激光准直仪组成简介

激光准直仪主要由激光发射器、扩束望远镜、光电接收靶及其他辅助装置组成，如图4-14所示。激光束由氦氖激光器产生，经扩束望远镜射出一定直径的可见平行光束，光束横截面上光能的分布近似于正态分布，每个截面上能量分布中心的连线构成一条理想直线，利用这一理想直线作为准直测量的基准线。

图4-14 激光准直仪的组成

1.激光器

目前，仍有不少激光准直仪采用单横模（TEM₀）输出的He-Ne激光器，其功率约1～2mW，波长632.8nm。对这种激光器的要求，主要是光束方向的漂移要尽可能小，因为激光束的漂移将直接导致准直误差。为了提高准直精度，在激光器装置上可采取以下一些减少光束漂移的措施。

1）热稳定装置。这种装置如图4-15所示。在激光器外壳1外面放一个波形管2，其作用是与激光器外表面保持良好的接触。波形管采用导热性较好的金属材料，如不锈钢或磷青铜。波形管的周围填充有低导热系数和高比热容量的绝缘材料3，如颗粒状的氧化镁。在氧化镁的外面是由导热较好的材料制成的套筒4，两端用绝热材料环将波形管与套筒之间的绝热材料封闭住。整个装置的作用是使激光器沿长度方向的温度梯度减少，而使装置工作温度维持较低的温度，从而减少变形。

图4-15 带热稳定装置的激光管

图4-16 带隔热装置的激光器

1—外筒 2—内筒 3—环形盖 4—气密空间

图4-17 带光束补偿装置的激光器

1，3—光通道 2—外壳 4—棱镜 5，8—反射境 6，7—窗

2）隔热装置。这种装置制成双层段钢外壳，如图4-16所示，包括外筒1和内筒2，都不钻通风孔，在壳体的两端固定有环形盖3。外筒1和内筒2之间有一个气密空间4，或留空或填上绝缘材料或充入惰性气体。

3）光束补偿装置。图4-17是光束补偿装置，它用的是外腔管。图中角锥棱镜4的作用是使反射到激光谐振腔平面反射镜5上的光束总是平行于窗6上的入射光束，它与棱镜4的变动无关。同样，在窗6上的输出光束总是平行于窗7的入射光束，也与棱镜4的变动无关。因此，当有一个扭力使棱镜4变动时，它所反射的激光束并不改变它原来的路程。而巨，腔反射镜8和5的位置靠得近，实际处于相同的环境条件，因此，两个面之间的相对运动很小。所以，当壳体变形时，输出光束相对原来的位置只有很小的横向位移和角偏移。

4）改进腔体结构。如图4-18所示，锥形腔代替圆柱形腔可提高输出功率，巨光束稳定性好。因为圆柱形腔内有用部分也主要是圆锥形的，而无用部分易使光束在管子内游荡，影响光束的稳定性。

5）增加毛细管的刚度。用氧化铝陶瓷制作毛细管或在玻璃毛细管上涂上一层陶瓷，可以增加毛细管的刚度，减少漂移约30%。

2.光学系统(www.xing528.com)

激光器出射的是高斯光束，有一定发散角。为了进一步改善光束的方向性，需加一个光学系统。在激光准直仪中，将望远镜倒置使用，可以缩小光束的发散角。例如，望远镜的角放大率为10倍，原来发散角为1mrad的激光束，经望远镜后其发散角缩小为0.1mrad，而光束孔径增大10倍。

在激光准直仪中常采用开普勒形式的倒置望远镜。如图4-19所示，在视场光阑位置上（也就是物镜的像方焦点和目镜的物方焦点的重合点上）加一个空间滤波器（小孔光阑S）以消除杂散光，改善准直光束的质量。光阑的直径在8μm～0.01mm左右。当加上空间滤波器后，输出光束的质量将有很大改善。激光斑中的干涉环和斑点基本消除，有利于提高仪器的对准精度。

图4-18 改进腔体结构的激光器

图4-19 开普勒倒置望远镜

这种形式的望远镜镜筒较长，为适应某些使用上的要求，需要尽量缩短镜筒。这时，可考虑改用内调焦形式的倒置望远镜。由于增加调焦镜，会在一定程度上增加反射杂散光和光能吸收。但它有镜筒短、体积小的优点。

半导体激光器的发散角较大，常用一准直物镜（如双胶合物镜：f=28mm，D=8mm）将其发散角压缩至3.57mrad。有的准直仪中还采用角锥棱镜组成的自准光路，如图4-20所示。

图4-20 带角锥棱镜的自准光路

3.光电探测器及运算电路

在准直仪中广泛应用四象限光电器件以探测光束的中心位置。最常用的是硅光电池，它是用四个扇形的硅光电池组成，也有的是一片整的硅光电池正交切开N层或P层，形式具有公共基底的四象限，如图4-21所示。

四象限探测器中每片硅光电池的转换效率应该一致，它们之间的相对位置亦准确。光电探测器一般排成对角线形式。1、3两片探测垂直方向，2、4探测水平方向。为了补偿对角方向上两片硅光电池的不对称性，可采用平衡电阻来调节，如图4-22所示。

图4-21 四象限硅光电池

图4-22 补偿硅光电池不对称性用的平衡电阻电路