第四章 激光准直及多自由度测量课件.ppt

第四章 激光准直及多自由度测量 自准直光管和准直望远镜 1）振幅/光强测量法 利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量 其基本原理: 1）振幅/光强测量法 缺点: 激光器的光束漂移 光束的非均匀性 探测器灵敏度不对称 空气的折射率梯度 气流的扰动等影响 思考题: 水平,长距离测量,重力是否有影响? 振幅/光强测量法常用的准直方法 a．菲涅耳波带片法 b. 位相板法 c. 双光束法 a.菲涅耳波带片法 十字划线,是干涉形成的, 有良好的抗干扰能力, 光强分布均匀, 经过扩束后照射波带片, 避免的激光光束的漂移及振动因素的影响 b. 位相板法 相位板相邻光程差半波长,即相位相差?, 相位板后,任何截面形成暗十字划线, 经方孔后,发生衍射,形成四光强点 c. 双光束法 采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰功影响。 2) 干涉测量法 干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。主要有以下几种方法: 1．楔形板干涉法 2. 双频激光干涉法 3. 光栅干涉法 1．楔形板干涉法 2. 双频激光干涉法 3. 光栅干涉法 3) 偏振测量法 光束从光楔组的正中央穿过时，由于左旋和右旋石英的厚度相同，不产生附加的旋光量 第二节 激光准直仪的组成 主要组成(三部分): 激光器 光束准直扩束系统 光电接收系统及处理电路部分 激光器 利用激光束的能量中心, 照射在光电探测器上, 因此需要光场能量分布均匀, TEM00, 常采用单模的He-Ne激光器. 激光束横向漂移(平漂和角漂两种)要小 ,激光器输出功率的稳定及激器的噪声小 漂移原因: 谐振腔的两反射镜稳定性差: 反射镜支架变形(热\振动), 谐振腔的变形(热,振动) 1.激光器 补偿措施主要有: 热稳定装置 光束补偿 主动温控加热器 其他措施 隔振 材料选用 特殊设计等 补偿措施:热稳定装置 整个装置的作用是使激光器沿长度方向的温度梯度减少，同时使装置维持在较低的工作温度，从而减少变形。 补偿措施:光束补偿 腔反射镜8和5的位置靠得很近，处于相同的环境条件，因此两个面之间的相对运动是很小的。所以，当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位置只产生很小的横向位移和角度偏移。 补偿措施:主动温控加热器 补偿措施:其他措施 采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔热 用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度 隔振 实验室环境控制 特殊材料,结构设计等措施都可以降低激光器输出激光束的漂移。 2. 光束准直扩束系统 激光是高斯光束: 其发散角: 2θ=2λ/πR 光斑大小,虽传输距离的增大,而增大 而实际应用中: 接收器的尺寸一定 环境、光束出射漂移影响 原理上需要大平面平行光束照射 所以： 需要准直及扩束系统 2. 光束准直扩束系统 常用扩束系统的种类： 1）开普勒式望远镜 2）伽利略式望远镜 3）组合式倒置望远镜 1）开普勒式望远镜 特点： 镜筒较长， 可以方便的加空间滤波器 4.13 方式，镜筒较短，体积较小，增加了反射杂散光和光能吸收 2）伽利略式望远镜 特点： 镜筒短， 体积小，不可以加空间滤波器 光可能反射回激光器，使激光器频率不稳定，反射回来激光也会造成光输出强度，产生干涉，或者亮度不均 使用时，倾斜L2，增加反射杂散光， 使光输出稳定 3）组合式倒置望远镜 对伽利略式的改进： 避免了杂散光，使光束均匀和频率稳定 3）组合式倒置望远镜 这种方式，可方便组成准直测量系统， 减少可调节点 3.光电接收系统及处理电路部分 常用激光准直的光电探测器: a. 硅光电池 二分型 四象限器(四分型) b. PSD 一维PSD 二维PSD 光电倍增管 CCD a. 硅光电池 在同一硅片上制作的光电池, 价格便宜, 缺点暗电流较大, 各个单元的转换效率不一致 b. PSD 位置敏感探测器(Position Sensitive Detector)简称PSD，是一种具有特殊结构的大光敏面的光电二极管，又称为p—n结光电传感器。PSD与象限位置探测器和CCD不同，它有一个完整的光敏面，通过不同电极之间的电流输出，能连续给出入射光点中心在光敏面上的位置。