真空激光准直系统

真空激光准直系统（精选三篇）

真空激光准直系统 篇1

参窝大坝真空激光准直系统于2002年8月开始施工, 2003年8月开始试运行, 2004年8月正式投入运行。系统布置在坝轴线下游侧0, +4.94m处, 中心高程为103.27m。激光的发射端和接收端分别设在大坝的南北两侧的激光洞内, 系统总长度549.76m, 共布置测点28个 (4#～31#) 。

到目前为止参窝大坝真空激光准直系统已运行5年多, 该系统观测精度高, 观测速度快, 观测精度优于0.1mm, 所有测点巡测一次只须23分钟 (包括抽真空时间) , 系统的漏气量为每天7Pa, 目前该系统运行稳定, 取得了大量的观测数据, 在参窝大坝安全维护与管理中发挥着重大的作用。

2 系统组成

系统由发射端、接受端、真空管道、测点箱、抽真空系统、人工观测装置、现场采集控制器、上位管理系统等组成。系统采用全封闭设计, 使激光器、摄像机及其他光学系统和电气系统等完全封闭, 提高对环境的长期适应能力, 避免潮湿、高低温、尘埃、霉菌和虫鼠害以及其他人为因素的影响;

3 系统的日常维护和故障处理

3.1 日常巡视检查

每周至少对系统进行巡检一次, 并制定巡视检查规程, 检查内容主要包括:整个系统的运行情况、真空泵油位、真空泵传动带、储水箱水位、校对电阻真空计 (以麦氏表为准) 、排水泵情况、除湿机情况接收端和发射端激光洞内的温度 (冬季应在5℃以上) 等外观状态的检查, 了解各种设备是否完好, 有无老化损坏情况, 有无漏水漏油情况。每次巡视检查的结果, 都应作详细记录。

3.2 设备管理维护

3.2.1 真空泵冷却循环水

主要包括储水箱、回水箱、潜水泵、水位浮子开关等, 2个月补一次水, 6个月换水。储水箱保持清洁, 水质清澈, 水位不得低于30cm, 维护时应排除箱内所有陈水, 充分擦拭后注入新水;回水箱应保持清洁, 盖好上盖防止进入杂物, 维护时需擦拭内面, 清除杂物。内部设备特别是水位浮子的位止长度不可改变;潜水泵应保持进水口清洁工作时完全进入水中, 维护时擦拭表面;水位浮子应保持表面清洁, 维护时擦拭表面, 但不可以改变现有的箱内长度、中间沙锤的位置。应特别注意, 维护时应断电保护, 以免发生意外。

3.2.2 真空泵油的注入

6个月应更换一次。将废油全部放净注入少量新油, 用手转动皮带轮几转, 使新油将泵内部清洗干净, 再放出, 最后灌入新油, 灌入新油位置应在红色警戒线附近。

3.2.3 发射端、接收端电暖器及除湿机

每3个月应维护一次。电暖器应按季节使用, 温度设定不可设为连续加热, 不用时应断下电源并妥善保管, 维护时应擦拭表面污垢;除湿机应全天24小时供电, 上盖需处于打开位置, 湿度设定在“5或6”档处, 不可工作在“连续除湿”状态。维护时擦拭表面污垢。

3.2.4 发射端、接收端观测室

半个月维护一次。应保持室内清洁, 温度在+5℃～-40℃之间, 湿度在85%以下;冬季应特别注意室内的保温, 应为大门加装保温门帘。

3.3 常见故障及处理方法

3.3.1 抽真空设备故障及处理

(1) 真空泵不能正常工作, 主要是以下原因:储水箱水过少, 应及时加水;水泵损坏, 不能泵水及时更换 (最好能有一个相同型号的备用泵) ;循环水箱内浮子不能正常浮起与落下, 调整浮子;对应真空泵的断路器、接触器、热继电器故障, 请电工维修;真空泵损坏, 更换真空泵。

(2) 电磁阀不能打开, 电磁阀有周期声响, 主要原因:电磁阀保险丝熔断, 按相同型号更换;电磁阀损坏, 更换电磁阀。

(3) 抽气中真空泵突然停止, 主要原因是真空泵电机过载, 热继电器或断路器动作, 查找原因复位热继电器或合上断路器。

(4) 抽气时间过长 (与正常情况比较) , 长时间没换真空泵油或油中有水, 应更换真空泵油;系统漏气, 查找漏气点维修。

3.3.2 测点故障及处理

(1) 控制波带板起落发光二极管故障, 一个控制抬起一个控制落下, 利用测点控制盒的现场调试按钮检查波带板是否正常起落, 然后在激光洞里的主控程序控制起落是否正常, 盖板回装后开始进行抽正空操作, 检查抽气时间是否正常, 再利用程序进行波带板起落的操作看更换后的结果是否良好, 否则需要重新处理。

(2) 控制波带板起落的控制盒故障, 先使管道内恢复到大气状态, 打开盖板, 按安装说明更换控制盒。利用现场调试按钮检查波带板是否正常起落, 更换完后盖上测点箱盖板。

(3) 电机故障, 更换损坏电机, 注意接线方式, 特别是不要损坏波带板, 用现场调试按钮检查波带板是否正常起落。更换完后盖上测点箱盖板。

3.3.3 发射端和接收端排水故障及处理

发射端和接收端激光洞都在山体内, 所以激光洞渗漏水是不可避免的, 为保障激光洞内的设备不被水淹没, 可采用集水井汇集渗漏水, 用潜水泵自动抽排控制的方式, 水泵的电源须设防雷装置, 为确保排水系统的可靠性, 除了工作水泵外还应有备用水泵, 工作水泵和备用水泵的电源应分开, 做到工作水泵和电源损坏时, 备用泵能够正常使用。

4 精度测试与数据分析

4.1 系统观测精度测试

真空激光准直系统安装完毕后, 对系统测值精度进行了测试。观测误差包括波带板复位误差、自动观测设备的漂移、人工观测设备的系动差、人工观测读数误差、系统真空度不稳定、激光器发光不稳定等因素。一次观测读数中误差测试的目的是确定各种因素对一次观测的综合影响。

测试共随机选取了6个测点, 每测点连续观测8～9次, 同时记录自动及人工读数, 并计算中误差。

综合测试结果, 根据读数计算所选测点的一次观测读数中误差自动观测均≤0.02mm, 人工观测均≤0.10mm。满足规范中“两个‘半测回’测得偏离值之差不得大于0.3mm”的要求。

4.2 数据分析

系统在2003年8月安装完成后开始投入试运行, 2004年8月正式投入运行, 取得大量测量数据, 对数据分析如下:

4.2.1 变形分布曲线分析

不同坝段具有明显不同的变形分布特点, 位于坝肩的4#点和30#、31#点的变形要小于临近测点的变形量, 5#～18#测点为闸墩测点, 其变形分布明显有别于挡水坝段的19#～29#测点。闸墩测点的变形量较大且呈锯齿分布, 其锯齿的高点对应闸墩中的细墩, 锯齿的低点对应闸墩中的粗墩。可见由于粗墩和细墩的刚度不同, 直接导致变形幅度不同。19#～29#测点所在坝段为挡水坝段, 为实心混凝土墙, 其变形分布曲线为一条连续的曲线。其中22#、23#和24#测点位于挡水坝段的电厂坝段, 其下面有发电用的导流通道, 用于导入发电用水。该坝段底层导流通道的结构等导致了电场坝段不同于其他由实心混凝土墙构成的挡水坝段, 其变形幅度明显大于邻近的挡水坝段。

4.2.2 测值过程线分析

窝大坝变形观测采用人工观测和自动化观测相结合的方式, 根据两种观测方式所采集的数据绘制成过程线进行对比分析, 以5#坝段为例, 取激光系统2003年9月～2006年11月观测数据与人工视准线和精密水准测量数据进行分析 (系统在04年3月～4月出现故障, 无测值) , 表中jg代表激光系统测值, sz代表视准线测值, cx代表垂直位移。由过程线可以看出, 人工测值与激光测值都有明显的以年为周期的变形特性, 这种周期性水平位移和垂直位移测量结果是一致的, 这也表明了激光测值的稳定性和可靠性。由于激光测值连续性好, 精度更高, 所以它的过程曲线光滑, 很少突变。在每一个变形周期内激光测值的最大水平位移发生在2月份, 最大值在8mm左右;最小值发生在8月份, 最小值在0.1mm左右;垂直位移最小值发生在8月份最大值约为8mm;最大值发生在2月份, 最小值约为-0.1mm。这是由于大坝受外界温度影和水位的影响, 夏季坝体上台, 向上游位移;冬季坝体下沉, 向下游位移。这一结果与历年的人工数据分析吻合, 但激光系统运行稳定、测值精度高、测值连续性好便于数据分析, , 而人工测值误差较大, 过程曲线有突跳现象, 不利于数据分析。从过程线还可以看出, 大坝在经过运行一年之后, 基本上又回到上一年的运行状态, 这说明大坝结构稳定, 运行良好, 同时也说明激光测值精度之高。

试运行期间, 为考核系统的稳定性, 曾每天测量24次, 每小时一次, 结果发现, 除以年为周期的特性外, 大坝还表现出了明显的以24小时为周期的变形特性。如图5为9#测点2003年8月26日～2003年9月9日的变形过程曲线。在这段时间内, 9号测点的垂直位移变化并不明显, 但水平位移变化具有明显锯齿形周期, 每个锯齿的两个低点为相邻两天的17点附近, 而锯齿的高点为后一天的12点左右, 变化周期为24小时, 24小时内最大变幅为0.26mm。28个测点中, 除靠近坝肩的两个测点外, 都有类似的情况, 区别只是幅度不同, 最大变幅为0.5mm。分析:这种明显的以24小时为周期的变化, 主要应该是由日照引起的混凝土热膨胀造成的。, 夏季每天17点左右, 太阳开始从西方落下地平线, 大坝下游表面的温度下降, 而大坝上游表面由于库区蓄水的作用, 温度下降较慢, 在上游蓄水和大坝两侧温差的共同作用下, 整个大坝向下游倾斜, 第二天太阳升起后, 从大坝的上游一侧照射大坝表面, 大坝继续向下游倾斜, 中午12点以后, 太阳开始照射大坝的下游一侧的表面, 大坝则开始向上游移动, 这种移动将持续到太阳落下地平线, 即17点左右, 从而形成这种锯齿形的变化周期。另外, 如果有影响日照的阴或多云天气, 将会影响这种周期性变化, 具体可参见图5中锯齿周期变化不明显部分, 对应着多云的天气。

由数据分析可知, 系统测量结果与历年大坝人工观测结果相符, 而系统测值连续性好, 过程线光滑表征大坝变形以年为周期的特性比人工测值更明显, 同时更直接更准确地描述了大坝多年的变化趋势。说明了系统测量的可靠性和有效性。利用系统的高度自动化和高分辨率, 发现了大坝以24小时为周期的变化特性。可以考虑利用这种周期性变化的异常来监测大坝的运行状况。这种24小时的周期性变化有可能成为大坝新的安全判据, 为大坝安全监测提供了新的可能途径。

5 结语

窝大坝真空激光准直系统投入运行后, 在精心的维护下, 系统运行稳定, 效果良好, 取得了大量测量数据, 测量结果与人工观测的结果相符, 通过对数据的分析确认测量数据能够真实地反映大坝的变形, 表明系统观测数据可靠, 观测精度很高, 使窝大坝的自动化管理得到进一步提高, 同时也为大坝的各项监测项目的自动化改造奠定了基础。可以预见, 自动化真空激光大坝变形测量系统的应用和普及, 必将有助于我国大坝安全监测水平的提高, 降低大坝的运行风险, 使之产生更大的效益。

摘要：尽管真空激光准直系统采用全封闭设计, 受外界环境影响较小, 但在系统运行过程中仍然会出现一些问题, 需要平时加强对系统的检查和维护, 发现问题及时处理, 确保系统正常运行, 本文根据葠窝大坝真空激光准直系统运行以来情况, 总结了系统日常维护经验和常见故障处理方法。通过对近几年人工观测数据和系统采集数据的分析, 说明了葠窝大坝真空激光准直系统监测数据的可靠性和准确性, 希望对真空激光准直系统的发展和推广有一定的参考价值。

关键词：大坝监测,真空激光准直系统,系统维护,资料分析

参考文献

真空激光准直系统 篇2

随着我国农业生产机械化水平的不断提高,农田耕种与收获等各环节的自动化水平和作业质量都有了明显的提升,给农业生产带来可观的效益。但在操作细节中体现出一些问题,如播种过程中拖拉机手操纵机具完成播种作业时,行走轨迹不能保证笔直,行距也很难保证均匀。工作行直线度差将会造成后续机械化自动化管理与采收工作难以有效进行,行距的不均匀也会造成土地利用率降低;玉米收获机与花生收获机等采收机械要对行操作,否则会降低净收率;在温室大棚种植中,平行且笔直的作物行有利于水分与肥料的充分利用以及果蔬的田间管理与采收。但目前对行的操作也是靠人工目测保证,结果良莠不齐。《农业机械田间作业系列标准》规定:播行要直,在50m播行内大中型拖拉机播种的直线误差不大于8cm,小型机具不大于15cm;行距一致,在一个播幅内行距偏差不超过1 cm,播幅间的交接行偏差,密植作物不大于2cm,中耕作物不大于8cm。可见,保证种植行直线以及行距一致性在农业生产中是非常重要的。目前,农机作业的行距控制与作物行的准直控制主要采用以下两种方法:

1 系统整体设计及原理

设计思路:由1台激光导引的激光发射车作为核心部件,在操作者的遥控下,激光发射车沿激光导向信号按照控制逻辑自动行进相应行距,并逐行为农机具提供相互平行的激光导向参照平面,导引农业机械直线行走。

系统由激光发射系统、行距控制系统、无线遥控系统、激光接收系统和误差显示系统5大部分组成,工作原理如图1所示。

1.激光发射器Ⅰ 2.激光接收器Ⅰ 3.激光发射车4.激光发射器Ⅱ 5.农机具 6.作业行 7.激光接收器Ⅱ

在农田或大棚中安置激光发射器Ⅰ,此设备采用莱赛LS502激光扫平仪,激光波长为635nm,精度为±2mm/10m。工作时垂直放置,输出激光垂直面,为激光发射车提供导向信号。激光发射车上的激光接收系统Ⅰ接收激光导向信号,在控制器的控制下,激光发射车沿激光导向信号直线行走,每次行进距离为行距控制系统设定距离,即农机具在下一趟作业时激光发射器Ⅱ发射导向信号的位置,以此来保证作物田间布局和行距要求。激光发射车上车载激光发射器Ⅱ采用莱赛LS511II自动安平激光扫平仪,其激光波长为635±10nm,精度为±2mm/10m,工作范围>500m ,同样垂直放置,输出激光垂直面,作为农机具的直线参照信号。安装在农机具上的激光接收器Ⅱ,自动追踪激光束,通过农机具上的控制器将机具的行进方向反映给操作员,在操作员的调整下实现农机沿直线行走,以达到农机在耕作或播种等作业中的直线度要求。另外,激光发射车的启动和激光发射车换行信号由操作人员遥控提供。

2 激光发射车设计

2.1 功能及结构

激光发射车是本系统的关键点,它是被控设备,由固定激光发生器发射激光束作为导向信号完成自动前行;也是激光发射设备,随车激光发射器为田间农机提供直线行走导向信号,并保证种植行距。为了达到这一目的,激光发射车必须能发射出具有一定间距的平行直线导向信号。由于小车在行进一定距离后停止时车体位置不能确定,因此车载激光发射器必须能够调节位置,使其与固定激光发射器Ⅰ的激光信号重合。此功能由主控制器以及发射车上的特定调整机构来完成。

激光发射车是履带式双电机控制小车,左侧电机为步进电机,右侧为直流电机,小车上安装有车载激光发射器及其调整机构、接收器和主控系统。

2.2 主控制系统

主控系统硬件由欧姆龙CP1H-X40DT-D、维纶MT506触摸屏、无线接收模块、激光接收电路模块和车载发射器控制模块等组成,控制系统如图2所示。主控制系统主要完成以下功能:

1)激光发射车在激光导向下直线行走功能;

2)车载激光发射器调整发射位置功能;

3)通过触摸屏进行定位参数输入,由主控制器进行计算,控制激光发射车完成行距自动调节功能;

4)无线遥控信号的接收功能。

2.2.1 激光导向直线行走控制

实现激光发射车沿激光导向信号直线行走,是本研究的关键技术。激光发射车上步进电机初始状态设置定速,由行距设置系统设置步进电机步距,当行进距离到达时自动停止。右侧为直流电机通过速度调节,实现小车的左右转向、制动和直线前进。激光发射车通过安装在车上的激光接收器跟踪激光信号,为了保证系统的稳定性和可靠性,提高运行精度,在程序中加入了增量式PID算法[3]。正常运行下,激光接收器将被跟踪激光导向信号的位置与中心值做对比,定位误差进行比例积分微分运算,用运算结果生成控制命令,调节右侧电机转速。当跟踪的信号在接收器正中时,右侧直流电机保持与左侧步进电机同速,激光发射车沿激光导向信号直行;当接收器接收激光信号偏左时,说明小车偏右,控制器调整输出给直流电机的PWM占空比,以控制右电机加速;当接收器接收激光信号偏右时,说明小车偏左,控制器控制电机减速,小车右转,直到激光信号回到接收器中间位置。

PID控制算法是控制系统中技术比较成熟、应用最广泛的一种[4],能够满足本研究的功能要求。在系统中,比例控制能迅速反应误差,加快系统响应速度,但不能消除稳态误差,且容易产生超调,导致系统振荡;积分控制只要系统存在误差,积分控制作用就不断地积累,输出控制量,以消除误差,但积分作用太强,会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡;微分控制能预见偏差变化的趋势,在偏差还没有形成之前消除,但对噪声干扰有放大作用。

激光导航行走控制程序采用PLC的结构化文本语言编写,设计软件流程图如图3所示。

3 对行算法设计

3.1 定位原理和计算方法

无论是大田种植还是大棚种植,我国的种植行距配置模式主要采用宽窄行和等行距两种情况。宽窄行种植的目的是为了更有效地提高土地利用率,提高采光率,便于中耕培土及灌溉。

在本研究中,激光发射车自动调整行距算法设计,充分考虑了种植不同的农作物、使用不同种类和不同大小型号农机等多方面的影响。通过理论计算和实地验证,将决定因素不断精简,发现应用于对行的激光发射车定位信号只与接收器的安装位置、作业机具的幅宽和幅宽间距3个因素有关。这些信息可以通过触摸屏来输入,计算结果控制激光发射车对行移动距离。

以农哈哈2BY-4玉米播种机为例,介绍换行算法。此播种机作业行为4行,工作幅宽为1 650 mm,行距范围为 540 mm。将激光接收器安装在播种机机具最左侧,与第1个播种器的距离为150mm。农机播种的第1行为校正行,由人为设定。假设第1播幅已播种完成,下一趟将是第1个偶数播幅,那么激光发射车将要自动移动到下一个导航位置。当播种第3个播幅时,激光发射车根据单数播幅移动距离,自动移动到导航位置。通过推导图1,可以得出:

1)偶数播幅激光发射车移动距离为

undefined

2)单数播幅激光发射车移动距离为

Lodd=b-2c (2)

式中 a—农机机具的幅宽;

b—农机具作业两个播幅间距离;

c—接收器的安装位置到第一个播种器的距离。

假设行距采用等行距模式,根据以上公式计算,农哈哈2BY-4玉米播种机播种作业第1个播幅播种完后,激光发射车将行进4 140mm,为播种机提供直线导向信号。当进行第3个播幅时,行进240mm,以此交替。操作人员可以在拖拉机上通过遥控器上的奇偶按键,控制发射车换行。

3.2 软件设计

以上算法设计适用于普通多行农机具作业或本身具有宽窄行功能的农机具,满足等行距和宽窄行作业模式。在软件设计中,考虑到单体微型农机具进行宽窄行作业情况,可以单独设置窄行行距和宽行行距。另外,考虑到可能会出现特殊情况,如在老式温室大棚作业中可能会遇到支柱等障碍,软件还支持手动特殊行距设置。软件界面如图4所示。

4 激光信号接收机构及显示误差

在农机具的左侧或右侧安装接收器,接收激光发射车发射的激光导航信号,经由单片机处理后,通过安装在驾驶室内5盏显示指示灯显示农机具的行驶方向:中间灯亮表示正在直线行驶;左侧灯亮或右侧灯亮,即农机具工作偏离激光信号左或右。驾驶员可以根据指示灯轻微调整方向,使机具直线行驶,保证行间直线度。另外,在今后的研究中,可以考虑通过本系统来控制拖拉机的转向机构,完成自主行走。

5 结语

本研究利用激光导航技术以及无线遥控技术研究了一套农业耕作、播种等过程中的直线度和行距精确控制系统,在保证耕作直线度和行距的情况下减轻了驾驶员的劳动强度,成本低廉,实用能力强,精度高,每100m直线度误差可控制在±8mm,平行度误差可控制在±1cm,满足农艺要求。

参考文献

[1]柳平增,毕树生,付冬菊,等.室外农业机器人导航研究综述[J].农业网络信息,2010(3):5-10.

[2]蒋浩然,陈军,王虎,等.移动机器人自动导航技术研究进展[J].西北农林科技大学学报,2011,39(12):207-213.

[3]余嘉傲.果林机器人行走驱动闭环控制分析[J].现代电子技术,2011,34(11):133-134.

真空激光准直系统 篇3

半导体激光器具有体积小、发光效率高、结构简单、可高速直接调制、调制频率高、可靠性能好、使用寿命长等特点,它被认为是最具有发展前途的几件激光器之一,它的应用日益增长,并有希望替代许多气体激光器的应用,然而与其它激光器相比较,半导体檄光器发出激光发散角度很大,并且是不对称的(在垂直的两个方向上发出光束的发散角不同)。因此,在用它来代替其它激光器应用时,通常需要准直或再聚焦系统来进行校正。对激光光束进行准直的方法有很多:单透镜法;透镜组合法以及棱镜组合法等。但是准直效果最佳的应属透镜组合法,因此,本论文将采取透镜组合法对532nm半导体激光器的输出光束进行准直。

本文将在简要介绍半导体激光器的工作原理的基础上,然后根据实际需求背景利用532nm半导体激光器设计出一个准直系统并且进行外场实验进行验证。

1 原理概述

1.1 半导体激光器基本原理

半导体激光器(Semiconductor Laser)是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称,具体而言,半导体激光器是在直接带隙半导体PN结中,用注入载流子的方法实现由伯纳彼一杜拉福格条件所控制的粒子数反转;由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大,最后产生相干激光输出的装置

半导体激光器从最早的提出设想,到1958年Shcwaolw一Townes建立激光器的基本理论,直至1962年最早的半导体激光器GaAs激光器中观察到低温脉冲激射并于1970年完成室温连续激射,人们为半导体激光器的诞生和发展进行各种不懈的努力,现在,作为典型光电子器件,半导体激光器已广泛应用于许多领域。半导体激光器的基本理论仍然是半导体材料的受激辐射理论。现概述如下:

孤立原子或分子中的电子能量以分立值的形式构成能级。能量差为E的两个能级,h为普朗克常量,如果角频率为ω的入射光满足下式:

则上能级电子按与光强成正比的概率向下能级跃迁、发射出光子,此光子与入射光状态相同,即频率相同、传播方向相同。半导体中的电子能级不是分立的而是形成能带。如图所示,当导带中有大量的电子、价带中有大量的空穴时,如果入射光的能量E稍大于带隙能量Ek且满足式(1),则发生电子跃迁和光子辐射,这就是受激辐射(stimulated emission)。

另外,没有入射光时的光子辐射称为自发辐射(spontaneous emission)。相反,下能级占有电子、上能级未占有电子时,入射光引起电子向上跃迁而发生光吸收。依照量子理论,这个受激辐射与吸收的概率是相同的。如果考虑含有大量电子的系统,在热平衡状态下电子按能量分布是遵从费米一狄拉克分布,高能级占有的电子数比低能级的电子数少,因此总的效果是光被吸收。当给系统供给能量以实现分布反转则产生净的光辐射而获得光放大,此即激光作用的基本原理。

半导体中的反转分布是由价带的电子激发到导带形成大量的电子一空穴对而实现的,也可以由光照射或电子束照射来实现。为实现有实用价值的激光器,

通常使用的方法是在半导体中形成PN结,并让正向电流在PN结上流过,这样就会在结附近的耗尽层内注入能量很高的少数载流子。在P型区,少数载流子电子是由N型区注入的,同时,多数载流子空穴也会增加,形成激励状态。通过电流注入并激励的半导体激光器称为注入型激光器(Injection Laser),一般也称为激光二极管(Laser Diode,LD)。利用统计学原理,正向偏压必须满足的反转分布的条件是:

半导体激光器有几种最基本的结构形式:如双异质结、条形激光器、量子阱激光器、分布反馈激光器等,事实上,它的结构形式可以是多种多样的,但在实际应用中,通常是这些基本结构形式的优化组合。

1.2 532nm半导体激光器工作原理

所有半导体激光器都是由激光管聚焦产生的,绿光与红光不同的是绿光没有直接发绿光的激光管,只能通过晶体转换,然后扩束准直产生聚焦良好的绿光。先从晶体解开始:晶体(Nd:YVO4+KTP)Nd:YVO4晶体是目前用于制作激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器工作物质中最为有效的激光晶体之一,其优良的性能中,包括稳定的化学和物理加工性、较低激光阈值、较大的受激发射截面、高斜率效率以及宽带的泵浦光吸收效率,从而使得Nd:YVO4晶体得到越来越广泛的应用。近来,该晶体通过和KTP晶体组合所制作的高功率、高稳定性的红外和绿光激光器已得到工业化生产和广泛的市场应用。

KTP(磷酸氧钛钾)晶体:KTP晶体是目前众多非线性晶体中综合性能最好的晶体之一,其较大的非线性系数,较高的抗光损光损伤阈值及稳定化学特性极高的倍频转化效率(>70%)和相对较低廉的价格使其在该类晶体的应用领域中独占鳌头,经久不衰,特别是在1064nm的激光倍频器件的应用中,KTP是最好的晶体材料。LD(808nm)+Nd:YVO4得到1064nm+KTP得到532nm绿激光.

绿光模组由激光晶体和非线性晶体结合在一起,在激光谐振腔中,利用808nm波长的LD(发光二极管)泵浦光经过激光晶体的增益作用生成1064nm的激光,再经过非线性晶体的倍频作用就可以产生532nm的绿色激光。绿光模组类似于电子元件中的集成电路,具有模块化、集成化的特点。光学倍频目前已广泛使用于激光频率转换,由基波向二次谐波的能量转换效率可达30%～50%。利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应,使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光,称为倍频技术,或二次谐波振荡。如将1.06μm的激光通过倍频晶体,变成0.532μm的绿光。倍频技术扩大激光的波段,可获得更短波长的激光。

1.3 激光扩束原理及功能

通常以光束的发散参数作为完美的高斯激光束的特征。发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。衍射是指光线在被不透明的物体,比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。展开产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。这些次级波和主波会发生干涉,同时相互也会产生干涉,在某些时候就会形成复杂的衍射图案。

衍射使得完美的校准光束成为可能,或者能够将光束聚焦到无限小的点。幸运的是衍射的效果是能够被计算的。因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。

1.3.1伽利略扩束镜最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜,通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造,因为它简单、体积小、价格也低。一般的尽可能的被设计为小的球面相差,低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。

1.3.2开普勒扩束镜事实上在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候,人们一般使用开普勒设计的望远镜。开普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片,把实焦距聚焦的光束发送到输出元件上。另外,可以通过在第一个透镜的焦点上放置小孔来实现空间滤波。

激光扩束镜主要有两个用途:其一是扩展激光束的直径;其二是减小激光束的发散角。因此,它被用于远距离照明或投影,以及聚焦系统。一束被扩束的光束的发散角,和扩束比成反比例变化。和未经扩束的光束相比,扩束后的光束可被聚焦得更小。激光扩束准直镜的倍率即光束直径的放大倍率,从激光器输出的激光束的束宽积近似为一定值,当束腰半径扩大X倍时,其发散角相应压缩为原来的1/x,压缩发散角实际就是激光的准直,光斑尺寸和发散角乘积是光学不变量,发散角减小,压缩发散角并不能改善光束质量,光束质量是束腰半径和发散角的乘积,压缩发散角的同时将伴随束腰半径的增加,则光斑尺寸增大。

扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角,对于激光加工来说,只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直(平行)光束,才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑;在激光测距中,必须通过扩束镜最大限度地改善激光的准直度才能得到理想的远距离测量效果;通过扩束镜能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备;扩束镜配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布,并使光能量分布更加均匀。

最通用的扩束镜起源于伽利略望远镜,通常包括一个输入负透镜和一个输出正透镜。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜,两个透镜是虚共焦结构。一般小于20倍的扩束镜都用该原理制造,因为它简单、体积小、价格也低。尽可能的该扩束镜设计成小的球面相差、低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。

输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上(虚焦点)(见图2),新的束腰和发散角为

式中,ω(1)为入射激光束在入射镜上光束半径,I是入射激光束腰与入射镜的距离,f1是输入镜的焦距。因为落在输出镜的后焦平面上,并且输出镜的焦距f2大于输入镜的焦距,高斯光束将被扩束镜准直。准直倍率如下:

式中,T1=f2/f1,θ和ω0是入射光束的发散角和束腰。经过扩束镜后,束腰和发散角θ"为

将(3)式代入(7)式得到

从(6)～(9)式可以看出,扩束倍数和准直倍率不仅与扩束镜的参数有关,还与激光束参数和扩束镜透镜的位置有关。扩束镜的功能是降低激光束的发散角,进而使激光器聚焦光斑更小。

2 实验

2.1 实验仪器

本次实验是利用532nm半导体激光器(见表1,2;图3)衔接一个扩束镜来进行室外的远距离,高精度准直。

2.2 实验方案

本次实验是在室外进行不同距离的光斑准直,对准直前与准之后的光斑尺寸进行分析和比较。距离分别选取100m,200m,300,和400m(见图4)。

a.室外实验示意图;b.室外实验场景图

3 实验结果

图5为光斑在不同距离的接收屏上在准直前与准直后的对比图。实验数据(见表3,4)。

4 结论

理论和实践证明,利用激光扩束镜对激光光束进行准直,效果非常好,确实可以压缩半导体激光器光束水平方向以及垂直方向的发散角并且可以提高光斑场的强度分布,激光扩束镜的倍数也的确与压缩发散角的倍数成反比。由于激光光束是在大气中进行传输,会受到大气中颗粒、微小粒子对它产生线性效应以及非线性效应,对准直效果产生一定影响。接下来可以利用有关软件对所拍摄的光斑进行光场强度的研究和分析

摘要：半导体激光器在军事、工业、医学等许多方面有着重要的应用前景,但由于半导体激光器输出光束具有较大的发散角,因而在几乎所有要求较高的应用领域中,其输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。扩束镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域获得较多的应用。

关键词：半导体激光器,准直,激光扩束镜

参考文献

[1] 马华.半导体激光光束准直技术研究[D],西安电子科技大学硕士学位论文,光学专业,2006,1

[2] 陈文建,陶纯堪.半导体激光的准直系统设计[J],光电子激光,1992,3,6:361～364