基于半导体激光光纤组件的激光准直仪

　　1　引　　言

　　目前国内外出现了许多激光准直方法和装置[1],但这些激光准直装置存在如下不足:(1)测量靶镜带有跟随光电接收器的电缆,测量不方便;(2)激光准直头大多采用He-Ne激光器,造成测量头体积大;(3)受诸多因素影响,造成准直精度不高。采用单模光纤和He-Ne激光器的准直装置,对减少激光器本身的漂移和提高激光准直精度有好处[2],但采用分离元件来耦合激光器和光纤,造成出射光强的不稳定。近年来,出现了采用半导体激光准直的方法[3,4],可减少激光测量头的体积,但同样采用分离元件耦合激光与光纤,造成激光光束稳定性差。文中提出一种简单的基于半导体激光光纤组件的准直方法,同时通过角锥棱镜将光电接收器固定在激光发射头上,实现了测量靶镜上无电缆连接,使得测量装置具有体积小、测量方便、测量稳定性高等优点,可在工业测量中得到普遍使用。

　　2　测量原理

　　图1为基于半导体激光光纤组件的激光准直仪的测量原理示意图,测量基准为半导体激光光纤组件发出的激光光束。采用一体化的半导体激光光纤组件作为激光发生器,可提高其发射的激光光束的时间和空间稳定性,使用角锥棱镜可实现移动测量头的无电缆连接,给现场测量带来极大的方便。

　　图2所示为入射光线在角锥棱镜中的坐标变换情形。设激光垂直入射角锥棱镜,经过三个反射面反射后,从角锥棱镜射出。根据角锥棱镜的特性,在不考虑棱镜角度误差的条件下,以棱镜顶点为坐标原点,物向量与像向量存在如下关系式:

　　当角锥棱镜在X和Y方向分别存在移动Δx和Δy,在保持入射光线不变的情况下,以移动后的角锥棱镜顶点为新坐标系的原点,则新坐标系与旧坐标系之间的关系为:

　　由式(1)可得当角锥棱镜在X和Y方向分别存在移动Δx和Δy,出射光线在新坐标系中的位置为:

　　然后再按式(1)及(2)将出射光线坐标变换到原坐标系,得到:

　　说明出射光线的移动量与角锥棱镜的移动量之间存在2倍的线性关系。据此特性将角锥棱镜作为位置敏感元件,可进行直线度测量或其他形位误差的测量,其测量灵敏度提高了一倍。

　　3　激光准直仪设计

　　图3所示为激光准直仪的信号处理硬件原理框图。运算放大器A1—A4将四象限光电接收器得到的光电流信号转换为电压信号,A5—A7完成对其进行加减法运算。采用程序存储器较大的W78E58型单片机,点阵式LCD显示器,显示测量结果,并与键盘配合采用下拉菜单方式进行各项操作。断电后能保存数据的串行EEPROM存储器保存活动测头在各测点时的位移值,供显示测量结果用,并可以通过串行接口传送到PC机,以便长期保存和进一步分析与计算。实际上,经过图3所示的信号处理,最后分别得到激光光斑中心相对于四象限中心在X、Y两个方向的偏移量为: