CN102692725A - 利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，包括激光器，沿激光器的发射光束依次布置有起偏器、扩束准直系统、第一分束镜、第一偏振分光镜和反射器，第一分束镜的分光方向上设置位置探测器，反射器的反射光与激光器的发射光束平行，在反射器的反射光线上依次设置第二偏振分光镜、法拉第旋光器、第二分束镜和空间光相位调制器，第二分束镜的分光方向上设置波前探测器，空间光相位调制器和波前探测器都连接至计算机，本发明还提供了一种利用该系统提高激光准直精度的方法，本发明的系统结构简单，可有效补偿大气不均匀对激光准直的影响；采用空间光相位调制器作为相位共轭镜，具有体积小、易于控制等优点。

Description

利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法

技术领域

本发明属于激光测量领域，涉及一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法。

背景技术

准直技术是各种几何参数的测量基础。随着科技的发展，现代制造业对准直技术的要求越来越高。由于激光具有方向性好的特点，被广泛应用作准直光源测量直线度、平面度、平面度等几何量。然而激光束作为直线基准时，还存在外部干扰。激光束从激光头出射到达探测器的过程中，外界环境的不稳定造成大气的不均匀分布，引起激光波前畸变，光在传播过程中不可避免的产生漂移，为长距离的准直带来很大困难。

目前常用的消除或减小空气扰动的方法包括：将光束用套管屏蔽，或将光路置于真空中；沿着激光束前进的方向进行适当流速的空气流喷射，提高空气扰动频率，采用低通滤波，消除交流成分的影响；采用足够靠近的相邻光束，其中一束用于测量，另一束用来采集噪声，两光束离得很近，大气扰动引起的噪声在两路信号中是相关的，通过一定的算法，提高直线基准的稳定性。但是这些方法成本高，系统复杂，工业应用不方便。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法，可对由大气不均引起的光束漂移进行有效补偿。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，包括激光器1，沿激光器1的发射光束依次布置有起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5和反射器7，第一分束镜4的分光方向上设置位置探测器14，反射器7的反射光与激光器1的发射光束平行，在反射器7的反射光线上依次设置第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10和空间光相位调制器11，第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8到反射器7的距离相等，法拉第旋光器9使往返通过它的光的偏振态旋转90°，第二分束镜10的分光方向上设置波前探测器12，空间光相位调制器11和波前探测器12都连接至计算机13。

所述起偏器2的起偏方向设置应保证经起偏器2后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8。

所述反射器7是角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。

所述位置探测器14是PSD、四象限探测器或者CCD。

本发明还提供了一种利用所述系统提高激光准直精度的方法，激光器1发出的激光经起偏器2变成能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8的线偏振光，该线偏振光经过扩束准直系统3之后，依次透过第一分束镜4、第一偏振分光镜5到达反射器7，经反射器7之后的反射光经第二偏振分光镜8透射，经过法拉第旋光器9，由第二分束镜10分成两部分，其中反射光被波前探测器12接收，实时探测波前信息，其中透射光打到空间光相位调制器11上，计算机13对波前探测器12的信号进行处理，将控制信号传递给空间光相位调制器11，使空间光相位调制器11实时产生所述的第二分束镜10的透射光的相位共轭光，所述的相位共轭光，反向经过第二分束镜10之后经法拉第旋光器9旋光，使光的偏振态相对于经所述的起偏器2产生的线偏光的偏振态旋转90°，偏振态旋转之后的光束经过第二偏振分光镜8和第一偏振分光镜5时被完全反射，再经过第一分束镜4反射，到达位置探测器14，当被测物体6横向移动Δd时，位置探测器14可探测到光束位置变化2Δd。

与现有技术相比，本发明的系统结构简单，可有效补偿大气不均匀对激光准直的影响；采用空间光相位调制器作为相位共轭镜，具有体积小、易于控制等优点。

附图说明

图1是本发明基于光学相位共轭原理提高激光准直精度的方法的光路图。

图2是本发明基于光学相位共轭原理提高激光准直精度的方法的示意图，实线表示被测对象移动前的光束，虚线表示被测对象移动后的光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的系统包括：

激光器1、起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5、被测对象6、反射器7、第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10、空间光相位调制器11、波前探测器12、计算机13和位置探测器14。

其中，起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5和反射器7沿激光器1的发射光束依次布置，起偏器2的起偏方向设置应保证经起偏器2后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8。第一分束镜4的分光方向上设置位置探测器14，位置探测器14是PSD、四象限探测器或者CCD；反射器7可以为角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼，也可以由两个反射面连接构成，设置于被测对象6上可以与被测对象一起横向移动。反射器7的反射光与激光器1的发射光束平行，在反射器7的反射光线上依次设置第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10和空间光相位调制器11，第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8到反射器7的距离相等。法拉第旋光器9使往返通过它的光的偏振态旋转90°，第二分束镜10的分光方向上设置波前探测器12，空间光相位调制器11和波前探测器12都连接至计算机13。

本发明利用的原理如下：

考虑沿Z方向的光波

$E(\stackrel{\→}{r},t)=\mathrm{Re}\left\{E\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \right[i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})\left]\right\}---\left(1\right)$

定义它的相位共轭光为

$E_c(\stackrel{\→}{r},t)=\mathrm{Re}\left\{E^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \right[i(-\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})\left]\right\}---\left(2\right)$

相位共轭只包含对空间部分的共轭，不包含时间部分；

光波满足方程

${\▿}^{2}E+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)E=0---\left(3\right)$

介电常数

是空间位置的函数，

将式（1）带入式（3）得

${\▿}^{2}E\left(\stackrel{\→}{r}\right)+[{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)-k^2]E\left(\stackrel{\→}{r}\right)-2\mathrm{ik}\frac{\∂E\left(\stackrel{\→}{r}\right)}{\∂z}=0---\left(4\right)$

对式（4）取共轭得

${\▿}^2{E}^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right)+[{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)-k^2]E^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right)-2\mathrm{ik}\frac{\∂E^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right)}{\∂z}=0---\left(5\right)$

式（5）正是相位共轭波

所满足的方程。相位共轭光

传播方向与原光波

传播方向相反，并且在空间每一点具有与原光波

相同的等相位面。光波

通过不均匀大气之后，产生波前畸变，经相位共轭镜产生畸变光波的相位共轭光，当相位共轭光反向通过相同的畸变介质后，光波空间分布与未经大气的原光波的空间分布相同，修正了波前畸变，采用这种原理能有效补偿大气分布不均对激光准直的影响。

根据以上原理，本系统的工作过程如下：

激光器1发出的激光经起偏器2变成能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8的线偏振光，该线偏振光经过扩束准直系统3之后，依次透过第一分束镜4、第一偏振分光镜5到达反射器7，经反射器7之后的反射光经第二偏振分光镜8透射，经过法拉第旋光器9，由第二分束镜10分成两部分，其中反射光被波前探测器12接收，实时探测波前信息，透射光打到空间光相位调制器11上，计算机13对波前探测器12的信号进行处理，将控制信号传递给空间光相位调制器11，使空间光相位调制器11实时产生所述的第二分束镜10的透射光的相位共轭光，所述的相位共轭光，反向经过第二分束镜10之后经法拉第旋光器9旋光，使光的偏振态相对于经所述的起偏器2产生的线偏光的偏振态旋转90°，偏振态旋转之后的光束经过第二偏振分光镜8和第一偏振分光镜5时被完全反射，再经过第一分束镜4反射，到达位置探测器14。如图2所示，当被测物体6横向移动Δd时，位置探测器14可探测到光束位置变化2Δd。

由于位移Δd很小，可认为入射光传播光路和相位共轭光传播光路上大气分布是相同的，入射光波通过不均匀大气产生波前畸变，光束发生漂移，所述的相位共轭光反向通过不均匀大气，消除大气不均匀引起的波前畸变，减小由大气不均匀引起的光束漂移对激光准直的影响，提高了准直测量的精度。

Claims (5)

1.一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，其特征在于，包括激光器（1），沿激光器（1）的发射光束依次布置有起偏器（2）、扩束准直系统（3）、第一分束镜（4）、第一偏振分光镜（5）和反射器（7），第一分束镜（4）的分光方向上设置位置探测器（14），反射器（7）的反射光与激光器（1）的发射光束平行，在反射器（7）的反射光线上依次设置第二偏振分光镜（8）、法拉第旋光器（9）、第二分束镜（10）和空间光相位调制器（11），第一偏振分光镜（5）和第二偏振分光镜（8）到反射器（7）的距离相等，法拉第旋光器（9）使往返通过它的光的偏振态旋转90°，第二分束镜（10）的分光方向上设置波前探测器（12），空间光相位调制器（11）和波前探测器（12）都连接至计算机（13）。

2.根据权利要求1所述的提高激光准直精度的系统，其特征在于，所述起偏器（2）的起偏方向设置应保证经起偏器（2）后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜（5）和第二偏振分光镜（8）。

3.根据权利要求1所述的提高激光准直精度的系统，其特征在于，所述反射器（7）是角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。

4.根据权利要求1所述的提高激光准直精度的系统，其特征在于，所述位置探测器（14）是PSD、四象限探测器或者CCD。

5.利用权利要求1所述系统提高激光准直精度的方法，其特征在于，激光器（1）发出的激光经起偏器（2）变成能完全透过第一偏振分光镜（5）和第二偏振分光镜（8）的线偏振光，该线偏振光经过扩束准直系统（3）之后，依次透过第一分束镜（4）、第一偏振分光镜（5）到达反射器（7），经反射器（7）之后的反射光经第二偏振分光镜（8）透射，经过法拉第旋光器（9），由第二分束镜（10）分成两部分，其中反射光被波前探测器（12）接收，实时探测波前信息，其中透射光打到空间光相位调制器（11）上，计算机（13）对波前探测器（12）的信号进行处理，将控制信号传递给空间光相位调制器（11），使空间光相位调制器（11）实时产生所述的第二分束镜（10）的透射光的相位共轭光，所述的相位共轭光，反向经过第二分束镜（10）之后经法拉第旋光器（9）旋光，使光的偏振态相对于经所述的起偏器（2）产生的线偏光的偏振态旋转90°，偏振态旋转之后的光束经过第二偏振分光镜（8）和第一偏振分光镜（5）时被完全反射，再经过第一分束镜（4）反射，到达位置探测器（14），当被测物体（6）横向移动Δd时，位置探测器（14）可探测到光束位置变化2Δd。

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