激光测量技术-第六章 激光其他测量技术
激光测量技术
激光测量技术
作者：孙长库
出版年： 2001年
本书系统地介绍了激光测量的基本原理、方法及应用,主要内容包括:激光的基本原理与技术、激光干涉测量技术、激光衍射测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光三维视觉测量技术等。
第一章激光原理及技术
第一节辐射理论概要
第二节激光产生的原理及条件
第三节激光的基本物理性质
第四节高斯光束
第五节稳频技术
第六节激光调制技术
第七节半导体激光器
第二章激光干涉测量技术
第一节激光干涉测量长度和位移
第二节激光小角度干涉仪
第三节激光外差干涉测量技术
第四节激光全息干涉测量技术
第五节激光散斑干涉测量技术
第六节激光光纤干涉测量技术
第七节激光多波长干涉测长技术
第三章激光衍射测量技术
第一节激光衍射测量原理
第二节激光衍射测量方法
第三节激光衍射测量的应用
第四章激光准直及多自由度测量
第一节激光准直测量原理
第二节激光准直仪的组成
第三节大气扰动及激光束漂移
第四节激光准直测量的应用
第五节激光多自由度测量技术
第五章激光视觉三维测量技术
第一节激光三角法测量原理
第二节激光视觉测量的基本原理
第三节激光视觉三维测量技术的应用第六章激光的其他测量技术
第一节激光多普勒(Doppler)测速技术第二节激光扫描测径技术
第三节激光测距技术。
激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
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我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
4
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
3
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
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基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
激光测量技术总结
激光测量技术第一章 激光原理与技术1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和.4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。
不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。
气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为2）激光的高亮度。
3）单色性。
激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振动4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。
相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。
空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。
7、相邻两个纵模频率的间隔为谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。
例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多少?8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。
《激光检测技术》PPT课件
（四）自旋量子数ms 有两个值(+1/2，-1/2)，可用向上和向下的箭头(“↑”“↓”)来 表示电子的两种所谓自旋状态。
结论：描述一个电子的运动状态，要用四个量子数（ n， l，m ， ms ），同一 原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。 能量最低原理 ：整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都 是填在能量最低的空轨道上的。
1.光的自发发射
§1—2 激光的产生
激发态寿命：
从t 到
t=0 时
t+dt ：
N 20
t
时刻
N2
E2 N2
自发发射的粒子数： E2上粒子的减少数：
dN21 A21 N2 dt
dN2 dN21
dt
dN2 dN21
E1
dN2 A21 N2dt
N2 N20e A21t
能级 E2 的平均寿命 在0
gmax (v)
1 g max (v) 2
I ( )d I
g ( )
为归一化线型函数。
1 0 2
中心频率
5
g ( )d 1
(一)激光的单色性 频率宽度或原子谱线的宽度：
§1-1 激光的基本特性
g (v )
2 1
由
波长宽度
gmax (v)
激光光电检测技术
•激光基本原理 •激光器件 •激光干涉测量 •激光干涉在测量中的应用 •激光衍射测量及应用 •激光在其他方面的应用 •固体摄像器件及其应用
参考书：激光光电检测 激光检测技术
国防科技大学出版社 校编教材
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激光光电检测
激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
《激光技术》课程笔记
《激光技术》课程笔记第一章：引言和知识准备1.1 激光是什么样的光？激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），即通过受激辐射的方式放大光的一种特殊形式的光。
它的特性包括：- 单色性：激光的波长非常纯净，几乎只有一个颜色，波长范围极窄，远小于普通光源。
- 方向性：激光的光束非常集中，可以在很长的距离内保持较小的发散角，这使得激光可以精确地指向目标。
- 相干性：激光的波前是平行的，光波的相位关系在空间和时间上保持一致，这使得激光可以产生干涉现象。
- 高亮度：由于激光具有高度的方向性，能量可以在一个很小的区域内集中，因此亮度很高。
1.2 激光器是怎么发明的？激光器的发明是20世纪物理学的重要成就之一，其发展历程如下：- 1917年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为激光器的理论基础奠定了基础。
- 1954年，查尔斯·哈德·汤斯和他的学生詹姆斯·皮尔斯研制出了第一台微波激射器（maser），这是激光器的先驱。
- 1958年，尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫独立提出了激光器的概念，并预测了其可能的应用。
- 1960年，西奥多·梅曼利用红宝石晶体作为增益介质，成功研制出了第一台激光器，这是人类历史上的第一个激光器。
1.3 谈谈光的本质和“光学”光的本质是电磁波的一种，它同时具有波动性和粒子性两种性质：- 波动性：光可以表现出干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 粒子性：光也可以被视为由大量光子组成的粒子流，每个光子具有特定的能量和动量。
光学是研究光的性质、行为和应用的物理学分支，主要包括以下领域：- 几何光学：研究光在介质中的直线传播、反射、折射等宏观现象。
- 波动光学：研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 量子光学：研究光的量子行为，包括光的发射、吸收、非线性效应等。
1.4 光学波段的内涵？光学波段指的是电磁谱中与光相关的部分，主要包括以下几个区域：- 紫外光波段：波长在10纳米到400纳米之间，具有较高的能量，可以引起化学反应。
工程测量监理中的激光测量技术和应用
工程测量监理中的激光测量技术和应用激光测量技术在工程测量监理中的应用概述工程测量监理中，激光测量技术被广泛应用于各种测量任务中。
激光测量技术以其高精度、高效率、非接触等优势，在工程领域得到了广泛认可和应用。
本文将介绍激光测量技术在工程测量监理中的应用，并探讨其优势和局限性。
一、激光测距仪在测量监理中的应用激光测距仪是一种常用的激光测量设备，能够快速、准确地测量距离。
在工程测量监理中，激光测距仪常被应用于以下方面：1. 施工质量监控在工程施工过程中，需要对各种结构尺寸、形状进行精确测量，以保证施工质量。
激光测距仪可以用于测量墙壁、地板、天花板等结构物的尺寸，确保施工符合设计要求。
2. 建筑物变形监测建筑物的变形是一个重要的监测指标，可以反映建筑物的结构稳定性和安全性。
激光测距仪可以通过测量建筑物的变形量，及时掌握建筑物的变形情况，并采取相应措施防止事故发生。
3. 土地勘测土地勘测是工程施工前不可或缺的环节，其中对地形地貌的测量尤为重要。
激光测距仪可以高效地测量土地的高程、坡度等参数，提供准确的地形数据，为工程施工提供可靠的数据支持。
二、激光扫描仪在测量监理中的应用激光扫描仪是一种能够快速、高精度地获取三维模型的设备，广泛应用于建筑、工程测量监理领域。
1. 建筑物立面测量在工程测量监理中，为了保证建筑物的外观质量，需要对建筑立面进行测量，以确保各个部位的尺寸与设计一致。
激光扫描仪可以快速获取建筑立面的三维模型，并通过软件分析与设计进行对比，发现问题并及时纠正。
2. 建筑物内部结构测量建筑物的内部结构对于工程监理至关重要，激光扫描仪可以通过扫描建筑物的内部空间，获取准确的三维模型。
这些模型可以用于评估结构的稳定性、检查管道和电气设备的布置，以及进行工程安全评估。
3. 建筑物病害检测建筑物的病害检测通常需要对建筑物的各个部位进行精确的测量和分析。
激光扫描仪可以快速捕捉建筑物表面的细微变化，如裂缝、渗漏等，提供精确的测量数据，帮助工程师评估建筑物的结构完整性和安全性。
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学 滤波器，可用于精确选择特定波 长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射 特性，实现特定波长的纵模选择 。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场 的分布，从而控制特定纵模的增 益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平 台、减少外部振动对激光器的 影响，以及降低环境温度波动 等，可以提高激光器的模式稳 定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适 应光学系统或电子控制系统， 可以实时监测并调整激光器的 输出光束模式，以保持其稳定 性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输 出光谱展宽、功率不稳定、光束 质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调 整腔长、反射镜反射率等参数实现纵 模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非 线性效应，主动控制特定纵模的增益 或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模
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n f f TN N n
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2006年3月6日星期一
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三、激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒测速仪(LDV)特点: • 具有非接触测量 • 不干扰测量对象 • 测量装置可远离被测物体 应用: 生物医学 流体力学 空气动力学 燃烧学等领域
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三、激光多普勒测速技术的应用
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2.大直径的测量
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二、音叉扫描测径
对于线径在0. 5mm以下的物体，由于线径小，扫描 区间窄，扫描镜不需要大幅度的转动，因此可以采 用音叉或电流计等作为镜偏转驱动装置。
音叉扫描测径方法适合于测量线径60一200 um的金 属丝或光导纤维，(当丝无横向运动时可达500 um 左右)测量精度为1%。
1) 血液流动/定位
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三、激光多普勒测速技术的应用
2) 管道内流体的测量
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四、多普勒全场测速技术
•LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全场测量， 则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定 量流 •多普勒全场测速技术(Doppler Global Velometer DGV)，可 对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求， 特别适合于气流测量。
1） DGV原理 利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转 换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获 得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测 量。
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1） DGV原理
一般工作在f1-f2段，中 心频率fi处于激光器的 中心频率附近， f1-f2 的带宽约为600MHz。 由于不同频率对应不同 的透过率，这样把频率 变化转化为光强的大小
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二、激光多普勒测速仪的组成
激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter LDV) 组成: 激光器、光学系统、信号处理系统
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二、激光多普勒测速仪的组成
(一)激光器
多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用 频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气 体激光器. 如He-Ne激光器 : 功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较 大的情况 氩离子激光器: 功率较大，信号较强，用得最广。 (二)光学系统 LDV按光学系统的结构不同，可分为: 双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。 参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求苛刻，一 般不采用。常用双散射型
一、转镜扫描测径 二、音又拧描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术
第三节 激光测距技术
一、激光相位测距 二、脉冲激光测距
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第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
1842年Doppler发现: 任何形式的波传播，由于波源、接收器、传 播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即 所谓的多普勒频移。 1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的 散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术 来确定粒子流动速度。 激光多普勒频移技术应用: 流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及 工业生产中的速度测量。
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二、音叉扫描测径
1. 原理图
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二、音叉扫描测径
设扫描光点的运动方程为:
s=A 0 sin t (6 22)
光点在扫描方向横切细线两侧的时间为t1和t2,坐 标为S1和S2，则 d S S
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1） DGV原理
3D速度测量: 需要三套测量装置,不同放置来建立方程获得
2. 测量装置
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2. 测量装置
测量过程: 1) t=CCD1/CCD2 求出每一点的透射率 设3分光镜的透射率为t1, 光强为I, 则CCD1路的光强为： I/（1+ t1 ） CCD2路的光强为： I*t1/（1+ t1 ） 6滤光片的透射率为tf I 5鉴频器的透射率为T(f) Vccd 1 a T (f ) 1 t1 CCD的转化效率为a I * t1 V 则CCD1和2的输出电压分别为 a tf ccd 2 1 t1
第六章 激光的其他测量技术
党学明 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院
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第六章 激光的其他测量技术
本章主要内容: 第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 二、激光多普勒测速技术的应用 四、多普勒全场测速技术
第二节 激光扫描测径技术
分子碘、溴蒸气或碱蒸气是最合适的吸收物质，它们的原子和分 子有很多吸收线能匹配现有的激光频率，氢粒子激光的514.5 nm 谱线在碘吸收线的近旁，YAG激光倍频后的532.0nm谱线与碘及 嗅相配。
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1） DGV原理
• 将分子蒸气灌注在一个密封容器中，并保持恒温， 如把缓冲气体加进分子蒸气室中，可增加吸收区 以扩宽频率范围。由于从不同方向人射于分子蒸 气的光线互不干扰，故可对整个视场各点同时进 行测量。此分子室成为一个分析器，或称做鉴频 器，它是本技术的一个关键部件。 • 光线经过鉴频器后,转化为光强分布术的一个关 键部件。用一台视频相机(如CCD摄像机)对被光 屏照明的物面进行拍摄，记录由该物面散射并透 过鉴频器后的光线。视频信号采集后送人计算机 进行分析处理，得到实时的全场定量速度值。
Vccd 1 T (f ) Vccd 2 t 1 * tf
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测量过程:
2) 由t查表查出每一点的频率f 已知t=F(f) 3) 求出每一点的频移 Δf=f-f0 4) 求出每一点的速度: Δf=V﹒ (U-K)/λ
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DGV注意事项
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b 波传输通道中的物体运动产生
这种情况是LDV的基本测速原理 c V K 从p点看: fp
从U处看: 因为:
fD
c V U
fp
c p
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b 波传输通道中的物体运动产生
如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为θ ，则式(6-7) 可以写为 或
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一、转镜扫描测径
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一、转镜扫描测径
设晶体的振荡频率为V，，电机转速为n，多面体的面数为N， 透镜焦距为f’，通光孔径为D，被测件扫描的平均次数为m， 则电机转动的角速度 ω=2π n 反射光束转动的角速 2 ω 线速度: V扫=f’*2 ω=4 π n f’ 一个计数脉冲对应的间距为: δ=V扫*1/V =4 π n f’/ V d直径对应的脉冲数: A=d/ δ= d V /4 π n f’ 所以: d=4 π n f’ A/ V 从公式上看: V越大,分辨率越高, f’越小分辨率越高
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(三)信号处理系统
多普勒信号处理方 法主要有:
频谱分析法、 频率跟踪法、 频率计数法、 滤波器组分析法、 光子计数相关法 扫描干涉法等。
1）频率跟踪法
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(三)信号处理系统
1）频率计数法
原理: 计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计 算出频移, n为设定的脉冲数目, N为时钟数目, T为时钟周期
从6-8式知 ,测出频移即可以计算出移动速度来 由于光频率极高, 一般采用在实际测量中，多采用光外差 多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时送到光接收器 上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中 只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动 速度所引起的光频微小变化。
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(三)信号处理系统
激光多普勒信号非常复杂： ① 由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变化，是一 个变频信号。 ② 因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移 的幅值也按一定的规律变化。 ③粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的，故波 形有断续且随机变化。 ④光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界 环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。 信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那 些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。
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二、激光多普勒测速仪的组成
A 单光束型
特点: 测量速度高, 适合超音速测量 ,调整麻烦, 测量结 果与角度有关
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二、激光多普勒测速仪的组成
B 、参考光束型
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二、激光多普勒测速仪的组成
C、双散射型 特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用时不受现 场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用大口径的接收透镜， 粒子散射的光能量极大地得到利用，信噪比高。进人光电探测器 的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的 散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。 调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用 很方便。