!t BVi « B JC■ usnxa Dei ・ “IB ■・・■图8・5三、相位板准直系统（图8・6）图8・6图8・6图8・6说明:1、 四象限位相板中,相临两象限膜层的光程差为1/2波长2、 则在位相板后任何截面均出现暗十字线，其暗线为准直线3、 若在光轴上置一方孔，当其中心和光轴同轴时，在暗十字 线四周期将有四个对称亮点4、 若方孔中心偏离，则四个亮点将呈不对称状态四、双光束法（图8-7）入射激光束由一空间棱镜分为上下两束光线因此，当入射光 线发生平移时，上、下两出射光线也同时对称平移，但两出射光 线的对称线未变化也可采用透镜聚焦以提高瞄准精度为避免 干涉视象，可采用偏振设计AMWV08-7五、零阶贝塞尔一高斯光束（Bessel-Gaussian光束）（一）原理由前所述，横截面为高斯分布的激光束，其半径随Z增大 而变大，能否存在一种光束，在光传输距离z变化时，光束 半径基本保持不变？由波动方程理论，在无限三维空间X、Y、Z中，赫姆霍兹 方程存在一个近似的特殊解，即：El = 队丿° (a • r)2龙、位相振幅Si 11 r2 = x2 + j2, a2 + /32 = k2, k =2如果光波为高斯光束则:e2・ J() (a ・厂).exp 一当上二式中时:- e泌 平面波e'iPz般高斯光束MBessebGaussian光束的表达式可以看出，其振幅丿0（…）・exp —只与X、Y有关，而与Z无关，即在某一范围内，在横截面内的光强分布呈高斯分布，但 不随Z变化而变化，因此，具有光束无发散角的性质。

图8鸟其发散角近似不变的最大距离为zmax: zmax又因为t心厶斗max —f 2广 所以z =鼻-二农max d/ d、… 72厂其产生零阶Bessel-Gaussian光束的条件为:Ad«2XF （F为透镜的F数： f = ）例：设d=cp2.5mm, f"二305mm, D=（p7mmn. 7 x 305 （ 、贝Ll Z = = 854 \ mm ）max 2.5此时产生零级Bessel-Gau ssian光束的条件为：305x = 0.055144 mm7可取△d=5 〜10卩=0・005〜0.01 (mm)Ad « 2 x 0.6328 x 10Jt光强分布如图8-9所不:(Dvw)鰹ss0.2832490.2549240.2265990.1982740.1699490.U1624 0 1132990.0849750.0566500.0283250.000000a (m)=2.00 ag ( M m )=0.50 a (md)= 15000.0 ro (m}=0.75-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 002 0.4 0.6 0.8 • 1S8-9（二）轴锥镜（axicon）:08-#如图8-10,平行激光束通过轴锥镜，当0«lrad时，其截面 可看成光楔：则其偏向角近似为：S = (n- 1)3则其最大焦深为：Z = R/ =—-—— (& « Irad )max (n-l>其中R为轴锥镜半径，n——轴锥镜的折射率中心光效的直径近似为：血=匸牛7T(n-l)e例，设0=0.0lrad, R=5mm, n二 1.5, X=0.6328X 10_3mm则 Z = = = 1000 mm' (—1)0 0.5 x 0.012.4x 0.6328 x 10-3d()= = 0.1 mm龙(l・5 — l)x 0.01§ 8-2位相测量型激光准直系统如图8-11所示:08-#渥拉斯登棱镜：能产生两束相互分开的，偏振方向相互垂直 的线偏光。

该棱镜由两块直角方解石棱镜胶合而成，两块棱镜光轴互相 垂直，又平行各自表面如图8-12,当二面角反射镜位移为AY时，将导致干涉仪的 光程变化为4AL图 8-12贝宀2又因为4 ALm/C所以：AL = 一 •AL则AY =4e sin 一24Ne sin 一2（C为条纹数）2 Ce4 sin —2（其中N为电子细分数）§8-4激光光电准直仪（或自准直仪）、光学准直仪和自准直仪（图8-13）、激光准直仪和自准直仪(图8・14)1、原理：析光镜四象限硅光电池(PSD )图"14图说明：PSD (POSITION SENSITIVE DETECTOR)为位置灵敏度探 测器可以是光电二极管阵列，也可是四象限硅光电池2、四象限PSD工作原理（平恒电桥法）如图8J5所示,R图8J51、 当四象限硅光电池中心和准直线同轴时，四块硅光电池 输出电压相同，电桥平衡2、 若输出不平衡，测准直中心变化，根据其变化规律，可 判断其方向要求：四象限硅光电池光电特性完全一致，一般不易保 证，其差值多达20%,可采用以下平衡电阻法来解决图8・16）图8・16用途:1、 测导轨不直度2、 不同轴度测量3、多自由度的准直三、大气折射率对激光准直精度的影响.激光穿过大气时，随着大气折射率的改变，光束前进的方 向将不再保持直线传播方向，而产生弯曲和抖动。

1、 光束弯曲：半径异_叱）dn/dh是大气折射率对高度的导数2、 光束抖动：减小误差的方法：由大气扰动引起的光束抖动，一般无法 消除，只能尽可能减小:(1) 选择空气抖动最小的时间，(日出前)2) 将光束用套管屏蔽，或将管内抽成真空，其真空度为：10-2托以上3) 沿激光前进方向喷气流4) 用时间常数较小的低通滤波器，消除输出信号的交流成 分；用积分电路消除空气扰动的高频效应5) 采用双色光激光准直系统，如用6328nm和422nm两种激 光光轴，两色光的分离量来修正6) 自适应原则在准直仪中应用。