[科普中國]-激光準直儀

基本概念

激光準直儀由激光器作為光源的發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)及附件三大部分組成。將激光束作為定向發(fā)射而在空間形成的一條光束作為準直的基準線，以標定直線的一種工程測量儀器。

所謂準直，即所考察的各個物體的中心或參考點在同一直線上.隨著工業(yè)的發(fā)展，要求準直的場合(如大型工程的施工和設備的加工、安裝)越來越多。大型飛機、輪船設備的安裝，大型發(fā)電機轉子的安裝，大型機械設備各軸承孔的加工，地鐵、隧道、地下大型管道的施工等都需要準直。

激光準直儀的結構激光準直儀由半導體激光器及電源、小型單筒望遠鏡、孔徑約1cm的圓光闌、四象限光電池、2個可正、負顯示的小量程數(shù)字電壓表、導軌和3個調節(jié)架組成1，如圖1所示。其中，半導體激光器用于產(chǎn)生紅色激光，倒置望遠鏡用于對激光器發(fā)出的激光束進行擴束準直(如圖2所示)，圓光闌可起到控制光斑直徑大小及獲得近似的軸對稱圓光束的雙重作用，四象限光電池用于檢測激光束中心相對其中心的位置。

圖1

圖2

激光準直儀檢查導軌的平直度的原理：由可見紅光的半導體激光器配上單筒望遠鏡及合適孔徑的圓光闌，經(jīng)調節(jié)可形成一束與導軌軸平行且有一定截面積大小的基準光束。光路調節(jié)好后，當裝有四象限光電池的調節(jié)架在導軌上由近及遠(或相反)移動時，可由照在四象限光電池上光斑的上下、左右偏移而引起2個電壓表讀數(shù)正負和大小的變化來檢驗導軌是否有高低起伏或扭曲。

激光準直儀應滿足的技術條件激光準直儀中的激光束激光用于準直時，激光束作為參考軸線。因此準直精度與選作參考的激光束本身的特性密切相關，作為參考軸線的激光束必須有一定特性2：

（1）在激光束任意截面上其光強分布應有穩(wěn)定的中心，并且這些中心的軌跡必須是一直線。激光束截面的強度分布應與有關的中心峰值成對稱分布。當激光束截面的波前具有單一位相時，即具有高斯分布時，就能滿足這個條件。

（2）為了獲得高的準直精度，希望中心峰值的光強以很快的速度向兩邊下降。

（3）激光束要有高度的穩(wěn)定性。

（4）必須同時滿足光束直徑最小的變化和光束能量最大的集中這兩個條件。因此，應根據(jù)最大準直距離和準直精度的要求選擇合適的望遠鏡放大倍數(shù)。

光束中心的檢測（1）激光束強度分布曲線的形狀應使在有效使用范圍內，偏離直線軸的位移和輸出信號間有近似線性關系。

（2）光束直徑的變化會使線性關系發(fā)生變化，因此在放大器中需有增益調整，以補償這種變化。

（3）在任意的確定位置能夠檢測系統(tǒng)的靈敏度。

（4）光電接收器元件要準確定位，并應有完全相同的光電特性。一般來說，應加一個平衡電阻來消除此差異。

（5）為了消除大氣擾動等無規(guī)則信號的影響，可采用確定光束位置的電學平均方法。并且其平均時間應足夠長，以便消除空氣的短期擾動。

激光準直儀的結構方面（1）激光準直儀的結構應當與通常用的光學準直工具標準相一致。并且準直光束與機械軸中心的平移精度應小于 0.02毫米，角精度在 1秒以內。激光束應具有良好的長期穩(wěn)定性，能經(jīng)受普通車間中的沖擊和振動。而短期穩(wěn)定性則要求在加熱后其光束位置漂移應小于1秒/小時。

（2）激光管應有良好的密封性，以防止灰塵、油滴等的影響。

（3）激光應穩(wěn)定地以單橫模TEM振蕩，并且其光強應有平滑的強度分布。利用空間濾光片是必要的。

（4）激光輸出功率應盡量低，以便減少熱效應引起的不穩(wěn)定性和安全使用。激光功率以一毫瓦左右為宜。

（5）為了消除雜散光的影響，必須采用干涉濾光片。

（6）激光管替換方便。