CN216929149U

CN216929149U - 一种激光器与垂准仪检测系统校准装置

Info

Publication number: CN216929149U
Application number: CN202220449167.6U
Authority: CN
Inventors: 肖小平; 王理; 喻准; 许婵; 邓凯; 粟静文; 贺焕洲
Original assignee: Hunan Institute of Metrology and Test
Current assignee: Hunan Institute of Metrology and Test
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2032-03-03

Abstract

本实用新型公开了一种激光器，包括光源生成装置、第一整形装置和第二整形装置，所述光源生成装置用于生成具有圆形的初始光斑的初始激光，所述第一整形装置包括第一双凹透镜和第一平凸透镜，用于将光斑初步整形，扩束和缩小发散角，所述第二整形装置包括第二双凹透镜和第二平凸透镜，用于按固定倍数扩束、缩小发散角至接近零，射出近似平行的激光；本实用新型还公开了一种包括所述激光器的垂准仪检测系统校准装置。本实用新型的激光器能生成具有圆形光斑的两个方向发散角一样的激光，适用于垂准仪检测系统校准装置，旋转不会因光斑不对称影响校准结果，提高校准准确度。

Description

一种激光器与垂准仪检测系统校准装置

技术领域

本实用新型涉及激光器和校准检测技术领域，尤其涉及一种激光器与垂准仪检测系统校准装置。

背景技术

目前大多数使用的635nm-660nm波段红光激光器基本上是半导体激光器，即LD激光二极管直接出光，其光斑模式不是严格的TEM00模式，光斑模式不好，不呈高斯分布，两个方向的发散角不同，使得光斑呈椭圆形，因此，在使用红光激光器进行校准垂准仪校准装置时，由于光斑本身的椭圆形的不对称性，旋转时会直接影响校准结果，导致校准结果不准确。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本实用新型提供一种激光器与垂准仪检测系统校准装置，使得该激光器能生成具有圆形光斑的两个方向发散角一样的激光，适用于垂准仪检测系统校准装置，解决激光器旋转不会因光斑不对称影响校准结果的问题。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本实用新型提供一种激光器，包括光源生成装置、第一整形装置和第二整形装置，所述光源生成装置用于生成 TEM00模式的具有圆形的初始光斑的初始激光，所述第一整形包括第一双凹透镜和第一平凸透镜，用于将光斑初步整形，扩束和缩小发散角，所述第二整形装置包括第二双凹透镜和第二平凸透镜，用于按固定倍数扩束、缩小发散角至接近零，射出近似平行的激光；所述第一双凹透镜、第一平凸透镜、第二双凹透镜和第二平凸透镜的曲率，第一双凹透镜和第一平凸透镜的间距，第二双凹透镜和第二平凸透镜的间距，均根据激光器的调整倍数进行选择或设定，而激光器发射激光的扩束大小和发散角大小根据激光接收端对扩束大小和发散角大小的要求及激光接收端的距离进行设定。

进一步的，所述第一双凹透镜和第一平凸透镜间装有滤光片，用于光源的过滤。

进一步的，所述光源生成装置包括泵浦源、增益工作介质和倍频晶体。

进一步的，所述泵浦源为半导体激光二极管LD，所述增益工作介质为掺钕钒酸钇Nd：YVO₄，所述倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体，即KTP 晶体。

本实用新型也公开了一种包括所述的激光器的垂准仪检测系统校准装置，包括：垂准仪检测系统、运动平台、标准激光器和运动平台位移处理显示装置，所述垂准仪检测系统包括升降台、屋脊棱镜、激光接收屏和接收屏数据处理显示装置，所述运动平台可旋转地安装在升降台上，所述运动平台上具有可移动的工作台，工作台上垂直向上固定标准激光器，所述标准激光器即所述激光器，所述屋脊棱镜位于运动平台上方，与水平面呈45度角偏向垂直于地面的激光接收屏，使得激光垂直向上从标准激光器中射出后，经屋脊棱镜后水平射向激光接收屏，所述运动平台位移处理显示装置连接运动平台，用于计算并显示运动平台上工作台的位移，所述接收屏数据处理显示装置连接激光接收屏，用于计算并显示接收激光的位移。

进一步的，所述运动平台包括底座、导轨、丝杠、工作台、限位装置、调速电机、以及光栅，所述工作台通过丝杠安装在导轨上，所述丝杠连接手动旋钮调节的所述调速电机，所述调速电机用于驱动所述工作台在导轨上直线滑动，所述限位装置位于导轨的两端，所述光栅位于工作台侧面随工作台移动，用于所述工作台的位移测量。

进一步的，所述工作台上具有用于安装不同大小激光器的多个小孔。

进一步的，所述底座的底部有螺孔，所述螺孔中安装螺丝，套装在所述升降台的孔中。

进一步的，所述激光接收屏与所述屋脊棱镜的间距至少有100m。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

(1)本实用新型光源生成装置生成TEM00模式的具有圆形的初始光斑的初始激光，然后经过第一双凹透镜和第一平凸透镜初步整形，扩束和缩小发散角，再经过第二双凹透镜和第二平凸透镜扩束和缩小发散角至近似于零，使得激光器能生成具有圆形光斑的两个方向发散角一样且近似为零的激光，且人眼对该532nm的绿光激光更敏感；

(2)本实用新型将所述激光器作为标准激光器，用于垂准仪检测系统校准装置，由于标准激光器的光斑对称性，标准激光器旋转不会影响校准结果，从而有利于提高该垂准仪检测系统校准装置的校准准确度；

(3)本实用新型的垂准仪检测系统校准装置利用屋脊棱镜的反射特征，通过工作台带动标准激光器移动，通过运动平台带动标准激光器水平旋转，符合垂准仪的工况，可用于垂准仪检测系统的校准，且标准激光器不会随水平旋转影响校准结果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1为本实用新型实施例激光器的光源生成装置和第一整形装置的示意图；

图2为本实用新型实施例激光器的第一整形装置和第二整形装置的原理示意图；

图3为本实用新型实施例激光器生成的圆形光斑的最小位置和最大位置的功率密度图；

图4为本实用新型实施例激光器生成的圆形光斑的示意图；

图5为本实用新型背景技术的椭圆形光斑的示意图；

图6为本实用新型实施例垂准仪检测系统校准装置的示意图；

图7为本实用新型实施例的运动平台的结构示意图；

图中：1：泵浦源；2：增益工作介质；3：倍频晶体；41：第一双凹透镜；51：第一平凸透镜；42：第二双凹透镜；52：第二平凸透镜；6：滤光片；7：升降台；8：运动平台；9：屋脊棱镜；10：标准激光器； 11：激光接收屏；12：运动平台位移处理显示装置；13：接收屏数据处理显示装置；81：底座；82：导轨；83：丝杠；84：工作台；85：调速电机；86：光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例为一种用于垂准仪检测系统校准装置的532nm 绿光激光器，包括光源生成装置、第一整形装置和第二整形装置；所述光源生成装置如图1所示，包括泵浦源1、增益工作介质2和倍频晶体 3，所述第一整形装置如图1和图2所示，包括第一双凹透镜41和第一平凸透镜51，所述第二整形装置如图2所示，包括第二双凹透镜42 和第二平凸透镜52；

其中，泵浦源1为半导体激光二极管LD，增益工作介质2为掺钕钒酸钇Nd：YVO₄，倍频晶体3为磷酸钛氧钾晶体，即KTP晶体，通过LD得到波长为808nm的红光，通过Nd：YVO4得到波长为1064nm 的红光，通过KTP得到波长为532nm的绿光，人眼对532nm的绿光非常敏感，此时初始激光的初始光斑为圆形的绿光光斑，但发散角较大；

对初始光斑的处理的工作原理如图2所示，先通过第一双凹透镜 41和第一平凸透镜51将光斑初步整形，即扩束和缩小发散角，再通过第二双凹透镜42和第二平凸透镜52进一步整形，按固定倍数扩束、缩小发散角至近似于零，使得第二平凸透镜52射出近似平行的绿光；由于一组双凹和平凸透镜射出的激光不可能扩束和缩小发散角到符合用于垂准仪检测系统校准装置的激光的标准，采用第二组双凹和平凸透镜进一步扩束和缩小发散角，且第一双凹透镜41和第一平凸透镜51 间装有滤光片6，用于滤掉可能有的红光；各双凹透镜和平凸透镜的曲率，第一双凹透镜41和第一平凸透镜51的间距，第二双凹透镜42和第二平凸透镜52的间距，均根据激光器的调整倍数进行选择或设定，而激光器发射激光的扩束大小和发散角大小根据激光接收端对扩束大小和发散角大小的要求及激光接收端的距离进行设定，其中各双凹透镜和平凸透镜调整倍数运用了薄透镜的基本扩束公式：

扩束倍数M＝出瞳透镜焦距f₁/入瞳透镜焦距f₂

然后配合相应的设计波长，镜片材料要求，通过设计软件给出模拟结果以及公差分析结果，从而保证这个系统的可行性和实际装配的可靠性。该532nm绿激光器是半导体泵浦固体激光，生成的激光为严格 TEM00模式，光斑模式好，如图3所示，取圆形光斑的的最小位置和最大位置，均呈高斯分布，两个方向发散角一样，光斑呈圆形，如图4 所示，而背景技术中的光斑图5所示。

该垂准仪检测系统的校准装置如图6所示，包括：垂准仪检测系统、运动平台8、标准激光器10和运动平台位移处理显示装置12，所述垂准仪检测系统包括升降台7、屋脊棱镜9、激光接收屏11和接收屏数据处理显示装置13，运动平台8可旋转地安装在升降台7上，运动平台8上具有可移动的工作台84，工作台84上垂直向上固定标准激光器10，所述标准激光器10即所述532nm绿光激光器，屋脊棱镜9 即阿米西棱镜，位于运动平台8上方，与水平面呈45度角偏向垂直于地面的激光接收屏11，使得激光垂直向上从标准激光器10中射出后，经屋脊棱镜9后水平射向激光接收屏11，激光接收屏11至少在100m 远处，运动平台位移处理显示装置12连接运动平台8，计算并显示运动平台8上工作台84的位移，接收屏数据处理显示装置13连接激光接收屏11，计算并显示接收激光的位移。

本实施例中，运动平台8如图7所示，包括底座81、导轨82、丝杠83、工作台84、限位装置、调速电机85、以及光栅86，工作台84 通过丝杠83安装在导轨82上，丝杠83连接手动旋钮调节的调速电机 85，调速电机85提供驱动，丝杠83将回转运动转化为直线运动，使得工作台84在导轨82上直线滑动，限位装置位于导轨82的两端，光栅86位于工作台84侧面随工作台84移动，用于工作台84的位移测量，工作台84上具有用于安装不同大小激光器的多个小孔，底座81底部有螺孔通过螺丝拧紧后，套装在升降台7的孔中，从而使得运动平台8可旋转地安装在升降台7上。

上述垂准仪检测系统的校准装置的工作原理为：任意选择运动平台8上的一个位置为初始位置，在全量程范围内均匀选择5个点，控制运动平台8上的工作台84往一个方向直线移动，给出标准值L_i0，即读取运动平台位移处理显示装置12读数，读取垂准仪检测系统示值L_i，即接收屏数据处理显示装置13对应的读数，整个过程重复测量3次，每个测量点取3次读数平均值作为该点检测结果L_i，i＝1,2,···,5；计算该点示值误差：△_i＝L_i－L_i0，L_i为垂准仪检测系统在该点3次读数的平均值，L_i0为工作台84在该点给出的标准值；

再水平转动运动平台8，与初始位置夹角分别成60°和120°，重复上述步骤计算示值误差；取15个示值误差测量结果中绝对值最大者作为最终结果。

当工作台84带动激光器发生移动L₀时，激光中心点在激光接收屏11的位置也应发生相同的位移L₀，而此时垂准仪检测系统示值会发生变化L，通过计算L和L₀之间的差值，即可得到垂准仪检测系统示值误差；由于垂准仪检测过程中需要进行均匀旋转，取偏心量几何中心为准确点，因此，垂准仪检测系统的校准装置，也应至少在0°、60°和120°分别进行示值误差求取。而本实用新型的532nm绿激光器是半导体泵浦固体激光，生成的激光为严格TEM00模式，光斑模式好，呈高斯分布，两个方向发散角一样，光斑呈圆形，旋转时因光斑本身的不对称对校准结果的影响非常小，大大提高了校准装置的准确度。

综上可知，通过上述的一种激光器与垂准仪检测系统校准装置，具有以下有益效果：

(1)本实用新型的光源生成装置生成TEM00模式的具有圆形的初始光斑的初始激光，然后经过第一双凹透镜和第一平凸透镜初步整形，扩束和缩小发散角，再经过第二双凹透镜和第二平凸透镜扩束和缩小发散角至近似于零，使得激光器能生成具有圆形光斑的两个方向发散角一样且近似为零的激光，且人眼对该532nm的绿光激光更敏感；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种激光器，其特征在于，包括光源生成装置、第一整形装置和第二整形装置，所述光源生成装置用于生成TEM00模式的具有圆形的初始光斑的初始激光，所述第一整形包括第一双凹透镜和第一平凸透镜，用于将光斑初步整形，扩束和缩小发散角，所述第二整形装置包括第二双凹透镜和第二平凸透镜，用于按固定倍数扩束、缩小发散角至接近零，射出近似平行的激光；所述第一双凹透镜、第一平凸透镜、第二双凹透镜和第二平凸透镜的曲率，第一双凹透镜和第一平凸透镜的间距，第二双凹透镜和第二平凸透镜的间距，均根据激光器的调整倍数进行选择或设定，而激光器发射激光的扩束大小和发散角大小根据激光接收端对扩束大小和发散角大小的要求及激光接收端的距离进行设定。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一双凹透镜和第一平凸透镜间装有滤光片，用于光源的过滤。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光源生成装置包括泵浦源、增益工作介质和倍频晶体。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光二极管LD，所述增益工作介质为掺钕钒酸钇Nd：YVO₄，所述倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体，即KTP晶体。

5.一种包括权利要求1-4任一项所述的激光器的垂准仪检测系统校准装置，其特征在于，包括：垂准仪检测系统、运动平台、标准激光器和运动平台位移处理显示装置，所述垂准仪检测系统包括升降台、屋脊棱镜、激光接收屏和接收屏数据处理显示装置，所述运动平台可旋转地安装在升降台上，所述运动平台上具有可移动的工作台，工作台上垂直向上固定标准激光器，所述标准激光器即所述激光器，所述屋脊棱镜位于运动平台上方，与水平面呈45度角偏向垂直于地面的激光接收屏，使得激光垂直向上从标准激光器中射出后，经屋脊棱镜后水平射向激光接收屏，所述运动平台位移处理显示装置连接运动平台，用于计算并显示运动平台上工作台的位移，所述接收屏数据处理显示装置连接激光接收屏，用于计算并显示接收激光的位移。

6.根据权利要求5所述的垂准仪检测系统校准装置，其特征在于，所述运动平台包括底座、导轨、丝杠、工作台、限位装置、调速电机、以及光栅，所述工作台通过丝杠安装在导轨上，所述丝杠连接手动旋钮调节的所述调速电机，所述调速电机用于驱动所述工作台在导轨上直线滑动，所述限位装置位于导轨的两端，所述光栅位于工作台侧面随工作台移动，用于所述工作台的位移测量。

7.根据权利要求6所述的垂准仪检测系统校准装置，其特征在于，所述工作台上具有用于安装不同大小激光器的多个小孔。

8.根据权利要求6所述的垂准仪检测系统校准装置，其特征在于，所述底座的底部有螺孔，所述螺孔中安装螺丝，套装在所述升降台的孔中。

9.根据权利要求5所述的垂准仪检测系统校准装置，其特征在于，所述激光接收屏与所述屋脊棱镜的间距至少有100m。