第八章激光准直技术.ppt

第八章 激光准直技术 图8-1 * * 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。 §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?′，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?′=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： Δd2λF（F为透镜的F数： ） 例：设d=φ2.5mm，fˊ=305mm，D=φ7mm 此时产生零级B