第八章 激光准直技术,准直，就是给出一条标准的直线作为测量的基准线 产生准直光束的方法：（1）倒置望远镜法；（2）零级Bessel-Gaussian光束法；（3）菲涅尔波带片法；（4）相位板法；（5）超细光束法图8-1,,,,,§8-1 振幅（光强）型激光准直系统,一、倒置望远镜准直法 1、开普勒型准直系统：（图8-1）,,,,,,,2、伽里略型准直系统：（图8-2）,,图8-2,,,,3、组合型准直系统：（图8-3）,图8-3,,二、菲涅尔波带片法 （一）菲涅尔波带片的成像原理：（如图8-4）,图8-4,,,,,,,从S发出的球面波（点光源）碰到光栏边缘Mj时，将产生衍射，考查P点其Mj到P点的光程为： （j为正整数），将光栏划分成很多同心圆（即波带），显然，所有奇数序列（即j=1，3，5……）波带发出的次波在P点位相相同同样，偶数序列（即j=2，4，6……）波带发出的次波在P点位相也相同，但以上两种情形在同一点P点发生时，其位相刚好相反因此，使用一般圆孔光栏时，在P点光强无变化如果设计一个特殊的光栏：某一环带可使奇数序衍射光波畅通无阻，而使偶数序衍射光波位全被拦掉，或者相反。
则P点（观察点）的振幅是同位相的所有次波的迭加，即 A=a1+a3+a5+……+a(2j-1)，或A=a2+a4+a6+……+a(2j),,,,此时，P点的光强比使用圆孔光栏时的光强增大数百倍，即此时波带板等效于一个透镜，将波面上的等位相波带光能汇集在一起 这种将奇数波带或偶数波带遮去的特殊光栏叫菲涅尔波带片 下面，来证明波带片的透镜效应： 如图8-4所示： 设：（1）R——入射波面半径 （2）ρj——波带片上任一级波带的半径 （3）h——任一半径ρj所对应的波面矢高 （4）j——从中心O开始，波带的级次 （5）ro——波阵面顶点到P点的距离,则矢高h和R、ρj有如下关系：由近似公式： 显然在ΔPMjCO中，,,,,,,展开后得因为λ和 都是微小量，则其平方项可以忽略则上式为即则上式为,,,,,,若已知菲涅尔波带板的焦距ƒ´，可根据 设计菲涅尔波带板的图形 例：设菲涅尔波带板的焦距ƒ´=250mm，λ=0.6328×10-3mm 对奇数的波带： 结论：环形波带片可使激光（球面波，或平面波）聚焦在一点，环带越多，成像点越亮，且光点越小。
图8-5,,,,（二）波带板的其他种类 根据菲涅尔波带片的聚焦原理，还可用相互垂直的两块长条形波带片形成“+”字形聚焦亮线，如图8-5所示：,三、相位板准直系统（图8-6）,图8-6,,,,说明： 1、四象限位相板中,相临两象限膜层的光程差为1/2波长 2、则在位相板后任何截面均出现暗十字线，其暗线为准直线 3、若在光轴上置一方孔，当其中心和光轴同轴时，在暗十字线四周期将有四个对称亮点 4、若方孔中心偏离，则四个亮点将呈不对称状态四、双光束法（图8-7） 入射激光束由一空间棱镜分为上下两束光线因此，当入射光线发生平移时，上、下两出射光线也同时对称平移，但两出射光线的对称线未变化也可采用透镜聚焦以提高瞄准精度为避免干涉视象，可采用偏振设计图8-7,,,,,,,,,五、零阶贝塞尔——高斯光束（Bessel-Gaussian光束） （一）原理 由前所述，横截面为高斯分布的激光束，其半径随Z增大而变大，能否存在一种光束，在光传输距离Z变化时，光束半径基本保持不变？ 由波动方程理论，在无限三维空间X、Y、Z中，赫姆霍兹方程存在一个近似的特殊解，即：,,,,,如果光波为高斯光束则： 当上二式中时： 从Bessel-Gaussian光束的表达式可以看出， 其振幅 只与X、Y有关，而与Z无关，即在某一范围内，在横截面内的光强分布呈高斯分布，但不随Z变化而变化，因此，具有光束无发散角的性质。
二）产生Bessel-Gaussian光束的方法1、环形窄缝光栏法：（图8-8）,图8-8,,,,,,其发散角近似不变的最大距离为又因为所以其产生零阶Bessel-Gaussian光束的条件为：Δd<<2λF（F为透镜的F数： ）例：设d=φ2.5mm，fˊ=305mm，D=φ7mm此时产生零级Bessel-Gaussian光束的条件为：,,,,可取Δd=5~10μ=0.005~0.01（mm）其光强分布如图8-9所示：,,,图8-9,,,,,,,,,（二）轴锥镜（axicon）：,图8-10,,,,,,如图8-10，平行激光束通过轴锥镜，当θ<
该棱镜由两块直角方解石棱镜胶合而成，两块棱镜光轴互相垂直，又平行各自表面 如图8-12，当二面角反射镜位移为ΔY时，将导致干涉仪的光程变化为4ΔL图8-12,又因为4ΔL=λ·C（C为条纹数）,,,,一、光学准直仪和自准直仪（图8-13）,§8-4 激光光电准直仪（或自准直仪）,图8-13,,二、激光准直仪和自准直仪（图8-14） 1、原理：,图8-14,,图说明： PSD（POSITION SENSITIVE DETECTOR）为位置灵敏度探测器可以是光电二极管阵列，也可是四象限硅光电池2、四象限PSD工作原理（平恒电桥法）如图8-15所示，,图8-15,1、当四象限硅光电池中心和准直线同轴时，四块硅光电池输出电压相同，电桥平衡 2、若输出不平衡，测准直中心变化，根据其变化规律，可判断其方向要求：四象限硅光电池光电特性完全一致，一般不易保证，其差值多达20%，可采用以下平衡电阻法来解决图8-16）,图8-16,用途：1、测导轨不直度2、不同轴度测量3、多自由度的准直,,三、大气折射率对激光准直精度的影响 激光穿过大气时，随着大气折射率的改变，光束前进的方向将不再保持直线传播方向，而产生弯曲和抖动。
1、光束弯曲：半径， 是大气折射率对高度的导数 2、光束抖动： 减小误差的方法：由大气扰动引起的光束抖动，一般无法消除，只能尽可能减小：,,,（1）选择空气抖动最小的时间，（日出前）2）将光束用套管屏蔽，或将管内抽成真空，其真空度为10-2托以上3）沿激光前进方向喷气流4）用时间常数较小的低通滤波器，消除输出信号的交流成分；用积分电路消除空气扰动的高频效应5）采用双色光激光准直系统，如用6328nm和422nm两种激光光轴，两色光的分离量来修正6）自适应原则在准直仪中应用。