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
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。
激光准直仪操作规程(内容清晰)
激光准直仪操作规程 激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。激光光束经转向系统后出射两条相互平行的基准光束,作为导轨的安装检测基准。该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采用液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、准确地测量导轨安装的偏移量,从而提高导轨安装的精度和速度。实验结果显示测量系统在X,Y方向上的标准偏差分别为： 0.002mm,0.005mm。 1、主要参数 序号项目单位指标 1 工作范围m 2-50 2 激光光轴与主机机械轴的同轴 度 mm ±0.05+0.002L 3 激光光轴漂移量mm/h 0.005 4 激光波长nm 635 5 电源电压V 3 6 系统准备时间min 15 7 环境温度℃5-40 8 环境湿度% ≤90 2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。 3、激光准直仪的特点与工作原理 1）仪器的特点是采用了空间位相调制器。激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好的、红黑反差很大的同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。而且在不同测距进行测量时是不用调焦的，实现了无调焦运行差。 中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数: L=2.5米时?0.1mm L=20米时?1.2mm L=50米时?2.5mm 2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，通过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，可以调至±0.02~0.03mm。然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。
第二章激光准直基础学习知识原理
第二章 激光准直原理 第一节 光的衍射现象 一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。 例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。 波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射 日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？ 310a 衍射现象不明显 1-2-1010a 衍射现象显著 110a 1- 逐渐过渡为散射 首先我们来做一个实验，让一单色强光源(激光)发出的光波，通过半径为ρ且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当ρ足够大时，在原屏上看到的是一个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。这与光的直线传播想一致。如图： 随着ρ的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑
将逐渐扩展，弥漫。 光强出现分布不均匀，呈现出明暗 相间的同心圆环，且圆环中心出现 时亮时暗的变化。 光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了 原来的直线传播，绕过障碍物，这 种现象称为光的衍射。 再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。 逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。 一、光的衍射定义： 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象
二、产生条件： 障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候 三、衍射规律： 1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。当遇 到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。 2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。光波面在衍射屏上哪个方向受限， 接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。 第二节惠更斯——菲涅耳原理 一、惠更斯原理 1．波面：等相位面 2. 任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源， 各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面 的包络面形成整个波，在该时刻的新波面——“次波” 假设。 能解释： 直线传播、反射、折射、晶体的双折射等； 不能解释： 波的干涉和衍射现象（未涉及波长等）； 而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而实际上倒退波是不存在的。
多波长激光雷达系统设计与仿真技术研究
系精密仪器 系主任 批准日期 毕业设计（论文）任务书 精密仪器系光信专业班学生 一、毕业设计(论文)课题多波长激光雷达系统设计与系统仿真技术研究 二、毕业设计(论文)工作自2014 年 2 月24 日起至2014 年 6 月20 日止 三、毕业设计(论文)进行地点本校 四、毕业设计(论文)的内容要求 激光雷达是一种新兴的具有高效、高精度、高时空分辨率主动遥感探测装置，可以实现对大气气溶胶实时高效的探测，具有其它常规探测手段难以企及的优点。多个波长的激光雷达可以实现对气溶胶粒谱分布、色比、Angstrom指数等的探测。本课题要求在了解气溶胶Mie散射的基础上，设计一个多波长（355、532、1064nm）激光雷达系统。利用Zemax光学软件实现光学接收系统的仿真与模拟，Matlab软件实现系统探测能力、探测性能的仿真与计算。 1、调研、查阅参考资料 (1) 了解气溶胶Mie散射的基本原理； （2）查阅多波长激光雷达的理论和发展； (3) 学习Zemax软件和Matlab软件； (4) 查阅资料总结分析大气气溶胶回波信号的反演算法; 2、方案论证和选择 设计包含355\532\1064nm的多波长激光雷达系统，实现多个波长气溶胶的回波探测和分光系统设计与分析。根据多波长激光雷达系统参数实现探测能力的 探测仿真与分析。 3、撰写开题报告并于第4周开题
4、软件设计 利用Zemax光学软件设计接收望远镜，利用Matlab或Matlab软件设计大气气溶胶反演程序，并完成系统探测能力的仿真与计算。 5、编写论文 6、撰写5000字左右的文献综述 7、翻译不少于3000汉字的外文资料 负责指导教师 指导教师 接受设计论文任务开始执行日期 学生签名
激光加工光学系统
激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统
激光基础知识 1.1 激光的产生 三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质； 2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转； 3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；
1.2 激光光束的特性 1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)； 若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度 2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度） 3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。 4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）
1.3激光器的输出特性 1）激光波长——激光器输出准单色光； 不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。 2）激光输出的能量和功率 连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒 脉冲激光: 峰值功率P = 脉冲能量E / 脉冲宽度T m 脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f
3）激光束的空间分布特性—— 基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布； 振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角； 为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法 高斯光束的参数： 束腰； 等相位面； 发散角；
红外线激光准直器
红外线激光准直器 Laser marking-off equipment (gy)可广泛用于各种板材切割成型机、石材机械、木工机械、金属锯床、包装机械的对刀、放线。能产生一条清晰明请打零贰玖捌捌柒贰陆柒柒叁亮的红线、体积小巧、方便调节、易于安装、稳定可靠。能较大幅度的提高工作效率。我们还可以提供电源内置一体式激光辅助定位灯，使客户的使用更加方便。 The equipment is wide applies to various boards cutting machine, stone material machine, woodcutting machine, metal sawing machine, packaging machine collimated. It can emit a clear red light, and has small body with easy adjusted and set up and also safe stability. It can improve working efficiency highly. We can offer a unity series laser marking-off equipment with power supply inside for using easier. 输出波长：635nm 650nm 输出功率：635nm 10～30mw 650nm 20～150mw 工作电压：5V DC 工作电流：≤450mA 光束发散度：0.1～1.5mrad 出光张角：10o～135o 光线直径：≤0.5mm ＠0.5m；≤1.0mm ＠3.0m；≤1.5mm ＠6.0m； 直线度：≤1.0mm ＠6.0m 光学透镜：光学镀膜玻璃或塑胶透镜 尺寸：Φ16×55mm；Φ16×65mm；Φ16×80mm；Φ22×85mm；Φ26×110mm（可定制） 尺寸：Φ45×210mm；Φ60×210mm（电源内置一体式） 工作温度：－10～75℃ 储存温度：－40～85℃ 使用寿命：连续使用大于8000小时 附件：专用电源工业支架 激光等级：Ⅲb Output wavelength: 635nm 650nm Output power: 635nm 10～30mw 650nm 20～150mw Operating voltage: 5V DC Operating current: ≤450mA Beam divergence: 0.1～1.5mrad Fan angle: 10o～135o Beam diameter: ≤0.5mm ＠0.5m；≤1.0mm ＠3.0m；≤1.5mm ＠6.0m； L ine degree:≤1.0mm ＠6.0m Optics: coated glass lens or plastic lens Size: Φ16×55mm；Φ16×65mm；Φ16×80mm；Φ22×85mm；Φ26×110mm（made as requirement; Φ45×210mm；Φ60×210mm（power supply inside series）
激光光束特定方向准直方法与技术
激光光束特定方向准直方法与技术 摘要:基于光束漂移量反馈通过PZT 驱动的微角度控制,实时动态检测和控 制激光光束特定方向的平漂量和角漂量,以达到出射光束特定方向的高稳定性。准直系统中对光束平漂量和角漂量进行了分离检测,并各自构成了平漂量和角漂量反馈控制执行系统,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合,提高了准直精度及准直效率。实验表明,该方法特定方向准直精度可达5 ×10 - 8 rad。关键词:激光准直; 光束漂移; 激光基准; 激光 Laser Beam Collimation Method and Technology in Given Beam Direction Abstract: in this method, displacement and angle excursions of laser beam from given direction was measured and controlled dynamically in real time through micro-angle measuring and micro-angle controlling systems based on piezoelectric driving, in the collimation system dis placement excursion and angle excursions of laser beam was measured s eparately and each of them has a independent feedback control system to restrain and angle excursion is decreased so the collimation preci sion and collimation efficiency are improved. Experiments prove the c ollimation precision of laser beam can reach 5×10-8 rad. 1 引言 激光器由于受其本身的热变形、环境振动和空气扰动等因素的影响,出射的激光束在传播过程中常会产生漂移,主要表现为光束的平漂和角漂,其量级一般在10 - 4～10 - 6 rad。这一弱点限制了激光器准直精度的进一步提高,影响了其在实际中的运用。目前的许多方法,如激光方向稳定法[1 ] 、位相板衍射准直法[2 ,3 ] 、双光束补偿准直法[4 ] 、单模光纤准直法、CCD传真法等[5～7 ] ,都是为解决这一问题而提出的。但此类方法,均将激光光束在任意方向的平漂和角漂作为一个综合影响量,来对其进行准直,增加了准直难度及准直系统的复杂性,降低了准直效率。在激光长距离准直技术中,有时只需对激光光束传播中的某个空间位置方向(激光束截面的x 方向或y 方向) 进行准直;在许多应用场合,对测量结果起作用的只是光束截面的某个特定方向的稳定性,此种情况下只需对所用光束特定方向进行准直, 这样既可降低难度、减小系统复杂性,同时又能提高特定方向的准直效率及精度。为此,本文提出抑制光束特定方向的漂移量反馈控制方法及技术。 2 特定方向反馈控制准直法 2. 1分离检测 光束角漂量分离检测法见图1 ,将二像限探测器( TEPD ,two2element pho todioe) 光敏面中心对称线置于聚焦物镜的焦点处,与TEPD 中心对称线垂直的方向即为将要准置的特定方向,安放二像限硅光电池使纸面为将需准直的特定方向面,如图1 (a) 所示。 当光束产生平漂量Δx 时,由于入射光束平行于光轴经聚焦物镜后仍聚于焦点上, TEPD 对光束的平漂量不敏感。当光束产生角漂即相对光轴以θ角入射时,光束聚焦于聚焦物镜的焦平面上并发生偏移, 见图1 (b) ,偏移TEPD 的中心位置量为Δy =θ×f 。其中,θ为光束角漂量,Δy 为光束焦点偏移TEPD 中心线,
激光雷达门控控制系统的设计讲解
激光雷达门控控制系统的设计 前言激光雷达能够对大气中的气溶胶、二氧化碳、臭氧、水气等进行高时空分辨率、实时、大范围地测量，因此越来越受到环保和气象部门的重视。目前，用于气象要素和环境污染检测的激光雷达技术发展很快。激光雷达必定会在大气参数和环境污染检测方面扮演重要的角色。要使激光雷达的测量范围尽可能的大,必须控制好雷达光电倍增管（PMT）门控的开关门时间，以满足各种测量的要求.如果能很好地解决这些问题将会极大地推动激光雷达的应用 前言 激光雷达能够对大气中的气溶胶、二氧化碳、臭氧、水气等进行高时空分辨率、实时、大范围地测量，因此越来越受到环保和气象部门的重视。目前，用于气象要素和环境污染检测的激光雷达技术发展很快。激光雷达必定会在大气参数和环境污染检测方面扮演重要的角色。要使激光雷达的测量范围尽可能的大,必须控制好雷达光电倍增管（PMT）门控的开关门时间，以满足各种测量的要求.如果能很好地解决这些问题将会极大地推动激光雷达的应用和推广。 单片机在很多领域都有广泛的应用，其性价比很高,特别适合于激光雷达门控控制系统的要求。我们利用单片机很好地实现了激光雷达光电倍增管门控开关门的控制，并通过上位机编程实现了软件控制门控,操作极为方便,使激光雷达的发展更加趋向于自动化。 1．控制方案设计 激光雷达接收的后向散射回波信号通过 PMT接收，由于近地面的回波信号很强，而 PMT是非常灵敏的器件，如果直接用激光器的出光信号 QSWITCH信号触发 PMT接收回波就会对PMT造成损害。 常闭型 PMT的 GATE端是上升沿触发开门，所以我们将 QSWITCH信号延时整形后得到一个正脉冲，脉冲的前沿触发 PMT开门，脉冲的宽度就是 PMT开门的时间。 常开型 PMT的 GATE端是下降沿触发关门，所以我们先将激光器的氙灯信号FLASHLAMP延时一段时间，得到一个正脉冲，脉冲的前沿调节在QSWITCH信号之前，这个时候 PMT就关门了，直到脉冲的后沿才触发 PMT开门，在这之后PMT就一直开门。 通过单片机控制单稳态触发器的延时时间，并用上位机进行软件控制，实现了精确延时，调节非常方便。 本系统以单片机为核心,按照规定的协议,上位机通过串口给单片机发送相应的指令,单片机再调节单稳态触发器中的数字电位器的值,从而输出相应的延时脉冲到光电倍增管门控,实现开门或者关门。系统功能框图如图1： 2．系统硬件设计本系统采用 AT89S52单片机作为控制核心，控制系统主要包括数字电位器、光电耦合器、单稳态触发器、信号放大整形电路、以及串口通
激光扩束系统设计
光学设计 Optical design 题目名称：准直扩束系统的设计 学校：长春理工大学 学院：光电工程学院 专业：光电信息工程 学号： 100212338 姓名：魏松岩 2014.01.08
目录 第一章绪论 (1) 1.1引言 (1) 1.2激光束及其准直扩束的原理 (1) 1.2.1激光高斯光束的特性 1.2.2激光束准直扩束的原理 1.3折射型扩束器基本结构 (4) 1.3.1开普勒扩束镜 1.3.2伽利略扩束镜 第二章光学设计软件ZEMAX概述 (5) 第三章激光准直扩束系统设计 (9) 3.1 准直扩束系统的参数确定 (9) 3.2确定激光扩束系统的初始结构 (9) 3.3 ZEMAX的优化 (11)
第一章绪论 1.1引言 激光扩束系统是激光干涉仪、激光测距仪、激光雷达等诸多仪器设备的重要组成部分，其光学系统多采用通过倒置的望远系统，来实现对激光的扩束，其主要作用是压缩激光束的空间发散角，使扩束后的激光束口径满足其他系统的要求。 激光器发出的光束直径很细小，通常只有零点几到几毫米，激光束的这些特性在某些方面是很有用的。然而在一些应用领域中需要的确是宽光束，如激光全息、光信息处理、激光照明、激光测距等。例如在激光干涉仪的应用中，它要照射比激光束口径大得多的被测物体，然后通过光束的干涉来实现测量。又如在激光的全息应用中，它要照射比激光束口径大得多的全息记录介质，以实现信息的记录和重现。因此需要使用激光扩束系统来实现激光束的准直扩束。 1.2激光束及其准直扩束的原理 1.2.1激光高斯光束的特性 激光束的性质是由激光共振腔的几何形状和尺寸决定的,激光束具有特殊的结构,光束呈双曲线形，光束的截面上最小处称束腰(见图2.1),其半径为 其中，b为共振腔的共振参数。共振腔的共焦参数b可由下式求得: 其中，R为共振腔球面镜的曲率半径，d为共振腔二镜面之间的距离。 1.2.2激光束准直扩束的原理 最通用的扩束镜起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入负透镜和一个输出正透镜。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。一般小于20倍的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。尽可能
激光器QBH接头及准直系统(内容清晰)
上图为IPG高功率光纤激光器输出端，OBH。OBH的型号为国际标准型号，由于其本身具备一些电气特性，并且输出的激光为发散光，故需要与准直系统配套使用，把QBH插入准直系统即可，所有的准直系统制造商都有IPG的QBH的型号，结构，及电气原理。国内厂商还不具备制造与QBH连接的准直系统的能力。我们的客户也不需要清楚QBH的核心构 造，只需知道QBH是比较方便插拔的一种光纤输出端子就好。
上图为准直器，collimator。此准直器为IPG总部提供给我们北京公司的，也是IPG外购的，IPG自己并不生产准直器。大部分情况下准直系统都是和切割头或焊接头一起配送给客户的，切割头或焊接头制造商都具备生产准直器的能力，而且不同生产厂商有各自的设计理念，客户只需要向制造商提出要求，比如：我希望准直后的光斑直径是多少就可以，至于细节问题，这些制造商也不会提供。 这是把QBH插入到collimator中，它的输出光是平行光，客户可以根据用途要求供应商提供相应的准直器。用此准直器输出的光斑大小大约为10毫米。 我们根据这个准直器自己做了个简易切割头，这个切割头极其简单，故不适合工业应用。
这是Lasermech生产的切割头。带高度传感装置，自带电机。 此部分为准直系统。
好的，这款为专门为光纤激光准备的切割头。 这部分是与QBH连接的准直系统。
综上所述，客户可根据不同需求（对光斑大小的要求不同）寻找切割头或焊接头生产厂家，向这些生产厂家提出要求，至于QBH的尺寸则不需要过多了解，只需知道QBH是标准接头就好。总之准直系统必须要采购（个人意见）。我们可以提供现有的一套供实验用，但需要经过公司领导同意，而且也未必符合客户的需求。
基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计
引言 半导体激光器( laser diode，LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。 1.理论分析及计算 采用OSARM 公司的型号为SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散 角= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约0. 1 m ～0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图 1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第 2 个柱透镜M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。
第二章激光准直原理复习进程
第二章激光准直原理 第一节光的衍射现象 一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。 例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。 波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射 日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？ -103 a -10-2 10-1 a -10-1 1 a 衍射现象不明显 衍射现象显著 逐渐过渡为散射 首先我们来做一个实验，让一单色强光源（激光）发出的光波，通过半径为P且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当p足够大时，在原屏上看到的是 将逐渐扩展，弥漫。 光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。 个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。这与光的直线传播想一致。如图: 随着P的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑
光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。 再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。 逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。 一、光的衍射定义： 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象 二、产生条件： 障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候 三、衍射规律： 1. 光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。当遇到障碍 物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现 象。 2. 光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上 的衍射图样就在哪个方向扩展。
激光准直技术分类
1.2激光准直技术分类 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 利用激光本身的方向性，以激光光强分布中心作为准直基线，是这类准直方法的最初型式。当用位敏光电器件或CCD作为探测器时-可同时实现二维测量，这是振幅测量型激光准直仪的优点。然而如前面所述，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5 10 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，如菲涅尔波带法、零级条纹干涉法、零级衍射同心圆法、不对称位相板法 ]、海定格非定位干涉条纹法 ]、对称双光束法、单模光纤法等。这些方法在克服激光漂移及光强不对称分布的影响方面起到了好的效果-然而对大气扰动的影响仍无法解决 1、 Fresnel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。 2、位相板法 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。 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。 4、反馈控制法 利用闭环反馈技术，实时修正各种因素而致的漂移误差，来提高准线精度，进而实现高精度的激光准直测量。 反馈控制法准直系统在出现光束漂移时，反馈系统的接收装置(控制用探测器)接收到该信号。并将其转换为相应的电信号，此信号再经驱动放大，作用于驱动机构(压电陶瓷)，来对激光束的方向进行二维调整，从而实现对光束漂移量的实时修正，提高准线的精度。该系统经实验测试表明:准直距离为5m，相对精度为
不可见光红外激光准直器
不可见光红外激光准直器 不可见光红外激光准直器是专为红外夜视系统配置的、远距离红外照明光源；配合红外摄像机、黑白CCD摄像机或微光夜视系统用于夜间及24小时的、全天候条件下的监视摄像。不可见光红外激光准直器照明距离从几米到数公里我们还可以根据用户的要求（光波长、光功率、发散角、供电方式、工作条件、外形等）为您研制专用不可见光红外激光准直器，使您能够在任何环境下，都可以获得最佳的监视效果。 同类产品还有： 半导体红外激光光源、夜视激光准直光源、红外系列激光器、红外夜视激光器、夜视半导体激光器等 红光系列激光器可用在各种工业生产设备上，它能起辅助与定位作用，如：物料的切割，木工机械，包装机械，石材桥切机，轮胎定位及玻璃加工中的定位布料加工、焊接加工、PCB加工；机械制造中钣金加工，钢板划线定位；制衣业面料剪裁、对格与对条，裁床定位，电脑开袋机标线，钣金剪压机械、运动器材加工、玻璃加工机械、电子SMT定位定格、印刷电路板标示定位、印刷机标示定位及建筑装潢，绣花机生产过程中的定位等；也用于设备安装及建筑装修中的定位，用途十分广泛。 红光系列激光器的安装机使用简单方便，可安装在使用机械的垂直或水平面上，使得在整个生产过程中有一条可见的、非接触的定位指导操作过程。 红光系列激光器具有方便生产操作和提高生产效率的优点。其激光形 状可在三维空间任意微调，已达到最佳使用效果。 我公司生产的同类产品还有：
红外线激光器、红光激光定位灯、红外线定位灯、红外线定位仪、半导体一字红光激光器等 波长：532nm 635nm 650nm（可定制） 管芯功率：0~200mw（按要求定制） 工作电流：0~2000mA（可定制） 工作电压：5V 12V 24V 36V 外形尺寸：Φ16×55mm Φ16×80mm Φ22×85mm Φ26×110mm（可选择） 光束发散度：0.3～1.5mrad 出光张角：10 o～135o 光线直径：≤0.5mm＠0.5m；≤1.0mm＠3.0m；≤1.5mm＠6.0m； 直线度：≤1.0mm＠3.0m 光学透镜：光学镀膜玻璃或塑胶透镜 工作温度：－10～75℃ 储存温度：－40～85℃ 工作介质：半导体 等级：Ⅲb 可选配：专用支架、电源 温馨提示：专用电源：具有很强的抗干扰性、高稳定性、抑制浪涌电流及缓启动等特点，特别适于恶劣的工作环境，能有效保证镭射激光产品的稳定性和使用寿命。 专用支架：具有良好零贰玖陆捌伍捌壹柒零捌的导热性和灵活性，使镭射激光产品可安装在任何垂直或水平面，并使之在三维空间任意微调，以达到最佳使用效
激光准直仪操作规程
激光准直仪操作规 程
激光准直仪操作规程 激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。激光光束经转向系统后出射两条相互平行的基准光束,作为导轨的安装检测基准。该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采用液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、准确地测量导轨安装的偏移量,从而提高导轨安装的精度和速度。实验结果显示测量系统在X,Y方向上的标准偏差分别为：0.002mm,0.005mm。 1、主要参数 2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。 3、激光准直仪的特点与工作原理 1）仪器的特点是采用了空间位相调制器。激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好的、红黑反差很大的同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。而且在不同测距进行测量时是不用调焦的，实现了无调焦运行差。
中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数: L=2.5米时?0.1mm L=20米时?1.2mm L=50米时?2.5mm 2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，经过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，能够调至±0.02~0.03mm。然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。 3）二维测微光靶 二维测微光靶是用来记录与测量主机盘车时光轴的变化量。 二维测微光靶是由光靶和在X、Y两个自由度上测微的百分表所组成，光靶本身带有卡具和折射棱镜，为安装和读数提供了方便条件。测微光靶的工作范围是±4.5mm。测量精度为±0.01mm。4）平面反射镜 平面反射镜是用来反射激光束的附件，本身带有卡具，用户能够自行设计固定架，然后将平面反射镜固定在它的上面。
激光光束实时监测与自动准直系统设计
第28卷 第8期光 学 学 报 Vol.28,No.82008年8月 ACTA OP TICA SINICA August ,2008 文章编号:025322239(2008)0821590206 激光光束实时监测与自动准直系统设计 尉鹏飞1,2 刘 军1 李晓芳1 陈晓伟1 刘 鹏1 李儒新1 徐至展1 (1中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,上海201800; 2 中国科学院研究生院,北京100049) 摘要 设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准直激光输出方向。基于透镜成像原理,使用CCD 探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整架实现光路自动准直;监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View 编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位置抖动情况,并进行反馈控制。经测试,设计装置的调整精度达0.5μrad ,反馈控制频率约1Hz ,完全可降低或消除抖动周期在1s 以上的光斑飘移。 关键词 光学设计;实时监测;自动准直;程控 中图分类号 TP242;TP273.2 文献标识码 A doi :10.3788/AOS20082808.1590 Des i g n of L as e r B ea m Real 2Ti me Moni t ori n g a n d A dap t i ve Colli m a t i o n S ys t e m Wei Pengfei 1,2 Liu J un 1 Li Xiaofang 1 Chen Xiaowei 1 Liu Peng 1 Li Ruxin 1 Xu Zhizhan 1 1 St a te Key L abor a tor y of High Fiel d L aser Physics ,S ha nghai Instit ute of Op tics a n d Fi ne Mecha nics , Chi nese Aca dem y of sciences ,S ha nghai 201800,Chi n a 2 Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a Abs t r act A new device is developed for real 2time monitoring of laser beam quality and adaptive collimating of laser beam direction.Based on lens imaging p rinciple ,the device is composed of one CCD camera for two 2dimensional imaging of laser spot and two piezoelect rically drived mirrors to correct laser beam shift by the p rinciple of two points exactly defining a line in space.The adaptive cont rol is performed through a home 2made comp uter p rogram using Lab View software.The system can collimate the beam direction in a resolution of 0.5μrad and 1Hz adjusting f requency ,and correct the laser spot shift of period above 1s. Key w or ds otpical system design ;real 2time monitoring ;adaptive collimation ;p rogram cont rol 收稿日期:2007211212;收到修改稿日期:2008203227 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KGCX 2YW 241722)、国家基金重点项目(2006CB806001)和上海市浦江人才计划项目(07pj14091)资助课题。 作者简介:尉鹏飞(1981-),男,博士研究生,主要从事原子分子与激光强场相互作用等方面的研究。 E 2mail :personinjoy @https://www.docsj.com/doc/004053797.html, 导师简介:李儒新(1969-),男,博士,博士生导师,从事强激光与物质相互作用等方面的研究。 E 2mail :ruxinli @https://www.docsj.com/doc/004053797.html, 1 引 言 在大型高功率激光核聚变装置中,如美国诺瓦 装置(Nova )、日本激光212(GE KKO 212),我国的“神光2Ⅲ”装置等,为了确保振荡器发出的激光束能够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、倍频器、靶室,并精确地照射到微型靶丸上,均配置了光路自动准直系统。但在中小型高重复频率的激光装置中, 如超快飞秒激光装置,自动准直系统并不多见,但光束的空间指向稳定性对超快激光物理实验研究非常 重要,如空心光纤脉冲自压缩[1,2]、载波包络相位稳定[2,3]、超快抽运探测[4]等要求光束的空间指向在较长时间内保持稳定。然而由于环境温度变化引起镜架的热胀冷缩、实验仪器震动引起实验平台的震动以及空气的扰动等因素都会使激光光束的方向发生
十激光光学系统演示型
[实验十] 激光光学系统（演示型实验） 一、实验目的 1.了解激光器的种类 2.掌握激光器的发光原理 二、实验内容 掌握实验步骤，观察各种激光器产生的光斑现象。 三、实验仪器 CO 2 激光器、半导体甭浦激光器、Ar+激光器、He-Ne激光器、Nd:YAG激光器、导轨、小孔光阑、调节架、针孔（25μ）、显微物镜、透镜及夹持器 四、实验原理 具有代表性的典型激光器主要有气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器等。气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。它是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的。气体激光器常用的泵浦方法是电激励，即令足够大的电流通过气体介质来完成泵浦的。由于气体的光学均匀性较好，较之固体激光器和半导体激光器其输出光束的质量(如单色性、相干性等)也较好。气体激光器中又包括由原子激光器、离子激光器和分子激光器。原子激光器是利用气体或蒸气形式下的中性原子作为工作物质，常见的有He-Ne激光器；离子激光器是利用气体离子激发态之间的跃迁来产生激光的一种气体激光器，常见的有Ar+激光器；分子激光器是利用未电离的气体份子作为工作物质的一种气体 激光器，如：CO 2 激光器。 固体激光器的基本组成包括工作物质、泵浦系统、谐振腔、冷却与滤光系统四部分。其中，工作物质是激光器的核心，固体工作物质是把金属离子掺入基质而形成的，发光粒子就是工作物质中的金属离子(称为激活离子)，工作物质的物理、化学性能主要决定于基质材料，而它的光谱特性则主要由激活离子的能级结 构所决定。常见的有掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器 ,这是在基质Y 3Al 5 O 12 (YAG) 中掺入钕离子（Nd3+）,部分取代YAG中的钇离子（Y3+）而成为Nd3+:YAG。另外还有半导体激光泵浦激光器也属于固体激光器。 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器，它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。 每一种激光器的发光机理各不相同，具体问题可具体分析。