Устройство для формирования лазерного луча

Авторы патента:

G02B27/09 - формирование луча, например изменением площади поперечного сечения, не отнесенное к другим рубрикам

G01C3 - Приборы для измерения расстояний по линии визирования; оптические дальномеры (измерение расстояний с помощью рулеток, мерных цепей и дисков G01B; дальномеры, комбинированные с фотоаппаратами, G03B)

Владельцы патента RU 2401986:

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (RU)

Устройство может быть использовано в отраслях, применяющих методы геодезии с повышенной и/или высокой метрологической точностью. Устройство содержит источник лазерного луча, пропускающий элемент в виде трубы, установленной на пути движения луча, заполненной воздухом при атмосферном давлении, и блок регистрации. На обоих концах трубы установлены оптически прозрачные заглушки, обеспечивающие снижение неопределенности пространственной координаты оси луча на выходе из трубы. Труба с заглушками проявляет себя как объемный резонатор с повышенной добротностью и под воздействием внешнего широкополосного («белого») шума в трубе индуцируется стоячая звуковая волна с собственной частотой и обертонами, под воздействием чего происходит выравнивание оптических коэффициентов преломления воздуха внутри трубы. Технический результат - получение максимальной пространственной локализации лазерного луча, чтобы можно было его использовать как протяженную координатную ось. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при проведении высокоточной сборки исследовательского оборудования, например, при прецизионной юстировке большого числа модулей линейного коллайдера ТэВ-ного диапазона, а также в других областях: в метрологии, связи, геодезии, строительстве.

Известно устройство (аналог) по заявке №2003120803, опубликованное 27.01.2005 в бюллетене «Изобретения, полезные модели», для формирования луча. Устройство содержит источник света и пропускающий элемент, снабженный определенной структурой для формирования луча.

Недостаток устройства - ограниченная область применения.

Известно устройство, опубликованное 22.02.1994, патент 2082090 (аналог), с помощью которого определяются расстояния порядка десятков - сотен метров при производстве строительных и изыскательских работ. Устройство содержит блок формирования лазерного луча и блок приема луча, установленные в одной плоскости с возможностью перемещения их оптических осей.

Недостаток также состоит в ограниченной области применения.

Известны работы /1-4/, в которых рассматриваются возможности применения луча лазера в метрологических целях. Конкретно:

В работе /1/ при проведении метрологических работ сравнены классический теодолитный и лазерный методы геодезических измерений и установлено, что метод, использующий лазерный луч, с достаточной достоверностью совпадает с точностью, достижимой теодолитом.

Недостаток: начальная стадия исследований; перспектива развития и применения лазерной методики требуют дальнейших экспериментов.

Работа /2/ содержит описание результатов применения комплекса метрологических методов (лазерного, фотограмметрического, теодолитного и пр.) в процессе «предсборки» ядерного калориметра установки АТЛАС на поверхности, перед монтажом в шахте на пучках Большого Адронного Коллайдера.

Достигнуты проектные высокие точности сборки, но вклад в этот итог собственно лазерного метода не выделен.

В работе /3/ обобщен и проанализирован опыт нескольких лет применения в геодезических работах систем контроля с применением лазерного луча в качестве реперной линии; основанный на достаточной статистике опыт свидетельствует о широких возможностях использования луча лазера как координатной оси. Отмечается перспективность метода в задачах создания крупномасштабного оборудования, где требуется прецизионность сборки.

Недостаток - узко-конкретные исследования, ограниченные измерением только т.н. «неплоскостности» модулей, основных структурных единиц калориметра.

В работе /4/ нашло дальнейшее развитие идеи использования луча лазера как координатной оси и для создания «реперных точек» для геодезической увязки результатов измерений путем сведения их в единую координатную систему.

Перечислены преимущества «лазерного подхода» для применения его в широком круге научных задач и проблем гражданского характера; отмечена возможность оперативного он-лайн наблюдения и контроля как на стадии сборки, так и при долгосрочном (стационарном) использовании интересующих объектов. Дано краткое описание ряда применяемых (не лазерных) методик. Работа полезна как обзор: она не содержит конкретных новых экспериментальных результатов.

В работе /5/, принятой за прототип, для снижения координатной неопределенности <σ> в пространственной локализации луча лазера из-за турбулентности в воздушной среде, где распространяется луч, последний помещался внутри теплоизолирующей трубы с открытыми концами, в результате чего было достигнуто значительное (~10^х) уменьшение величины <σ>.

Исследование выполнено как этап НИОКР, нацеленных на создание протяженной координатной (реперной) линии в виде луча лазера для прецизионных метрологических работ при создании весьма протяженных объектов (типа международного линейного коллайдера электронов/позитронов «ILC» длиной - 40 км).

Недостаток работы: исследование в начальной стадии; не оптимизированы физические параметры материала трубы и ее размеры.

Однако при распространении луча лазера в воздушной среде неопределенность в пространственной локализации лазерного луча σ(L) возрастает с пройденной длиной.

Задача настоящего изобретения состоит в получении максимальной пространственной локализации лазерного луча, чтобы можно было его использовать как протяженную координатную ось.

Предложенное устройство, позволяющее решить эту задачу, включает источник лазерного луча, трубу, через которую этот луч пропускается, и блок регистрации, при этом труба заполнена воздухом при атмосферном давлении и, что принципиально, на обоих концах трубы установлены оптически прозрачные заглушки.

На чертеже показана схема устройства, где: 1 - источник лазерного луча; 2 - труба с прозрачными окнами; 3 - блок приема информации (или блок регистрации).

Работает устройство следующим образом.

Луч из источника (1) ЛАЗЕР по прохождении расстояния L в воздухе или трубе (2), закрытой прозрачными окнами и содержащей воздух при атмосферном давлении, поступает в блок (3). В него входят координатно-чувствительный фотодетектор (ФД) для определения местоположения луча на входе в (3) и амплитудно-цифровой преобразователь сигнала с ФД, соединенный с персональным компьютером.

ФД расположен на микрометрическом винте со шкалой регулировки, что позволяет калибровать ФД путем его смещения на известное расстояние поперек луча и тем самым установить взаимно-однозначное соотношение «электрический сигнал ФД» - «смещение винта».

В таблице 1 показаны результаты измерения σ(L) на длине распространения лазерного луча 10 м и внутреннем диаметре трубы 40 мм.

№ Таблица 1
№ Экспериментальные условия	σ(L), микрон
1. Лазерный луч в воздухе в отсутствие трубы	7.5±0.4
2. Лазерный луч на выходе из трубы; оба конца открыты	2.3±0.1
3. Лазерный луч на выходе из трубы; один конец закрыт заглушкой	1.6±0.1
4. Лазерный луч на выходе из трубы; оба конца закрыты заглушкой	0.20±0.01

Данные таблицы подтверждают уменьшение погрешности в пространственной локализации луча на выходе из трубки.

Возможная физическая природа обнаруженного эффекта: труба с заглушками проявляет себя как объемный резонатор с повышенной (в отличие от случая «без заглушек») добротностью; под воздействием внешнего широкополосного («белого») шума в трубе индуцируется стоячая звуковая волна (непосредственно слышимая ухом) с собственной частотой и обертонами, под воздействием чего происходит выравнивание оптических коэффициентов преломления воздуха внутри трубы и снижается неопределенность σ в пространственной координате оси луча на выходе из трубы.

Источники информации

1. V.Batusov et al. Comparison of ATLAS tilecal module No.8 high precision metrology measurement results obtained by laser (JINR) and photogrammetric (CERN) methods. Part.Nucl.Lett. 113:36-50, 2002.

2. V.Yu.Batusov et al. Development and application of high-precision metrology for the ATLAS tile-calorimeter construction. (Pre-assembly experience and lessons). JINR-E13-2004-177, 26 pp. Hardcopy at DESY.

3. V.Batusov, Yu.Budagov, Vladimir B.Flyagin, Zh.Khubua, Yu.Lomakin, M.Lyablin, N.Rusakovich, D.Shabalin, N.Topilin. High precision laser control of the ATLAS tile-calorimeter module mass production at JINR. (Dubna, JINR), 2001. Published in Part.Nucl.Lett. 105: 33-40, 2001.

4. V.Batusov et al. On laser beam fiducial line application for metrological purposes. JINR-El 3-200798, 15 pp.

5. V.Batusov et al. A study of an air media influence on the rectilinearity of laser ray proliferation towards the using for lard distances and high-precision metrology. Phys.Part.Nucl.Lett. 4:155-156, 2007.

Устройство для формирования лазерного луча, включающее источник лазерного луча, пропускающий элемент в виде трубы, установленной на пути движения луча, заполненной воздухом при атмосферном давлении, и блок регистрации, отличающееся тем, что на обоих концах трубы установлены оптически прозрачные заглушки, обеспечивающие снижение неопределенности пространственной координаты оси луча на выходе из трубы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, коллимирующим излучение лазерного пучка с одновременной анаморфотной коррекцией формы поперечного сечения и углового распределения интенсивности лазерного пучка, а также суммирующим излучение двух или более полупроводниковых (далее - п/п) лазеров на одной оптической оси, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и др.

Устройство гомогенизации света, а также способ изготовления устройства // 2362193

Дифракционное профилирование распределения интенсивности частично пространственно когерентного светового пучка // 2343516

Изобретение относится к способу управления распределением интенсивности поля волны или волн частично когерентного или некогерентного оптического излучения на конечном расстоянии от его источника или в дальней зоне и устройству, реализующему заявленный способ.

Устройство для преобразования электромагнитного излучения в когерентную форму // 2312384

Устройство для преобразования электромагнитного поля в когерентную форму // 2308065

Изобретение относится к технической физике. .

Линза для формирования излучения светодиода // 2303800

Изобретение относится к области оптических систем, а именно систем для формирования излучения светодиодов, в частности в системах подсветки цветных жидкокристаллических дисплеев.

Формирователь пучка // 2301435

Коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров // 2279702

Изобретение относится к коллимирующим оптическим системам с преломляющими элементами и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах.

Лазерное устройство освещения для высвечивания полосового или линейного участка // 2277256

Твердотельный лазер (варианты) // 2243072

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для формирования пучка Nd: YAG лазеров с расходимостью 10-20 мрад. .

Широкодиапазонный компаратор для поверки и калибровки координатных средств измерений // 2401985

Изобретение относится к области геодезии и, в частности, к устройствам для метрологической поверки и калибровки координатных средств измерений, например, электронных тахеометров, лазерных трекеров и сканеров.

Видеопроцессор для обработки видеосигнала в видеоизмерительных системах // 2395929

Изобретение относится к области инженерной геодезии и связано с созданием видеоизмерительных систем, предназначенных для решения широкого круга задач, в частности: - определения взаимных высотных положений контролируемых объектов путем измерения уровня жидкости в сосудах гидростатического нивелира [1-3];- определения смещений контролируемых объектов от заданного створа [4];- передачи заданного направления с одного горизонта на другой [5-9];- определения плановых координат объектов [10];- контроля наклонов оснований сооружений [11];- определения углового положения объекта относительно заданного направления [12]; - определения смещений почвы от струны обратного отвеса [13];- автоматизированного инструментального геотехнического мониторинга зданий и сооружений [14];- автоматизации геодезических наблюдений за деформациями строительных конструкций [15];- автоматизированного контроля деформаций высотных зданий [16].

Лазерный измеритель дальности и перемещений // 2393427

Способ светолокационного определения дальности // 2390724

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной импульсной локационной дальнометрии. .

Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта // 2385471

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости движущегося объекта и расстояния до него. .

Система и способ для контроля железнодорожного пути // 2385446

Изобретение относится к системе и способу контроля железнодорожного пути, в частности к системе и способу контроля параметров железнодорожного пути с использованием лазера, камеры и процессора.

Устройство для обнаружения и измерения азимутальных координат светоизлучающих объектов // 2384820

Изобретение относится к области измерений азимутальных координат, в частности к автоматическим угломерным оптико-электронным устройствам, предназначенным для обнаружения импульсных светоизлучающих объектов (целей) и измерения их азимутальных координат.

Способ центрирования измерительного прибора и устройство для его осуществления (варианты) // 2383862

Изобретение относится к области геодезического приборостроения, а именно к приборам, которые используются при измерении расстояний по линии визирования для центрирования отражателей, визирных марок и целей.

Лазерный бинокль-дальномер // 2381445

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. .

Устройство оптической антенны для оптических интегральных схем (варианты) и оптическая (фотонная) интегральная схема (варианты) // 2379629

Изобретение относится к области нанотехнологии. .

Способ измерения расстояния и устройство для его осуществления (варианты) // 2408842

Изобретение относится к лазерной дальнометрии и может быть использовано для измерения расстояний до различных объектов на транспорте, в строительстве, машиностроении и других областях