HeNe激光聚束的磁约束装置及方法
【专利摘要】本发明的一种HeNe激光聚束的磁约束装置及方法，涉及激光测量【技术领域】。该装置依次包括：用于安置HeNe激光器（102）的四维运动平台（101）、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的光斑尺度传感器（109）；上述磁约束装置主要包括可以高速旋转的互斥磁约束体（108），该互斥磁约束体（108）由多对极性相反的磁体构成，中间形成磁腔（107），HeNe激光器（102）发出的激光束能够穿过该磁腔（107）。当激光穿过磁腔时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提高的目的。
【专利说明】HeNe激光聚束的磁约束装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及激光检测【技术领域】，更具体的说，是一种利用互斥磁约束体提高HeNe激光聚束性能，从而提高激光准直、测试的精度和射程的一种HeNe激光聚束的磁约束装置及方法。
【背景技术】
[0003]光在磁场作用下，光学特性将发生变化，前人的研究包括塞曼效应、法拉第磁光效应、科顿-穆顿效应和克尔磁光效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
[0004]Michael Faraday发现线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度Ψ，与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比，即Ψ =VBL。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，这种现象称为磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
[0005]Aime Cotton和Henri Mouton发现光在透明液体介质中传播时,若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方，此效应称为磁致双折射。
[0006]Kerr John发现了入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时,振动面发生旋转的现象，称为Magneto-Optic Kerr Effect (MOKE)。MOKE分极向、纵向和横向三种类型,分别对应物质的磁化强度与反射表`面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向Kerr磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度,一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。
[0007]上面这些研究都说明了激光在磁场中产生偏转的现象。但对于互斥磁场作用下激光发生偏转聚束的方法和装置，到目前为止还没有相关研究和报道。
[0008]在激光测量过程中采用的低功率HeNe红外激光，包括激光干涉仪、激光跟踪仪、经纬仪等，这类仪器优势在于大尺度范围的测量，尤其在大尺度的飞机装配、舰船制造等领域。到目前为止，激光在这些领域的应用已经非常广泛，但是，对于超大尺度的激光准直和测量，要达到一个很高的精度，非常困难。这是因为激光光束具有发散角，经过超大距离的行程后，激光发散非常严重，无法实现高精度检测。目前，国内外最精密的激光发散角达到
0.1mrad,即80米的长度准直，光斑直径约8mm，精度无法满足需求，能量密度也达不到使用要求。
[0009]因此，本发明提出了互斥磁约束的激光聚束方法和装置，通过对已发射激光的发散角进行改变，促使激光进行聚束，实现超长距离的激光传输与精密检测。为我国激光准直与测量相关的【技术领域】，包括船舶制造、航空航天装配等带来巨大的经济效益和技术支持。
【发明内容】
[0010]本发明目的在于，提供一种HeNe激光聚束的磁约束方法及装置，实现对激光聚束性能提闻的目的。
[0011]一种HeNe激光聚束的磁约束装置，其特征在于:依次包括:用于安置HeNe激光器的四维运动平台、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的光斑尺度传感器；上述磁约束装置包括精密导轨、安装于精密导轨上的轴承支架、安装于轴承支架内的水平轴承；还包括安装于水平轴承内的约束体旋转支架，约束体旋转支架为空心轴结构，该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体，该互斥磁约束体由多对极性相反的磁体构成，中间形成磁腔，HeNe激光器发出的激光束能够穿过该磁腔；还包括与约束体旋转支架一端相连的旋转驱动机构。
[0012]所述的HeNe激光聚束的磁约束装置的方法，其特征在于包括以下过程:当HeNe激光器发出的激光穿过由互斥磁约束体形成的磁腔时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提高的目的；而激光聚束性能的提高可以通过光斑直径进行判断，光斑直径的大小可以由光斑尺度传感器进行检测；激光聚束性能的改变通过调整磁腔中磁场强度的大小来改变，磁腔磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。磁场强度增大，磁腔直径变小，聚束性能提高。相反，磁场强度减小，磁腔直径变大，聚束性能降低。
[0013]因为激光光束具有发散角，经过超大距离的行程后，激光发散非常严重，无法实现高精度检测。针对这一问题，本发明提出了一种HeNe激光聚束的磁约束方法及装置，利用N-N/S-S强互斥磁场，作用在激光束上，对激光束进行聚束压缩，实现外延激光束发散角的偏转。利用强永磁互斥场和可调强度电磁互斥场，改变磁腔内径、磁极对数量、磁腔长度等磁场特性参数，以激光光斑直径为指标参数，实现激光聚束特性改变的检测。并提出了各向同性的旋转互斥磁场，避免各向异性磁场对激光聚束性能的影响，建立一套磁约束激光高聚束特性的方法与系统装置。本发明将为我国激光测量、航空航天、船舶制造等领域的研究与发展提供关键理论与支撑技术。本发明中为了确保磁约束体能通过激光，把磁约束体旋转支架设计成空心轴，激光可以从空心轴中穿过。激光束从磁腔中穿过时，应确保激光束能穿过磁腔的首尾孔中心，因此通过四维运动平台调整激光束的位姿，来实现激光束穿过磁腔的中心。调整互斥磁约束体和HeNe激光器之间的位置，找到最合适对激光束进行聚束的距离。轴承支架在精密导轨上，导轨的直线度要求很高，确保互斥磁约束体在导轨上做轴向移动时，不影响激光聚束性能。激光聚束性能的提高通过光斑尺度传感器来检测，光斑尺度传感器也安装在精密导轨中轴线上，确保激光基本打在传感器的中心位置。
[0014]所述互斥磁约束体为永磁体形式或电磁铁形式。当所述互斥磁约束体为永磁体形式时，磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现；磁腔直径的改变通过互斥磁约束体中各磁极对间距离的调整来实现，磁极对间距离减小，磁腔减小，磁场强度增大，反之，磁极对间距离增大，磁腔增大，磁场强度减小。当所述互斥磁约束体为为电磁体形成时，磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁体来实现，串联的电磁体数量增大，则磁腔长度增大；磁腔直径的改变通过电磁体线圈电流大小的调整来实现，电流增大，磁腔直径减小，电流减 小，磁腔直径增大。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的磁约束体聚束装置结构图；
图1中标号名称:101—四维运动平台；102—HeNe激光器；103—精密导轨；104—轴承支架；105—水平轴承；106—约束体旋转支架；107—磁腔；108—互斥永磁体；109—光斑尺度传感器；110—从动带轮；111 一传动皮带；112—电机；113—主动带轮。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明一种HeNe激光聚束的磁约束方法及装置进行说明。
[0017]如图1所示，本发明的HeNe激光聚束的磁约束方法及装置包括:
四维运动平台101，激光器安装在该平台上，实现激光器位姿的控制与调节，确保激光束在磁腔中心位置穿过；
HeNe激光器102，发射HeNe低功率激光的装置；
精密导轨103，调整互斥磁约束体和HeNe激光器之间的位置，找到最合适对激光束进行聚束的距离；
轴承支架104，支承轴承，同时连接在精密导轨上，确保轴承能高速旋转；
水平轴承105，空心轴装夹磁约束体安装在轴承上，确保磁约束体的高速旋转，提供各向同性的磁场；
约束体旋转支架(空心轴)106,把永磁体和电磁体形成的磁约束体装夹起来,对电磁体可实现磁极对距离的调节，能装配在轴承上进行旋转；空心轴中心孔及磁腔的中心孔尽量确保同轴；
磁腔107，由永磁体或者电磁体形成的圆柱形磁场区域，变化参数包括磁腔直径、磁腔长度两个参数；
互斥磁约束体108，由N-N或S-S构成的互斥磁约束体，对激光形成偏转效应；
光斑尺度传感器109，安装在精密导轨上，用于检测激光在聚束前后光斑的直径大小，从而反映磁约束体对光斑聚束性能的改变；
从动带轮110,与空心轴过盈配合,和传动皮带一起实现磁约束体的旋转,提供各向同性的磁腔；
传动皮带111:连接带轮和电机主动轮，形成带传动链；
电机112:提供磁约束体旋转的动力源；
主动带轮113,连接电机和传动皮带,把电机的旋转运动传输给从动带轮,实现磁约束体的旋转。
[0018]如图1所示，检测过程中，HeNe激光聚束的磁约束方法及装置实现步骤如下: 步骤1:对电磁体调整磁约束体距离,对永磁体调整线圈电流大小，形成某一个直径、
长度下的磁腔；
步骤2:在四维运动平台作用下，调整激光位姿，在PSD传感器的协助下，利用计算机控制算法，实现激光同时穿过磁腔的首尾孔中心；
步骤3:在精密导轨上，调整互斥磁约束体和HeNe激光器之间的位置，找到最合适对激光束进行聚束的距离；
步骤4:利用光斑尺度传感器来检测光斑直径大小，以此来反映激光聚束性能，在施加磁约束前后，分别测量光斑尺度大小，比较激光聚束前后的光斑尺度；
步骤5:通过传动皮带连接磁约束体上的从动带轮和电机的主动动轮；
步骤6:旋转电机,产生各向同性的磁场,观察各向同性磁场(电机旋转)和各向异性磁场(电机停止)的情况下，激光聚束性能的提高。
[0019]步骤7:利用本发明的装置，对任何测量激光，或者准直激光施加一个各向同性的磁约束体，提高激光的聚束性能，实现激光超长距离精密测试功能。
【权利要求】
1.一种HeNe激光聚束的磁约束装置，其特征在于: 依次包括:用于安置HeNe激光器(102)的四维运动平台(101)、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的光斑尺度传感器(109 ); 上述磁约束装置包括精密导轨(103)、安装于精密导轨(103)上的轴承支架(104)、安装于轴承支架(104)内的水平轴承(105);还包括安装于水平轴承(105)内的约束体旋转支架(106)，约束体旋转支架(106)为空心轴结构，该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体(108)，该互斥磁约束体(108)由多对极性相反的磁体构成，中间形成磁腔(107)，HeNe激光器(102)发出的激光束能够穿过该磁腔(107);还包括与约束体旋转支架(106) —端相连的旋转驱动机构。
2.根据权利要求1所述的HeNe激光聚束的磁约束装置，其特征在于:所述互斥磁约束体(108)为永磁体形式或电磁铁形式。
3.根据权利要求1所述的HeNe激光聚束的磁约束装置，其特征在于:上述旋转驱动机构由电机(112)、与电机输出轴相连的主动带轮(113)、安装于约束体旋转支架(106) —端的从动带轮(110 )、连接主动带轮(113 )和从动带轮(110 )的传动皮带(111)。
4.根据权利要求1所述的HeNe激光聚束的磁约束装置的方法，其特征在于包括以下过程: 当HeNe激光器(102)发出的激光穿过由互斥磁约束体(108)形成的磁腔(107)时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提闻的目的； 而激光聚束性能的提高可以通过光斑直径进行判断，光斑直径的大小可以由光斑尺度传感器(109)进行检测； 激光聚束性能的改变通过调整磁腔(107)中磁场强度的大小来改变，磁腔(107)磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。
5.根据权利要求4所述的HeNe激光聚束的磁约束装置的方法，其特征在于包括以下过程: 当所述互斥磁约束体(108)为永磁体形式时，磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现；磁腔直径的改变通过互斥磁约束体(108)中各磁极对间距离的调整来实现。
6.根据权利要求4所述的HeNe激光聚束的磁约束装置的方法，其特征在于包括以下过程: 当所述互斥磁约束体(108)为为电磁体形成时，磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁体来实现，串联的电磁体数量增大，则磁腔长度增大；磁腔直径的改变通过电磁体线圈电流大小的调整来实现，电流增大，磁腔直径减小，电流减小，磁腔直径增大。
【文档编号】H01S3/10GK103594913SQ201310540639
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】陆永华, 李亚威, 赵东标, 刘凯, 王扬威 申请人:南京航空航天大学