提高激光准直精度的途径

    1 引 言

    准直技术是大型几何参数与形位误差，如直线度、同轴度、平行度、垂直度等几何测量的基础。在激光准直技术中，激光漂移是产生误差，限制激光准直精度的主要原因。按产生激光漂移的因素来分，存在三种不同的漂移：一种是由于激光器本身原因造成的激光光线漂移，分为平行漂移和角度漂移，简称“光漂”：由于激光器放电管内及其表面存在着不稳定的温度梯度分布，使谐振腔发生变形，造成激光光线漂移，以及由于固定激光发射器的调整机构存在机械位移；第二种是由于空气折射率不均匀造成的激光光线弯曲；第三种是由于空气扰动造成的激光光线随机漂移：在工作大气中的气流扰动造成光束随机抖动，从而使光束稳定性下降。

    提高激光准直的精度主要从以上三个方面入手。目前，出现了很多实用的方法和技术来减少激光器本身造成的光线漂移和机械连接部分造成的漂移，但是由空气折射率不均及空气的随机扰动造成的激光光线漂移一直未能很好的解决。

    2 光漂的抑制

    抑制光漂可以从两方面入手。一是从激光器本身着手，如合理设计谐振腔，或使激光管通风散热，减少激光管内的温度梯度；二是采用适当的准直方法，减少光漂的影响，具体做法可分两大类：

    2.1 基于光场分布监测法，即检测光束的几何位置

    2.1.1 双光束准直法

    其基本思想是：采用特别设计的光学系统，将激光器发出的光束分成两束光，且当激光束发生光漂时，这两束光朝相反的方向变化，其能量中心即两路光的对称中心线不变，用具有双光电座标的检测靶检测出这条中心线的相对位置，以此作为基准线，从而起到抑制光漂的作用。这种方法只能抑制光漂，不能解决大气扰动问题。

    2.1.2 光纤准直法

    激光束经显微镜聚焦，将光点耦合进入单模光纤，光纤出射端位于准直物镜的焦点上，使出射光为准直光束，即采用一根光纤建立新的光发射基准。理论计算表明，光束经单模光纤后，其模式重新分布，激光束的平漂、角漂只会影响耦合效率，不会影响出射光强分布。从理论上讲，此方法可以完全消除光漂，而且，如果能保证单模传输，通过光纤后的光束质量也有提高。由于光纤的柔性及隔离作用，不用将激光器安装到被测件上去，这使得系统在被测件上的安装调试较为简便，并且，此方法成本相当低[1]。由于机械装置的漂移，长时间后光束会偏离光纤，需重新耦合，故现在通常都直接采用带尾纤的激光器。但不能解决光线弯曲和大气扰动的问题。