УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
LASER BEAM FORMATION DEVICE

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.
х
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) 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.