第八章 激光准直技术.ppt

第八章激光准直技术图8-12、伽里略型准直系统：（图8-2）3、组合型准直系统：（图8-3）二、菲涅尔波带片法
（一）菲涅尔波带片的成像原理：（如图8-4）从S发出的球面波（点光源）碰到光栏边缘Mj时，将产生衍射，考查P点。其Mj到P点的光程为：（j为正整数），将光栏划分成很多同心圆（即波带），显然，所有奇数序列（即j=1，3，5……）波带发出的次波在P点位相相同。同样，偶数序列（即j=2，4，6……）波带发出的次波在P点位相也相同，但以上两种情形在同一点P点发生时，其位相刚好相反。因此，使用一般圆孔光栏时，在P点光强无变化。如果设计一个特殊的光栏：某一环带可使奇数序衍射光波畅通无阻，而使偶数序衍射光波位全被拦掉，或者相反。则P点（观察点）的振幅是同位相的所有次波的迭加，即
A=a1+a3+a5+……+a(2j-1)，或A=a2+a4+a6+……+a(2j)此时，P点的光强比使用圆孔光栏时的光强增大数百倍，即此时波带板等效于一个透镜，将波面上的等位相波带光能汇集在一起。
这种将奇数波带或偶数波带遮去的特殊光栏叫菲涅尔波带片。
下面，来证明波带片的透镜效应：
如图8-4所示：
设：（1）R——入射波面半径
（2）ρj——波带片上任一级波带的半径
（3）h——任一半径ρj所对应的波面矢高
（4）j——从中心O开始，波带的级次
（5）ro——波阵面顶点到P点的距离则矢高h和R、ρj有如下关系：

由近似公式：
显然

在ΔPMjCO中，
展开后得

因为λ和都是微小量，则其平方项可以忽略。
则上式为

即

则上式为若已知菲涅尔波带板的焦距ƒ´，可根据设计菲涅尔波带板的图形。
例：设菲涅尔波带板的焦距ƒ´=250mm，λ=0.6328×10-3mm

对奇数的波带：

结论：环形波带片可使激光（球面波，或平面波）聚焦在一点，环带越多，成像点越亮，且光点越小。图8-5三、相位板准直系统（图8-6）说明：
1、四象限位相板中,相临两象限膜层的光程差为1/2波长。
2、则在位相板后任何截面均出现暗十字线，其暗线为准直线
3、若在光轴上置一方孔，当其中心和光轴同轴时，在暗十字线四周期将有四个对称亮点。
4、若方孔中心偏离，则四个亮点将呈不对称状态。
四、双光束法（图8-7）
入射激光束由一空间棱镜分为上下两束光线。因此，当入射光线发生平移时，上、下两出射光线也同时对称平移，但两出射光线的对称线未变化。也可采用透镜聚焦以提高瞄准精度。为避免干涉视象，可采用偏振设计。图8-7五、零阶贝塞尔——高斯光束（Bessel-Gaussian光束）
（一）原理
由前所述，横截面为高斯分布的激光束，其半径随Z增大而变大，能否存在一种光束，在光传输距离Z变化时，光束半径基本保持不变？
由波动方程理论，在无限三维空间X、Y、Z中，赫姆霍兹方程存在一个近似的特殊解，即：如果光波为高斯光束则：

当上二式中时：

从Bessel-Gaussian光束的表达式可以看出，
其振幅只与X、Y有关，而与Z无关，即在某一范围内，在横截面内的光强分布呈高斯分布，但不随Z变化而变化，因此，具有光束无发散角的性质。（二）产生Bessel-Gaussian光束的方法
1、环形窄缝光栏法：（图8-8）其发散角近似不变的最大距离为
又因为
所以
其产生零阶Bessel-Gaussian光束的条件为：
Δd<<2λF（F为透镜的F数：）
例：设d=φ2.5mm，fˊ=305mm，D=φ7mm

此时产生零级Bessel-Gaussian光束的条件为：
可取Δd=5~10μ=0.005~0.01（mm）
其光强分布如图8-9所示：（二）轴锥镜（axicon）：如图8-10，平行激光束通过轴锥镜，当θ<<lrad时，其截面可看成光楔：
则其偏向角近似为：
则其最大焦深为：
其中R为轴锥镜半径，n——轴锥镜的折射率
中心光效的直径近似为：
例，设θ=0.01rad，R=5mm，n=1.5，λ=0.6328×10-3mm
则如图8-11所示：渥拉斯登棱镜：能产生两束相互分开的，偏振方向相互垂直的线偏光。
该棱镜由两块直角方解石棱镜胶合而成，两块棱镜光轴互相垂直，又平行各自表面。
如图8-12，当二面角反射镜位移为ΔY时，将导致干涉仪的光程变化为4ΔL。

又因为4ΔL=λ·C（C为条纹数）
一、光学准直仪和自准直仪（图8-13）二、激光准直仪和自准直仪（图8-14）
1、原理：2、四象限PSD工作原理（平恒电桥法）
如图8-15所示，要求：四象限硅光电池光电特性完全一致，一般不易保证，其差值多达20%，可采用以下平衡电阻法来解决。（图8-16）三、大气折射率对激光准直精度的影响
激光穿过大气时，随着大气折射率的改变，光束前进的方向将不再保持直线传播方向，而产生弯曲和抖动。
1、光束弯曲：半