专利名称：利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法
技术领域：
本发明属于激光测量领域，涉及ー种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法。
背景技术：
准直技术是各种几何參数的測量基础。随着科技的发展，现代制造业对准直技术的要求越来越高。由于激光具有方向性好的特点，被广泛应用作准直光源測量直线度、平面度、平面度等几何量。然而激光束作为直线基准时，还存在外部干扰。激光束从激光头出射到达探测器的过程中，外界环境的不稳定造成大气的不均匀分布，引起激光波前畸变，光在传播过程中不可避免的产生漂移，为长距离的准直带来很大困难。 目前常用的消除或减小空气扰动的方法包括将光束用套管屏蔽，或将光路置于 真空中；沿着激光束前进的方向进行适当流速的空气流喷射，提高空气扰动频率，采用低通滤波，消除交流成分的影响；采用足够靠近的相邻光束，其中一束用于测量，另一束用来采集噪声，两光束离得很近，大气扰动引起的噪声在两路信号中是相关的，通过一定的算法，提高直线基准的稳定性。但是这些方法成本高，系统复杂，エ业应用不方便。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供ー种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统与方法，可对由大气不均引起的光束漂移进行有效补偿。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是ー种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，包括激光器1，沿激光器I的发射光束依次布置有起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5和反射器7,第一分束镜4的分光方向上设置位置探测器14,反射器7的反射光与激光器I的发射光束平行，在反射器7的反射光线上依次设置第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10和空间光相位调制器11，第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8到反射器7的距离相等，法拉第旋光器9使往返通过它的光的偏振态旋转90° ,第二分束镜10的分光方向上设置波前探測器12，空间光相位调制器11和波前探測器12都连接至计算机13。所述起偏器2的起偏方向设置应保证经起偏器2后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8。所述反射器7是角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。所述位置探測器14是PSD、四象限探測器或者(XD。本发明还提供了ー种利用所述系统提高激光准直精度的方法，激光器I发出的激光经起偏器2变成能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8的线偏振光,该线偏振光经过扩束准直系统3之后,依次透过第一分束镜4、第一偏振分光镜5到达反射器7,经反射器7之后的反射光经第二偏振分光镜8透射,经过法拉第旋光器9,由第二分束镜10分成两部分，其中反射光被波前探測器12接收，实时探測波前信息，其中透射光打到空间光相位调制器11上，计算机13对波前探測器12的信号进行处理，将控制信号传递给空间光相位调制器11，使空间光相位调制器11实时产生所述的第二分束镜10的透射光的相位共轭光，所述的相位共轭光，反向经过第二分束镜10之后经法拉第旋光器9旋光,使光的偏振态相对于经所述的起偏器2产生的线偏光的偏振态旋转90°，偏振态旋转之后的光束经过第二偏振分光镜8和第一偏振分光镜5时被完全反射,再经过第一分束镜4反射,到达位置探測器14，当被测物体6横向移动Λ d时，位置探測器14可探測到光束位置变化2 Δ d。与现有技术相比，本发明的系统结构简单，可有效补偿大气不均匀对激光准直的影响；采用空间光相位调制器作为相位共轭镜，具有体积小、易于控制等优点。
图I是本发明基于光学相位共轭原理提高激光准直精度的方法的光路图。图2是本发明基于光学相位共轭原理提高激光准直精度的方法的示意图，实线表示被测对象移动前的光束，虚线表示被测对象移动后的光束。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进ー步详细说明。如图I所示，本发明的系统包括激光器I、起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5、被测对象6、反射器7、第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10、空间光相位调制器11、波前探測器12、计算机13和位置探測器14。其中,起偏器2、扩束准直系统3、第一分束镜4、第一偏振分光镜5和反射器7沿激光器I的发射光束依次布置，起偏器2的起偏方向设置应保证经起偏器2后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8。第一分束镜4的分光方向上设置位置探测器14，位置探測器14是PSD、四象限探測器或者CCD ;反射器7可以为角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼，也可以由两个反射面连接构成，设置于被测对象6上可以与被测对象一起横向移动。反射器7的反射光与激光器I的发射光束平行，在反射器7的反射光线上依次设置第二偏振分光镜8、法拉第旋光器9、第二分束镜10和空间光相位调制器11，第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜8到反射器7的距离相等。法拉第旋光器9使往返通过它的光的偏振态旋转90°，第二分束镜10的分光方向上设置波前探測器12，空间光相位调制器11和波前探測器12都连接至计算机13。本发明利用的原理如下考虑沿Z方向的光波/；'(/%/) - Re {/;(>)exp[/(んニ 一 W/)])( I )定义它的相位共轭光为Ec (r, t) = Re {E* (r) exp[/(-fc — ω )}}(2)相位共轭只包含对空间部分的共轭，不包含时间部分；光波满足方程V1E + ω2με(τ)Ε-O( 3)
介电常数￡(Γ)是空间位置的函数，将式(I)带入式(3)得
权利要求
1.ー种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，其特征在于，包括激光器(1)，沿激光器(I)的发射光束依次布置有起偏器(2)、扩束准直系统(3)、第一分束镜(4)、第一偏振分光镜(5)和反射器(7),第一分束镜(4)的分光方向上设置位置探测器(14),反射器(7)的反射光与激光器(I)的发射光束平行，在反射器(7)的反射光线上依次设置第二偏振分光镜(8 )、法拉第旋光器(9 )、第二分束镜(10 )和空间光相位调制器(11),第一偏振分光镜(5)和第二偏振分光镜(8)到反射器(7)的距离相等，法拉第旋光器(9)使往返通过它的光的偏振态旋转90° ,第二分束镜(10)的分光方向上设置波前探测器(12),空间光相位调制器(11)和波前探測器(12)都连接至计算机(13)。
2.根据权利要求I所述的提高激光准直精度的系统，其特征在于，所述起偏器(2)的起偏方向设置应保证经起偏器(2)后的线偏振光能完全透过第一偏振分光镜(5)和第二偏振分光镜(8 )。
3.根据权利要求I所述的提高激光准直精度的系统，其特征在于，所述反射器(7)是角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。
4.根据权利要求I所述的提高激光准直精度的系统，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.利用权利要求I所述系统提高激光准直精度的方法，其特征在于，激光器(I)发出的激光经起偏器(2)变成能完全透过第一偏振分光镜(5)和第二偏振分光镜(8)的线偏振光，该线偏振光经过扩束准直系统(3)之后,依次透过第一分束镜(4)、第一偏振分光镜(5)到达反射器(7)，经反射器(7)之后的反射光经第二偏振分光镜(8)透射，经过法拉第旋光器(9)，由第二分束镜(10)分成两部分，其中反射光被波前探測器(12)接收，实时探測波前信息，其中透射光打到空间光相位调制器(11)上，计算机(13)对波前探測器(12)的信号进行处理，将控制信号传递给空间光相位调制器(11)，使空间光相位调制器(11)实时产生所述的第二分束镜(10)的透射光的相位共轭光，所述的相位共轭光，反向经过第二分束镜(10)之后经法拉第旋光器(9)旋光，使光的偏振态相对于经所述的起偏器(2)产生的线偏光的偏振态旋转90° ,偏振态旋转之后的光束经过第二偏振分光镜(8)和第一偏振分光镜(5)时被完全反射，再经过第一分束镜(4)反射，到达位置探測器(14)，当被测物体(6)横向移动Λ d时，位置探測器(14)可探測到光束位置变化2 Δ d。
全文摘要
一种利用光学相位共轭原理提高激光准直精度的系统，包括激光器，沿激光器的发射光束依次布置有起偏器、扩束准直系统、第一分束镜、第一偏振分光镜和反射器，第一分束镜的分光方向上设置位置探测器，反射器的反射光与激光器的发射光束平行，在反射器的反射光线上依次设置第二偏振分光镜、法拉第旋光器、第二分束镜和空间光相位调制器，第二分束镜的分光方向上设置波前探测器，空间光相位调制器和波前探测器都连接至计算机，本发明还提供了一种利用该系统提高激光准直精度的方法，本发明的系统结构简单，可有效补偿大气不均匀对激光准直的影响；采用空间光相位调制器作为相位共轭镜，具有体积小、易于控制等优点。
文档编号G02B27/30GK102692725SQ20121019200
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者李岩, 李达成, 黄有为, 黄沛 申请人:清华大学