[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)境振動和空氣擾動等因素的影響，出射的激光束在傳播過程中常會產生漂移，限制了激光器準直精度的進一步提高，這種漂移就叫作光束漂移。

產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)射器的調整裝置存在機械位移，導致激光光線緩慢漂移；空氣擾動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償方案也有很多。12

光束漂移的抑制雙光束準直法采用特別設計的光學系統(tǒng)，將激光器發(fā)出的光束分成兩束光，且當激光束發(fā)生光漂時，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，用具有雙光電座標的檢測靶檢測出這條中心線的相對位置，以此作為基準線，從而起到抑制光漂的作用。

優(yōu)點：受大氣擾動的影響小，光束漂移小，準直基線的穩(wěn)定性較好，精度達到10

缺點：所用元件較多，調整困難3。

單模光纖法激光束經顯微鏡聚焦，將光點耦合進入單模光纖，光纖出射端位于準直物鏡 的焦點上，使出射光為準直光束，即采用一根光纖建立新的光發(fā)射基準。理論計算表明，光束經單模光纖后，其模式重新分布，激光束的平漂、角漂只會影響耦合效率，不會影響出射光強分布。精度達到。

優(yōu)點：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量也有提高；成本相當?shù)汀?/p>

缺點：由于機械裝置的漂移，長時間后光束會偏離光纖，需重新耦合。

固定點補償法采用兩個或多個光靶來實時測量激光的漂移量，然后據(jù)此對測量值進行修正以實現(xiàn)補償。

缺點：光漂監(jiān)測和測量不能同時進行，使得各測量點的光漂相關性降低。光線彎曲和大氣抖動的影響造成的誤差會隨著測量距離的增加而增大。

莫爾條紋激光準直法激光器、空間濾波器、擴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Z軸。該光圓環(huán)光柵相迭，產生的莫爾條紋被CCD采集后存儲于計算機。被測物移動過程中相對貝塞耳函數(shù)中心線的偏移將會改變莫爾條紋，計算機根據(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。從而可以用五維驅動裝置跟蹤貝塞耳函數(shù)光環(huán)中心來補償二維偏移量。精度達到。

優(yōu)點：由于無衍射光對激光束的準直性要求小，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時，光矢量發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。經過磁光調制的激光束經半反半透鏡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由兩個角度均為β的左旋和右旋石英光楔組成，當位敏元件W在紙面內垂直于光軸方向(橫向)發(fā)生位移時，出射光的偏振矢量方向發(fā)生旋轉，其旋轉量與位移量成正比。

大氣擾動影響的抑制方法（1）自適應準直技術：雙頻激光器出射的兩個相互正交的線偏振光通過第一個渥拉斯頓棱鏡W1后，分開一小角度，再通過第二個渥拉斯頓棱鏡W2后，成為兩束平行光!經直角棱鏡反射后，再依次通過W2、W1又變成一束光,經探測器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性。

優(yōu)點：考慮了光束漂移、光線彎曲和隨機抖動三種誤差相互作用的影響，使三種誤差因素同時得到修正。

缺點：系統(tǒng)較復雜，不利于與多自由度同時測量系統(tǒng)集成。

（2）共路補償法：激光發(fā)射器1發(fā)射的光線，一部分被分光鏡604反射后，直接達到光電接收器205,得到激光光線在X,Y兩個方向的平行漂移。另一部分透過分光鏡604形成光線101經過角錐棱鏡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，經過透鏡203,會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，得到被測物體或導軌在X,Y兩個方向的直線度。按下式可以對直線度誤差進行補償：

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兩個方向的平行漂移，L為活動測量頭到固定測量頭之間的距離,取決于實際測量時的情況，?X、?Y為補償后的直線度誤差。

優(yōu)點：此系統(tǒng)還可補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：只能補償空氣擾動所帶來的角度漂移。

（3）漂移量反饋控制式補償法：光束經初級準直后變?yōu)槠叫泄馍湎蚬馐揭歧R，光束平移鏡出射的光經轉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，反射的光經聚焦物鏡聚焦在TEPD1中心，用于探測光束的角漂，準直過程中，計算機首先依據(jù)TEPD1檢測出的激光束在特定方向上的角漂，來控制驅動機構轉動角度反射鏡使激光束向角漂減小的方向轉動，來減小激光束的角度漂移。

優(yōu)點：對激光束的平漂量及角漂量實現(xiàn)了分離檢測和各自實時反饋控制，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到10-7。

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

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

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，測量同時由同一點發(fā)出的兩個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: 空氣折射率梯度導致平面電磁波波面變形，通過測量波面不同點處的相位差，可求出光線彎曲。將波面變形轉換成相位測量，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速度的影響。

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