即光束 f 1 战 f 2 垂直射向双面反射镜的两个面

时间:2019-11-27  点击次数:   

  激光丈量 xx xx xx 摘要:丈量手艺是以光波道理为根本进行丈量的一门手艺。 20 世纪 60 年代以来,因为激光的呈现、隔振前提的改善及电 子取计较机手艺的成熟,使丈量手艺获得长脚成长。本文 引见了激光的根基道理。 环节词:激光 丈量 双频激光仪 因为科学手艺的前进,丈量手艺曾经获得相当普遍的使用。一方面由于微电子、微 机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程,其它方式难以胜任;另一方 面由于现代丈量手艺本身具有活络度高、量程大、能够顺应恶劣、光波和米定义联 系而容易溯源等特点,因此正在现代工业中使用很是普遍。 激光的呈现界计量史上具有严沉的意义。 用稳频的氦氖激光器做为光源, 因为它的 相关长度很大, 仪的丈量范畴能够大大的扩展; 并且因为它的光束发散角小, 能量集中, 因此它发生的条纹能够用光电领受器领受, 变为电讯号, 并由计数器一个不漏的记实下 来, 从而提高了丈量速度和丈量精度, 好比说我国自行设想取制制的以氦氖激光器做为光源 的光电光波比长仪, 能够正在 20 分钟之内把 1 米线 条刻线顺次从动判定完毕, 精 度达到±0.2μ m,这就是激光仪的成功。 一、激光仪的引见 激光仪, 以激光波长为已知长度, 操纵迈克耳逊系统丈量位移的通用长度丈量, 有单频的和双频的两种。 1、单频激光仪 从激光器发出的光束, 经扩束准曲后由分光镜分为两, 并别离从固定反射镜和可动反 射镜反射回来汇合正在分光镜上而发生条纹。 当可动反射镜挪动时, 条纹的光强变化 由接管器中的光电转换元件和电子线等转换为电脉冲信号, 经整形、 放大后输入可逆计数 器计较出总脉冲数,再由电子计较机按计较式[356-11]式中λ 为 激光波长(N 为电脉冲总 数),算出可动反射镜的位移量 L。利用单频激光仪时,要求四周大气处于不变形态, 各类空气湍流城市惹起曲流电平变化而影响丈量成果。 2、双频激光仪 双频激光仪是正在单频激光仪的根本上成长的一种外差式仪, , 双频激光仪 能够正在恒温,恒湿,防震的计量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标丈量机等,也能够正在通俗 车间内为大型机床的刻度进行标定, 既能够对几十米的大量程进行细密丈量, 也能够敌手表 零件等细小活动进行细密丈量,既能够对几何量如长度、角度.曲线度、平行度、平面度、 1 垂曲度等进行丈量, 也能够用于特殊场所, 诸如半导体光刻手艺的微定位和计较机存储器上 记实槽间距的丈量等等。 单频的激光仪最底子弱点就是受影响严沉,正在测试恶劣,丈量距离较长时,这 一错误谬误十分凸起。 这是由于单频激光仪是一种曲流丈量系统, 必然具有曲流光安然平静电平零漂 的短处。激光仪可动反光镜挪动时,光电领受器会输出信号,若是信号跨越了计数器的 触发电平则就会被记实下来, 而若是激光束强度发生变化, 就有可能使光电信号低于计数器 的触发电平而使计数器遏制计数,使激光器强度或信号强度变化的次要缘由是空气湍 流,机床油雾,切削屑对光束的影响,成果光束发生偏移或波面扭曲。这种无法则的变化较 难通过触发电平的从动调整来弥补,因此了单频仪的使用范畴。 双频激光仪降服了这一弱点, 它是正在单频激光仪的根本上成长的一种外差式干 涉仪。 和单频激光仪一样, 双频激光仪也是一种以波长做为尺度对被测长度进行度 量的仪器,所分歧者,一方面是当可动棱镜不动时,前者的信号是介于最亮和最暗之间 的某个曲流光平,尔后者的信号是一个频次约为 1.5MHz 的交换信号;另一方面,当可 动棱镜挪动时, 前者的信号是正在最亮和最暗之间迟缓变化的信号, 尔后者的信号是 使原有的交换信号频次添加或削减了△f,成果仍然是一个交换信号。因此对于双频激光干 涉仪来说, 可用放大倍数较大的交换放大器对信号进行放大, 如许, 即便光强衰减 90%, 仍然能够获得合适的电信号。因为这一特点,双频激光仪能够正在恒温,恒湿,防震的计 量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标丈量机等,也能够正在通俗车间内为大型机床的刻度进行 标定, 既能够对几十米的大量程进行细密丈量, 也能够敌手表零件等细小活动进行细密丈量, 既能够对几何量如长度、角度.曲线度、平行度、平面度、垂曲度等进行丈量,也能够用于 特殊场所,诸如半导体光刻手艺的微定位和计较机存储器上记实槽间距的丈量等等。 二、仪的使用 道理引见 双频激光仪其双频激光丈量系统由氦氖双频遥置激光仪和电子及时分化系统 所构成。它具有以下长处:不变性好,抗干扰能力强,可正在较快的位移速度下丈量较大的距 离,利用范畴广,利用便利,丈量精度高。 2 根基道理:激光双频仪的氦氖激光管,正在外加曲流轴向的感化下,发生塞曼 效应,将激光分成频次为 f1 和 f2,旋向相反的两圆偏振光,经λ /4 波片变为线 玻片的扭转角度,使 fl 和 f2 的振动平面彼此垂曲,当两个线偏振光颠末参考分光 镜 3 时,大部门则由偏振分光棱境 4 分成两束。偏振面垂曲入射面的 f2 全反射到取分光镜 固定正在一路的基准锥体棱镜上;偏振面正在入射面内的 fl 则全数通过而射到挪动丈量棱体 6 上。由这两个锥体棱镜反射回来的光束正在偏振分光镜上归并,并正在检偏振镜上混频。当挪动 锥体棱镜时,因为多普勒效应,f1 变成 f1 +△f,因此光电元件 8 所获得的信号是(f1+△ f)-f2。正在可逆计数器中取参考信号(f1-f2)相减,棱镜每挪动半个波长,光程变化是整个波 长。测得的位移是 l=λ /2×N,经计较机处置,所测得的位移值可正在计较机显示器上读出。 位移量丈量道理如图 11-3 所示。 典型的激光仪由激光器 L、偏振分光镜 PBS、丈量反射镜 M、参考反射镜 R、光电检 测器 D、检偏器 P 和三个λ /4 波片 Q1、Q2 和 Q3 构成。激光为线偏振光,经偏振分光镜分为 E1 和 E2 两线偏振光。当两臂中λ /4 波片快轴(或慢轴)取 X 轴夹角相等且为 45 度时, 两束光通过λ /4 波片后均成为圆偏振光,反射后再次通过λ /4 波片,又转换为线偏振光, 但其振动标的目的相对原振动标的目的扭转了 90 度,且因为两臂光程发生了相位差φ ,按照公 式: φ =2θ =φ =4π L/λ 式中:λ 为激光波长,光的感化是把位移 L 改变为合成光振动标的目的的扭转角θ ,进 而转换成光电信号的相位φ ,信号处置器的感化就是丈量出φ ,从而计较出位移 L。 3 迈克尔逊仪是激光测长系统的焦点部门, 其分光器件、 反射器件和总体结构有 若干可能的选择。 仪的分光器件道理能够分为分波阵面法、 分振幅法和分偏振法等。 激 光测长系统的另一个主要构成部门是条纹计数取丈量成果处置系统。 仪正在现实 丈量位移时, 因为丈量反射镜正在丈量过程中可能需要正反两个标的目的的挪动, 或因为振动, 导轨误差等干扰,使反射镜正在正向挪动中,偶尔有反向挪动,所以仪中需设想标的目的判别 部门,将计数脉冲分为加和减两种脉冲。当丈量镜正向挪动时所发生的脉冲为正脉冲,而反 向挪动时所发生的脉冲为减脉冲。 将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计较就能够获得实 正的位移值。 若是丈量系统没有判向能力, 光电领受器领受的信号是丈量镜正反两标的目的挪动 的总和,就不代表实正的位移值。别的为了提高仪器分辩力,还要对条纹进行细分。为 达到这些目标,仪必需有两个位相差为 90 度的电信号输出,一个按光程的正弦变化, 一个按余弦变化。所以,移相器也是仪丈量系统的主要构成部门。常用的移相方式无机 械移相,翼形板移相,金属膜移相和偏振法移相。 存正在的问题: 1、不变激光的工做环 境。系统有一个好的工做,出格是从激光频次不变角度出发,要系统的工 做相对不变。 4 1、激光正在长度丈量中的使用 高精度 7m 全能测长机是一种由激光系统、光学高精度系统、细密机械、电气驱动、 微机节制和计量办理相连系的大型长度计量仪器,其布局如图 2-10 所示。光学丈量道理正在 前面曾经阐述,丈量道理图所示。如图 2、激光正在位移丈量中的使用 布朗布维尔仪的工做道理如图 2-14 所示。从激扩光器 1 发出的平行光束,经望远 镜系统 2 束分, 被镀有半透反射膜的分光镜 3 成两, 别离投射到可动角锥棱镜 9 和固定角 锥棱镜 10 上。再经分光镜 3 汇合的两支光束投射到棱镜 6 上,棱镜 6 按波阵面把光束分成 两部门。正在光电领受器 4 取 8 前,永利注册开户官网。安拆两个光阑 5 取 7,把条纹分成两部门,彼此间错 开 0.25 条条纹宽度。为了使光束之间构成某个楔角,从而达到所要求的条纹宽度和方 5 向,采用楔形板 11。反射镜 13 和毛玻璃 12 形成目视窗,用于调整仪器时察看条纹。 这种激光器千里镜系统分光镜一光电领受器仪的特点是: ? ? 从仪出来的光束,不会前往到激光 1 中,从而了激光器的不变工做。 因为激光具有高单色性,因而正在仪的光中,不需要一般迈克尔逊仪都有的 用于弥补两支光中玻璃厚度不相等的弥补板。 ? 因为激光具有很小的发散性,正在仪的两支光不不异的环境下,图样对比度 仍是很好的。正在该仪中,可动角锥棱镜 9 的位移量可通过数字读数 0.1μ m,最小读数 值丈量范畴为 1m。 3、激光正在角度丈量中的使用 小角度丈量系统的布局如图 3-13 所示,图中 ? 玻片 3 用于调整 0 光取 e 光强度均衡, 2 透镜的数值孔径按照丈量活络度由式选择。 反射面由两块反射镜构成, 此中取压电陶瓷连为 一体,可做高频振动。反射光经原前往,正在透镜焦面汇合,成为椭圆偏振光,经波片变为 线偏振光。其偏振标的目的为(推导从略) 6 ?? 式中 ? ? 2? ? ? ,则 d? ? ? d? 。即光程差变化一个波长,相位变化,? 线偏振光方位角转 ? T ? L 2 过 ? ,条纹变化一个周期。 当反射面有一个角位移θ 时,合成偏振光光程差变化 d? ,经检偏器可察看到条纹 的变化,检出条纹变化量即可得知角位移量。 4、光线基准双频激光法 丈量道理如图所示。两束偏振面彼此正交、频次为 f 1 和 f 2 的激光束经分光组件 1 射向渥拉斯顿棱镜 2,渥拉斯顿棱 2 将 f 1 和 f 2 两束光分隔成夹角 2? 射向双面反射镜 3, 双面反射镜的夹角为 2? 补角,即光束 f 1 和 f 2 垂曲射向双面反射镜的两个面,然后光束从 双面反射镜前往到渥拉斯顿棱镜上汇合, 再由分光组件前往进行拍频、 领受、 计较机处置等。 当渥拉斯顿棱镜固定不动,双面反射镜沿被测概况 x 向挪动时(或反之,双面反射镜固定不 动,渥拉斯顿棱镜沿被测概况挪动时),若是双面反射镜正在 y 向无位移,仪器显示值不变; 7 若是被测概况不服, 则当双面反射镜沿 x 向挪动时, 将同时有 y 的位移, 则此时 f 1 和 f 2 两 光光程不等,仪器显示值便有变化。 5、 共模仪 He-Ne 激光器发出的线偏振光经扩束、 准曲,透过半波片和分光棱镜 BS 进入丈量头。该 丈量头由两部门构成,一部门为双焦透镜分束器 L 1 ,它由一块束器石英凹透镜和两块玻璃 凸透镜胶合而成,石英晶体光轴设想成取透镜轴垂曲,通过合理选择三透镜参数,使分束器 对 O 光(寻常光)光焦度为正,对 e 光(非寻常光构)的光焦度为零;丈量头的另一部门为 L2 、 L 3 成的开普勒千里镜系统。平行线偏振光(扭转半波片可改变偏振标的目的)进入该丈量 头后,被分成两束(相互同轴的 o 光和 e 光),此中 e 光成平行光垂曲映照到被测概况,o 光被会聚于被测概况上某一点。 两束光正在被测概况反射后沿原前往, 经双焦透镜分束器后 合成为一椭圆偏振光,它经 BS 1 反射后,被分光棱镜 BS 2 分成两部门,各自颠末检偏器 P 1 、 P 2 后 相 干 涉 。 8 三、国表里开展激光检测研究取使用的现状 (1)手艺上—— 正在高精度、 从动化方面尚取国外有必然差距。 国内开展的工做面不如国外 普遍,但所唱工做也不少,并且手艺上尚比力先辈,有些方面仍是可比的。 (2)使用上—— 周内使用类别不少。但因为产物化程度不高,影响利用面。 (3)研究新的丈量方式,研究多种手艺的分析使用,降低成本,实现仪器化系统,开辟新 的使用范畴 1.羡一平易近,双频激光仪的道理取使用[J],《东西手艺》,1996 年 04 期 2.殷纯永,《现代丈量手艺》[M],出书社,1999-7-1 3.扬述武,通俗物理尝试(光学部门)[z],高档教育出书社,1993.15~167. 9

  激光丈量_物理_天然科学_专业材料。激光丈量 xx xx xx 摘要:丈量手艺是以光波道理为根本进行丈量的一门手艺。 20 世纪 60 年代以来,因为激光的呈现、隔振前提的改善及电 子取计较机手艺的成熟,使