專利名稱：利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)與方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光測量領域，涉及ー種利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)與方法。
背景技術：
準直技術是各種幾何參數(shù)的測量基礎。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)對準直技術的要求越來越高。由于激光具有方向性好的特點，被廣泛應用作準直光源測量直線度、平面度、平面度等幾何量。然而激光束作為直線基準時，還存在外部干擾。激光束從激光頭出射到達探測器的過程中，外界環(huán)境的不穩(wěn)定造成大氣的不均勻分布，引起激光波前畸變，光在傳播過程中不可避免的產(chǎn)生漂移，為長距離的準直帶來很大困難。 目前常用的消除或減小空氣擾動的方法包括將光束用套管屏蔽，或?qū)⒐饴分糜?真空中；沿著激光束前進的方向進行適當流速的空氣流噴射，提高空氣擾動頻率，采用低通濾波，消除交流成分的影響；采用足夠靠近的相鄰光束，其中一束用于測量，另一束用來采集噪聲，兩光束離得很近，大氣擾動引起的噪聲在兩路信號中是相關的，通過一定的算法，提高直線基準的穩(wěn)定性。但是這些方法成本高，系統(tǒng)復雜，エ業(yè)應用不方便。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供ー種利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)與方法，可對由大氣不均引起的光束漂移進行有效補償。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是ー種利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)，包括激光器1，沿激光器I的發(fā)射光束依次布置有起偏器2、擴束準直系統(tǒng)3、第一分束鏡4、第一偏振分光鏡5和反射器7,第一分束鏡4的分光方向上設置位置探測器14,反射器7的反射光與激光器I的發(fā)射光束平行，在反射器7的反射光線上依次設置第二偏振分光鏡8、法拉第旋光器9、第二分束鏡10和空間光相位調(diào)制器11，第一偏振分光鏡5和第二偏振分光鏡8到反射器7的距離相等，法拉第旋光器9使往返通過它的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90° ,第二分束鏡10的分光方向上設置波前探測器12，空間光相位調(diào)制器11和波前探測器12都連接至計算機13。所述起偏器2的起偏方向設置應保證經(jīng)起偏器2后的線偏振光能完全透過第一偏振分光鏡5和第二偏振分光鏡8。所述反射器7是角錐棱鏡、直角棱鏡或者貓眼。所述位置探測器14是PSD、四象限探測器或者(XD。本發(fā)明還提供了ー種利用所述系統(tǒng)提高激光準直精度的方法，激光器I發(fā)出的激光經(jīng)起偏器2變成能完全透過第一偏振分光鏡5和第二偏振分光鏡8的線偏振光,該線偏振光經(jīng)過擴束準直系統(tǒng)3之后,依次透過第一分束鏡4、第一偏振分光鏡5到達反射器7,經(jīng)反射器7之后的反射光經(jīng)第二偏振分光鏡8透射,經(jīng)過法拉第旋光器9,由第二分束鏡10分成兩部分，其中反射光被波前探測器12接收，實時探測波前信息，其中透射光打到空間光相位調(diào)制器11上，計算機13對波前探測器12的信號進行處理，將控制信號傳遞給空間光相位調(diào)制器11，使空間光相位調(diào)制器11實時產(chǎn)生所述的第二分束鏡10的透射光的相位共軛光，所述的相位共軛光，反向經(jīng)過第二分束鏡10之后經(jīng)法拉第旋光器9旋光,使光的偏振態(tài)相對于經(jīng)所述的起偏器2產(chǎn)生的線偏光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)之后的光束經(jīng)過第二偏振分光鏡8和第一偏振分光鏡5時被完全反射,再經(jīng)過第一分束鏡4反射,到達位置探測器14，當被測物體6橫向移動Λ d時，位置探測器14可探測到光束位置變化2 Δ d。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的系統(tǒng)結構簡單，可有效補償大氣不均勻?qū)す鉁手钡挠绊?；采用空間光相位調(diào)制器作為相位共軛鏡，具有體積小、易于控制等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明基于光學相位共軛原理提高激光準直精度的方法的光路圖。圖2是本發(fā)明基于光學相位共軛原理提高激光準直精度的方法的示意圖，實線表示被測對象移動前的光束，虛線表示被測對象移動后的光束。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進ー步詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括激光器I、起偏器2、擴束準直系統(tǒng)3、第一分束鏡4、第一偏振分光鏡5、被測對象6、反射器7、第二偏振分光鏡8、法拉第旋光器9、第二分束鏡10、空間光相位調(diào)制器11、波前探測器12、計算機13和位置探測器14。其中,起偏器2、擴束準直系統(tǒng)3、第一分束鏡4、第一偏振分光鏡5和反射器7沿激光器I的發(fā)射光束依次布置，起偏器2的起偏方向設置應保證經(jīng)起偏器2后的線偏振光能完全透過第一偏振分光鏡5和第二偏振分光鏡8。第一分束鏡4的分光方向上設置位置探測器14，位置探測器14是PSD、四象限探測器或者CCD ;反射器7可以為角錐棱鏡、直角棱鏡或者貓眼，也可以由兩個反射面連接構成，設置于被測對象6上可以與被測對象一起橫向移動。反射器7的反射光與激光器I的發(fā)射光束平行，在反射器7的反射光線上依次設置第二偏振分光鏡8、法拉第旋光器9、第二分束鏡10和空間光相位調(diào)制器11，第一偏振分光鏡5和第二偏振分光鏡8到反射器7的距離相等。法拉第旋光器9使往返通過它的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，第二分束鏡10的分光方向上設置波前探測器12，空間光相位調(diào)制器11和波前探測器12都連接至計算機13。本發(fā)明利用的原理如下考慮沿Z方向的光波/；'(/%/) - Re {/;(>)exp[/(んニ 一 W/)])( I )定義它的相位共軛光為Ec (r, t) = Re {E* (r) exp[/(-fc — ω )}}(2)相位共軛只包含對空間部分的共軛，不包含時間部分；光波滿足方程V1E + ω2με(τ)Ε-O( 3)
介電常數(shù)￡(Γ)是空間位置的函數(shù)，將式(I)帶入式(3)得
權利要求
1.ー種利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器(1)，沿激光器(I)的發(fā)射光束依次布置有起偏器(2)、擴束準直系統(tǒng)(3)、第一分束鏡(4)、第一偏振分光鏡(5)和反射器(7),第一分束鏡(4)的分光方向上設置位置探測器(14),反射器(7)的反射光與激光器(I)的發(fā)射光束平行，在反射器(7)的反射光線上依次設置第二偏振分光鏡(8 )、法拉第旋光器(9 )、第二分束鏡(10 )和空間光相位調(diào)制器(11),第一偏振分光鏡(5)和第二偏振分光鏡(8)到反射器(7)的距離相等，法拉第旋光器(9)使往返通過它的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90° ,第二分束鏡(10)的分光方向上設置波前探測器(12),空間光相位調(diào)制器(11)和波前探測器(12)都連接至計算機(13)。
2.根據(jù)權利要求I所述的提高激光準直精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述起偏器(2)的起偏方向設置應保證經(jīng)起偏器(2)后的線偏振光能完全透過第一偏振分光鏡(5)和第二偏振分光鏡(8 )。
3.根據(jù)權利要求I所述的提高激光準直精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述反射器(7)是角錐棱鏡、直角棱鏡或者貓眼。
4.根據(jù)權利要求I所述的提高激光準直精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置探測器(14)是PSD、四象限探測器或者(XD。
5.利用權利要求I所述系統(tǒng)提高激光準直精度的方法，其特征在于，激光器(I)發(fā)出的激光經(jīng)起偏器(2)變成能完全透過第一偏振分光鏡(5)和第二偏振分光鏡(8)的線偏振光，該線偏振光經(jīng)過擴束準直系統(tǒng)(3)之后,依次透過第一分束鏡(4)、第一偏振分光鏡(5)到達反射器(7)，經(jīng)反射器(7)之后的反射光經(jīng)第二偏振分光鏡(8)透射，經(jīng)過法拉第旋光器(9)，由第二分束鏡(10)分成兩部分，其中反射光被波前探測器(12)接收，實時探測波前信息，其中透射光打到空間光相位調(diào)制器(11)上，計算機(13)對波前探測器(12)的信號進行處理，將控制信號傳遞給空間光相位調(diào)制器(11)，使空間光相位調(diào)制器(11)實時產(chǎn)生所述的第二分束鏡(10)的透射光的相位共軛光，所述的相位共軛光，反向經(jīng)過第二分束鏡(10)之后經(jīng)法拉第旋光器(9)旋光，使光的偏振態(tài)相對于經(jīng)所述的起偏器(2)產(chǎn)生的線偏光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90° ,偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)之后的光束經(jīng)過第二偏振分光鏡(8)和第一偏振分光鏡(5)時被完全反射，再經(jīng)過第一分束鏡(4)反射，到達位置探測器(14)，當被測物體(6)橫向移動Λ d時，位置探測器(14)可探測到光束位置變化2 Δ d。
全文摘要
一種利用光學相位共軛原理提高激光準直精度的系統(tǒng)，包括激光器，沿激光器的發(fā)射光束依次布置有起偏器、擴束準直系統(tǒng)、第一分束鏡、第一偏振分光鏡和反射器，第一分束鏡的分光方向上設置位置探測器，反射器的反射光與激光器的發(fā)射光束平行，在反射器的反射光線上依次設置第二偏振分光鏡、法拉第旋光器、第二分束鏡和空間光相位調(diào)制器，第二分束鏡的分光方向上設置波前探測器，空間光相位調(diào)制器和波前探測器都連接至計算機，本發(fā)明還提供了一種利用該系統(tǒng)提高激光準直精度的方法，本發(fā)明的系統(tǒng)結構簡單，可有效補償大氣不均勻?qū)す鉁手钡挠绊?；采用空間光相位調(diào)制器作為相位共軛鏡，具有體積小、易于控制等優(yōu)點。
文檔編號G02B27/30GK102692725SQ20121019200
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權日2012年6月11日
發(fā)明者李巖, 李達成, 黃有為, 黃沛 申請人:清華大學