激光准直技术

激光准直技术在工业生产生活中的应用摘要：激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。因此，对激光准直技术的研究具有重要意义与广泛的前景。这里就激光准直技术的工作原理及其在基本建设工程施工测量中的应用做简单介绍。关键词：激光、准直仪、准直基线1、引言随着世界工业技术的迅猛发展,对各项几何参数的测量精度要求越来越高。直线度测量是集合计量领域里最基本的计量项目之一，直接影响仪器精度、性能、质量，也是机械加工中常见又重要的测量项目。在精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛应用。2、原理激光准直的原理如图1所示，由激光器L发出一束单横模的激光（一般为可见光，通常采用氦氖激光器的0.633µm波长的光），利用倒置的望远镜系统S，将光束形成直径很细的（约为几毫米）的平行光束，或者将光束在不同距离上聚焦成圆形小光斑。此平行光束中心的轨迹为一条直线，即可作为准直和测量的基准线。在需要准直的位置处用光电探测器接受准直光束。该光电探测器为四象限光电探测器D（即由4块光电池组成），激光束照射到光电探测器上时，每块光电池会产生电压V1，V2，V3，V4。当激光束中心照射在光电探测器中心处，由于4块光电池收到相同的光能量，产生的电压值相等；而当激光束中心偏离光电探测器中心时，将有偏差电压信号Vx和Vy；Vx=V1-V3，Vy=V2-V4由此偏差电压即可知道接收点位置的偏移大小和方向。图1激光准直仪结构图按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型：（一）振幅(光强)测量型由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到10−5量级。为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案。1、菲涅尔波带片法激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。以十字线的中心作为准直基线，来克服光强分布不对称的影响，但因为波带片有确定的焦距，不可能在很长距离上都得到清晰的十字像。图2菲涅耳波带片成像原理2、相位板法采用二维非对称位相板，它的四个象限上每两个相邻的象限具有二相位差，所形成的直边衍射图是亮背景上的一个暗十字。这种方法很适合于对中控制，但由于衍射的作用，测量范围不可能太大。图3位相板准直系统3、双光束准直法两光束是由一个空间棱镜分出的。当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜之后的两光束漂移方向相反。采用两光束的平分线作为准直基线可以克服激光器的漂移影响，但该系统对双光束的平行性要求较高，在长距离范围内不易实现。图4双光束准直原理图（二）相位测量型双频激光干涉法激光束被Wollaston棱镜对称分开，射向两面角反射镜并按原路返回于Wollaston棱镜上重新会合被探测器接收。这种方法精度高、稳定性好，目前应用最广。但是其测量传感元件不允许在光路中移进移出，记数必须连续，且只能采用不同的附件分段测量直线度。原理图如图5.图5位相测量型激光准直系统渥拉斯登棱镜：能产生两束相互分开的、偏振方向相互垂直的线偏振光。该棱镜由两块直角方解石棱镜胶合而成，两棱镜光轴相互垂直，又平行各自表面。如图6，当两面角反射镜位移为时，将导致干涉仪的光程变化为。图6干涉仪的光程（三）偏振测量型偏振测量型的代表是激光旋光准直仪，如图7。图7旋光准直光学系统它以往返光束的对称中心作为准直基线，让直线误差变成激光编振方向的变化(旋光)而设检测来。它的测量灵敏度也很高，往返光束的对称分布对克服激光平漂是有效果的。当往返光束靠得很近，甚至重合时也能在某种程度上减轻大气扰动的影响。偏振测量型另一个优点是它的测量元件可在光路中移进移出这个特点可使它应用于同轴度测量。3、应用目前激光准直技术在基本建设工程中的应用主要在以下两个方面。1）在开凿地下地铁、隧道等工程中，应用激光准直，激光束可达300m远，并且亮度大，看得清楚；也便于用光电检测自动控制调整掘进机的方向。在大型掘进中，还可增加激光束的数量，当激光束较多时，可形成开掘面的轮廓，保证工程质量。2）在大型建筑施工中，经常有大面积饰面板安装工程，如大理石贴面、地板安装等。在这种情况下，利用激光束作基准线，可以提高精度。如：毛主席纪念堂柱廊有44根柱子，每边12根，用大块的经过刨床加工过的花岗石作饰面，为了使12根廊柱外饰面共在一个铅直面上，采用了激光准直仪为最下面的两列石板准直。施工中，先使仪器发出的激光束与柱列中心线平行，再以激光束作为检查每根柱上花岗石板共铅直面的基准，可保证各石板共铅直面精度达到毫米量级。4、展望随着激光技术的快速发展，激光的单色性、方向性越来越好，激光准直技术越来越成熟，又因为建筑逐渐在往地下和高出发展，激光准基技术越来越多的得到广泛应用。参考文献：[1]范志刚，2010.光电测试技术.电子工业出版社：148-158