[科普中國]-光束漂移

簡介

由于激光器受其本身的熱變形、環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)等因素的影響，出射的激光束在傳播過程中常會(huì)產(chǎn)生漂移，限制了激光器準(zhǔn)直精度的進(jìn)一步提高，這種漂移就叫作光束漂移。

產(chǎn)生原因激光光線主要存在三種不同類型的漂移，分別是：激光器本身發(fā)射的激光存在光線漂移；固定激光發(fā)射器的調(diào)整裝置存在機(jī)械位移，導(dǎo)致激光光線緩慢漂移；空氣擾動(dòng)或折射率不均勻造成的光線漂移或者光線彎曲。而針對這三種漂移提出的補(bǔ)償方案也有很多。12

光束漂移的抑制雙光束準(zhǔn)直法采用特別設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，將激光器發(fā)出的光束分成兩束光，且當(dāng)激光束發(fā)生光漂時(shí)，這兩束光朝相反的方向變化，其能量中心即兩路光的對稱中心線不變，用具有雙光電座標(biāo)的檢測靶檢測出這條中心線的相對位置，以此作為基準(zhǔn)線，從而起到抑制光漂的作用。

優(yōu)點(diǎn)：受大氣擾動(dòng)的影響小，光束漂移小，準(zhǔn)直基線的穩(wěn)定性較好，精度達(dá)到10

缺點(diǎn)：所用元件較多，調(diào)整困難3。

單模光纖法激光束經(jīng)顯微鏡聚焦，將光點(diǎn)耦合進(jìn)入單模光纖，光纖出射端位于準(zhǔn)直物鏡 的焦點(diǎn)上，使出射光為準(zhǔn)直光束，即采用一根光纖建立新的光發(fā)射基準(zhǔn)。理論計(jì)算表明，光束經(jīng)單模光纖后，其模式重新分布，激光束的平漂、角漂只會(huì)影響耦合效率，不會(huì)影響出射光強(qiáng)分布。精度達(dá)到。

優(yōu)點(diǎn)：此方法可以完全消除光漂，而且，在保證單模傳輸情況下，通過光纖后的光束質(zhì)量也有提高；成本相當(dāng)?shù)汀?/p>

缺點(diǎn)：由于機(jī)械裝置的漂移，長時(shí)間后光束會(huì)偏離光纖，需重新耦合。

固定點(diǎn)補(bǔ)償法采用兩個(gè)或多個(gè)光靶來實(shí)時(shí)測量激光的漂移量，然后據(jù)此對測量值進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

缺點(diǎn)：光漂監(jiān)測和測量不能同時(shí)進(jìn)行，使得各測量點(diǎn)的光漂相關(guān)性降低。光線彎曲和大氣抖動(dòng)的影響造成的誤差會(huì)隨著測量距離的增加而增大。

莫爾條紋激光準(zhǔn)直法激光器、空間濾波器、擴(kuò)束鏡和錐鏡形成無衍射光，利用無衍射光所形成的、不隨傳播距變化的貝塞耳函數(shù)光環(huán)作直線基準(zhǔn)Z軸。該光圓環(huán)光柵相迭，產(chǎn)生的莫爾條紋被CCD采集后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。被測物移動(dòng)過程中相對貝塞耳函數(shù)中心線的偏移將會(huì)改變莫爾條紋，計(jì)算機(jī)根據(jù)莫爾條紋中心的二維偏移量就可以直接測量出貝塞耳函數(shù)光束中心與圓環(huán)光柵中心的距離。從而可以用五維驅(qū)動(dòng)裝置跟蹤貝塞耳函數(shù)光環(huán)中心來補(bǔ)償二維偏移量。精度達(dá)到。

優(yōu)點(diǎn)：由于無衍射光對激光束的準(zhǔn)直性要求小，可以大大減小激光器本身的漂移。

旋光法旋光即一束偏振光通過某些介質(zhì)時(shí)，光矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。經(jīng)過磁光調(diào)制的激光束經(jīng)半反半透鏡HM、位敏元件W、1/4波片Q及透鏡L1與球面反射鏡M組成“貓”眼”逆向反射系統(tǒng)后，由原路返回，被HM反射經(jīng)檢偏器A、聚光鏡L2，最后由光電管D接收。位敏元件W由兩個(gè)角度均為β的左旋和右旋石英光楔組成，當(dāng)位敏元件W在紙面內(nèi)垂直于光軸方向(橫向)發(fā)生位移時(shí)，出射光的偏振矢量方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)量與位移量成正比。

大氣擾動(dòng)影響的抑制方法（1）自適應(yīng)準(zhǔn)直技術(shù)：雙頻激光器出射的兩個(gè)相互正交的線偏振光通過第一個(gè)渥拉斯頓棱鏡W1后，分開一小角度，再通過第二個(gè)渥拉斯頓棱鏡W2后，成為兩束平行光!經(jīng)直角棱鏡反射后，再依次通過W2、W1又變成一束光,經(jīng)探測器D2接收，形成測量信號，D1輸出參考信號。光線來回兩次通過渥拉斯頓棱鏡W1、W2產(chǎn)生的光程差即由于光束的平漂和角漂引起的光程變化為零#也就是說該系統(tǒng)對光束的漂移有自適應(yīng)性。

優(yōu)點(diǎn)：考慮了光束漂移、光線彎曲和隨機(jī)抖動(dòng)三種誤差相互作用的影響，使三種誤差因素同時(shí)得到修正。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)較復(fù)雜，不利于與多自由度同時(shí)測量系統(tǒng)集成。

（2）共路補(bǔ)償法：激光發(fā)射器1發(fā)射的光線，一部分被分光鏡604反射后，直接達(dá)到光電接收器205,得到激光光線在X,Y兩個(gè)方向的平行漂移。另一部分透過分光鏡604形成光線101經(jīng)過角錐棱鏡303反射后，被分光鏡603分成兩部分光，一部分被分光鏡603反射后，經(jīng)過透鏡203,會(huì)聚到其焦平面上的光電接收器202上，得到激光光線在X,Y兩個(gè)方向的漂移角；另一部分光線透過分光鏡603，直接入射到光電接收器401上，得到被測物體或?qū)к壴赬,Y兩個(gè)方向的直線度。按下式可以對直線度誤差進(jìn)行補(bǔ)償：

式中?X、?Y分別為光電接收器401上得到的激光光線位置的改變量，?α、?β為測得的激光光線在X、Y兩個(gè)方向的漂移角，分別為光電接收器205得到的激光光線在X、Y兩個(gè)方向的平行漂移，L為活動(dòng)測量頭到固定測量頭之間的距離,取決于實(shí)際測量時(shí)的情況，?X、?Y為補(bǔ)償后的直線度誤差。

優(yōu)點(diǎn)：此系統(tǒng)還可補(bǔ)償激光器本身帶來的角漂，從而提高直線度測量的精度。

缺點(diǎn)：只能補(bǔ)償空氣擾動(dòng)所帶來的角度漂移。

（3）漂移量反饋控制式補(bǔ)償法：光束經(jīng)初級準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄馍湎蚬馐揭歧R，光束平移鏡出射的光經(jīng)轉(zhuǎn)角反射鏡射向分光鏡BS1，,和分光鏡BS2，BS1反射的光照射在TEPD2中心上用于探測光束的平漂，反射的光經(jīng)聚焦物鏡聚焦在TEPD1中心，用于探測光束的角漂，準(zhǔn)直過程中，計(jì)算機(jī)首先依據(jù)TEPD1檢測出的激光束在特定方向上的角漂，來控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度反射鏡使激光束向角漂減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，來減小激光束的角度漂移。

優(yōu)點(diǎn)：對激光束的平漂量及角漂量實(shí)現(xiàn)了分離檢測和各自實(shí)時(shí)反饋控制，減小了激光束控制過程中的相互耦合，提高了光束漂移量控制精度達(dá)到10-7。

缺點(diǎn)：對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求較高

（4）光束屏蔽法： Harrison 等人以及杭州大學(xué)建立了真空管道系統(tǒng)來降低大氣擾動(dòng)的影響；N.Ikawa 等人也采用了光束屏蔽罩（距離短，但不抽真空）。這些研究都達(dá)到了比較高的精度，但是在生產(chǎn)現(xiàn)場使用屏蔽系統(tǒng)是非常不方便甚至是無法實(shí)現(xiàn)的。

（5）多次采樣平均法：T.Pfeifer 等人認(rèn)為在 30 秒至 100 秒內(nèi)多次采樣進(jìn)行平均可以使測值穩(wěn)定性大大提高。每點(diǎn)測量需 30～100 秒平均，使得整個(gè)測量時(shí)間大大加長。

光線彎曲的抑制或修正（1）雙波長法：根據(jù)不同波長的光在傳播過程中彎曲不同，由激光器發(fā)出兩種不同波長的光，測量同時(shí)由同一點(diǎn)發(fā)出的兩個(gè)波長的光在傳播一段距離后彼此分開的量可求出折射率梯度。這種方法適用于修正幾公里以上的長距離測量。

（2）波面變形測量法: 空氣折射率梯度導(dǎo)致平面電磁波波面變形，通過測量波面不同點(diǎn)處的相位差，可求出光線彎曲。將波面變形轉(zhuǎn)換成相位測量，具有較高的靈敏度。

（3）單參數(shù)測量法: 該方法通過對溫度、壓力梯度等參數(shù)的測量來計(jì)算折射率梯度，方法簡單，精度主要受溫度、壓力傳感器精度及響應(yīng)速度的影響。

（4）反向散射測量法: 可通過測量強(qiáng)大激光反向散射而發(fā)生的頻率移動(dòng)來求光線彎曲。即由測量空氣介質(zhì)調(diào)幅載波頻率的偏差求得。4