双纵模激光作无导轨大尺寸精密测量

　　引　言

　　目前,在航空航天、电站设备及其它重型机械工业中,制造了许多大型零件,并且它们的精度在不断地提高。因此,迫切需要开发出一种先进的测量方法和设备,以满足日益增长的测量要求。现有的大型测量设备不仅价高笨重,而且测量范围也只有几米。有时,为测量大型工件,采用了经纬仪,但该方法不仅复杂,而且很难达到较高的精度。

　　文中介绍了一个用于大尺寸检测的新型测量系统。该系统采用了一支自研的双纵模热稳频He-Ne激光器(本室专利)作为光源,其出射的双纵模激光为两正交的线偏振光,且它们的频率不同。当所用的激光器谐振腔长度为230mm时,这两个纵模激光的拍频频率大约为650MHz,波长大约为468mm。众所周知,任何工件都有一标称尺寸,但制造者所关心的只有尺寸的精度或误差。本系统利用鉴相法,能够方便地以0.05mm的精度来确定相隔468mm的每一节点,并且可利用同一系统中的激光干涉部分来测量节点与被测物体测量点间的距离,其分辨率为0.01～1μm。因此,该激光测量系统与现有用两支激光器形成拍波的系统[4]相比,具有结构简单,稳频精度更高,光束同轴不需调整等优点。与用塞曼分裂的拍频系统[6]相比,结构也更简单,而且稳频无需借助晶振作参考标准。并且如果需要,该系统仍可作为普通激光干涉仪使用,更是它的独特之处。

　　1　原理及实验

　　1.1　双纵模稳频激光源

　　对于一定长度的激光谐振腔,可能出现几个纵模,模间隔为Δf=c光/2L(c光为光速;L为谐振腔长度)。由于模竞争,在不加控制的情况下只能一个模占主要地位,但不久又被相邻的模取代。但如果我们能精确地控制谐振腔长度,使腔长变化总是倾向有利于在模竞争中将处于劣势的那一个模,则使两个纵模同时并存是完全办得到的。我们采用最直接,也是最简单的控制方法,即控制放电电流来改变激光谐振腔长度,达到稳频目的,所使用的光源是普通的240mm长的He-Ne激光管,其原理如图1所示。相互垂直以布儒斯特角放置的玻片2将偏振方向正交的两个模式的激光分别反射一部分到光电管。两只光电管是极性反向联接的,如果有一个模减弱,则接收该模光信号的光电管输出电压将下降,差动放大器3得到一个不平衡输入电压,经放大后输出控制电压经受控调压电桥4控制激光器电压,使放电管的放电电流加强或减弱。就这样使两个相邻纵模同时并存。电子器件温度漂移能自动补偿,因为当输出电压的任何变化所引起的激光模式变化都将变成新的调整信号,使系统达到新的平衡。

　　由于人们最关心的是:用热稳频方法是否有足