光学多普勒效应及其在激光中的应用
激光多普勒测速技术原理及其应用
激光多普勒测速技术原理及其应用作者：陈益萍来源：《电子世界》2013年第07期【摘要】激光多普勒测速仪（简称LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。
本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。
在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。
所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。
二十世纪六十年代，激光器得以发明。
激光的出现大力地促进了各个学科的发展。
由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。
伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。
激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应3.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
多普勒效应及其应用
多普勒效应及其应用1. 简介多普勒效应（Doppler Effect）是指当观察者和发射源相对运动时，观察者接收到的波的频率会发生变化的现象。
这个现象最早由奥地利物理学家克里斯琴·多普勒（Christian Doppler）在1842年提出。
多普勒效应不仅在物理学中有着广泛的应用，还涉及到声学、光学、无线电波等多个领域。
2. 多普勒效应的原理2.1 基本原理多普勒效应分为两种：一种是波源相对于观察者运动，另一种是观察者相对于波源运动。
根据这两种情况，多普勒效应又可以分为两种类型：正多普勒效应和负多普勒效应。
当波源相对于观察者远离时，观察者接收到的波的频率会变低，这种现象称为负多普勒效应；当波源相对于观察者靠近时，观察者接收到的波的频率会变高，这种现象称为正多普勒效应。
2.2 数学表达多普勒效应的数学表达式为：[ f’ = f ]•( f’ ) 是观察者接收到的波的频率；•( f ) 是波源发出的原始频率；•( v ) 是波在介质中的传播速度；•( v_0 ) 是观察者和波源之间的相对速度；•( v_s ) 是波源相对于介质的运动速度。
当观察者和波源相向而行时，取加号；当观察者和波源远离时，取减号。
3. 多普勒效应的应用3.1 声学在声学中，多普勒效应广泛应用于测量物体的速度和距离。
例如，多普勒雷达就是利用多普勒效应测量物体速度的一种装置。
它通过发射一定频率的雷达波，然后接收反射回来的雷达波，根据接收到的频率变化来计算物体的速度。
此外，多普勒效应在医学领域也有重要应用。
例如，多普勒超声波就是利用多普勒效应来检测血流速度的一种技术。
通过检测血流速度，可以判断出是否存在血栓、血管狭窄等疾病。
3.2 光学在光学中，多普勒效应的应用主要有激光雷达和光纤通信等方面。
激光雷达利用多普勒效应来测量目标物体的速度和距离，广泛应用于自动驾驶、无人机等领域。
光纤通信中，多普勒效应会导致光信号的相位变化，从而影响信号的传输质量。
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术是一种用于测量目标速度的高精度光学测量方法。
它基于多普勒效应和激光干涉原理，常用于测速、运动检测和遥感等领域。
以下是关于激光相位多普勒技术的一些基本原理和应用：
基本原理：
多普勒效应：
多普勒效应是指当光源和观测者相对运动时，光的频率发生变化。
对于激光相位多普勒技术，激光被用来照射目标，目标反射的光发生多普勒频移，该频移与目标速度成正比。
相位测量：
利用激光干涉原理，测量目标反射光的相位差。
相位差与多普勒频移相关，通过测量这个相位差可以确定目标的速度。
激光干涉：
激光被分成两束，一束直接照射到目标，另一束经过光程延迟器后照射到目标。
两束光在目标处发生干涉，产生干涉图样。
目标的运动导致了相位差的变化，通过测量这个相位差可以计算目标的速度。
高精度测量：
激光相位多普勒技术具有高精度和高分辨率的优点，适用于需要非常精确速度测量的应用，如气象雷达、交通监控、激光雷达等领域。
应用领域：
气象雷达：
用于测量大气中的风速。
激光相位多普勒技术可以提供对风场的高分辨率测量，用于气象研究和天气预测。
交通监控：
用于测量车辆的速度，可应用于交通管理、高速公路监控等领域。
激光雷达：
在激光雷达中，激光相位多普勒技术可用于测量目标的速度，常用于军事、安防和导航系统中。
医学影像：
在医学成像中，激光相位多普勒技术可用于测量血流速度，常应用于超声血流仪等设备。
总体而言，激光相位多普勒技术在需要高精度速度测量的各种应用中发挥着重要作用，提供了一种非常灵敏和精准的测量手段。
光学光的多普勒效应与光谱学
光学光的多普勒效应与光谱学光学光的多普勒效应和光谱学是光学领域中重要的研究内容。
本文将对光学光的多普勒效应和光谱学进行探讨。
一、光学光的多普勒效应光的多普勒效应是当光源和观察者之间存在相对运动时，所观察到的光的频率和波长出现变化的现象。
它同样适用于光学领域，由于光是一种电磁波，其具有波粒二象性，所以光也会呈现多普勒效应。
多普勒效应分为红移和蓝移两种情况。
当光源和观察者相向运动时，观察者会观测到光的频率增加，这被称为红移。
而当光源和观察者远离运动时，观察者会观测到光的频率减小，这被称为蓝移。
多普勒效应的产生是由于相对运动引起的波长的压缩或拉伸。
光学光的多普勒效应在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在天文学领域中，通过观测星系的光谱红移或蓝移可以确定星体的运动方向和速度。
在激光雷达等应用中，利用多普勒效应可以测量目标物体的速度；在医学领域，通过多普勒效应可以检测人体血液流动速度，用于血流速度的监测等。
二、光谱学光谱学是研究光的分光现象和与物质相互作用的学科。
光谱学通过对光的分析，可以得到有关物质的信息，例如组成、结构、温度等。
物质可以通过光的分散现象将光分解成不同波长的成分。
这种分散现象可以通过光栅、棱镜等器件来实现。
当光通过光栅或棱镜时，不同波长的光会发生不同程度的偏折，从而形成光谱。
根据这种光谱可以得知物体所含有的元素种类以及其相对的丰度。
根据光的波长范围，光谱学可以被分为不同的领域，包括可见光谱、紫外-可见光谱、红外光谱等。
同时，光谱学可以利用光的发射、吸收和散射等现象进行研究。
光谱学在实际应用中有着广泛的用途。
例如，光谱分析可以用于物质的鉴定和检测，如食品安全检测、环境污染检测等。
此外，光谱学在天文学、化学、材料科学等领域中也有重要的应用，如研究星系的化学成分、分析材料的晶体结构等。
结语光学光的多普勒效应和光谱学是光学领域中重要的研究内容。
多普勒效应在实际应用中广泛应用于天文学、雷达技术、医学等领域。
光多普勒效应及应用
15 卷 4 期 (总 88 期)
二项 ,即得 :
νr = (1 - u/ c)νs
再把上式中光速 c 换成流体中光速ν= c/ n , 式中 u
换成纵向分量 ucosα1 和 - ucosα2 ,即可得到
ν1 = νs 1 -
ucosα1 ν
, ν2
= νs
1
+
ucosα2 ν
用光电探测器 D 接收 OD 方向的散射光 , 由于 OD
一 、光多普勒效应的物理原理
光波 ,这个波列发射的截止时刻为 t′2 ,于是在 K′系
当光源和接收器之间有相对运动的时候 ,接收 中此波列发射时间为 ( t′2 - t′1) ,在这段时间内发射
器受到的光波频率不等于光源的频率 ,这就是光学 的波长个数为 N ,即光源的频率为 :
的多普勒效应或电磁波的多普勒效应 。因为光是一
6. 023 ×1023≈3 ×10 - 29 (m3)
若把水分子视为立方体 ,故水分子间距
d=
3
V=
3 3 ×10 - 29≈3. 10 ×10 - 10 (m)
赵凯华先生在《定性与半定量物理学》一书中 ,
曾举了一个更加有趣的例子 ,即怎样用物理学的方
·14 ·
法来估算一个人一天需吃多少食物 ? 他在此书中作 了这样的估算 : 设人的体重为 60kg ,由于人体的大 部分物质是水 ,若人体比热值取作 1kcal/ kg K。设 室温是 300K ,人体体温 310K ,则人体死亡后其尸体 释放的热量为
νs = N/ ( t′2 - t′1)
种高速运动的物质 ,并且其传播不需要介质 ,因此光 多普勒效应与声多普勒效应有本质的区别 。下面按 相对论的观点对光多普勒效应进行分析 。
多普勒效应及应用实验报告
多普勒效应及应用实验报告探究多普勒效应的原理以及其在实际应用中的作用。
实验材料：1.激光器2.光电探测器3.宽孔径音源4.振动平台5.频率计6.光程差调节装置7.会谈装置实验原理：多普勒效应是由于发射源和接收源相对运动而导致的波长的变化。
当发射源和接收源相对静止时，所接收的波长为其发射的波长。
若两者相对移动，则会导致接收到的波长与发射的波长不同。
对于移动的声源，多普勒效应会导致接收到的声音的频率与实际频率不同。
实验步骤：1.搭建实验装置，将激光器和光电探测器固定在一台转台上，保持固定不动。
振动平台上固定一个宽孔径音源作为移动源，放在激光束的轨迹上。
2.调整光电探测器位置，使激光束射到探测器的中心位置，保证测量的准确性。
3.将频率计置于光电探测器旁边，用于测量接收到的声音的频率。
4.开始实验，开启音源，使其在振动平台上移动，同时记录下频率计上测得的频率数据。
5.重复实验3-4步骤多次，取平均值以提高实验的精确度。
实验结果及分析：根据实验中记录的数据，当音源与激光器相对运动时，所接收到的频率会发生变化。
实验中得到的数据表明，当音源向激光器靠近时，接收到的频率会增加；当音源远离激光器时，接收到的频率会减小。
这一现象可以通过多普勒效应来解释。
根据多普勒效应的原理，当光线被移动的音源所接收时，波长会发生改变，进而影响到所接收到的声音的频率。
当音源靠近激光器时，光波被挤压，导致接收到的声音的频率变高；当音源远离激光器时，光波被拉伸，导致接收到的声音的频率变低。
这种现象在实际中的应用非常广泛。
多普勒效应在天文学中有重要的应用。
例如，通过观测星系的多普勒频移，可以推断出它们与地球的相对速度，进而得出星系的运动方向和速度。
多普勒效应也在医学中应用广泛，例如超声波检测中，通过测量接收到的声波的频率变化，可以判断血液的流速以及心脏的功能情况。
此外，多普勒效应还被应用于雷达测速仪、交通速度测定仪等领域。
基于多普勒效应的原理，这些仪器可以测量运动物体的速度。
光学多普勒效应及其在激光中的应用
光学多普勒效应及其在激光中的应用刘韬北京工业大学 应用数理学院 000611班指导教师：俞宽新摘要 讨论了光学多普勒效应，分别按照光源静止、观察者运动和观察者静止、光源运动两种情况推导出频移公式。
将光学多普勒效应用于激光发光机理中，给出表观中心频率和共振速度的计算公式。
关键词 光学多普勒效应，频移公式，表观中心频率，共振速度一、光学多普勒效应1842年，德国一位名叫多普勒的数学家，一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。
他对这个物理现象很感兴趣，并进行了研究。
发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。
这就是频移现象。
因为是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。
辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。
在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift))。
在运动的波源后面，产生相反的效应。
波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift))。
波源的速度越高，所产生的效应越大。
根据光波红 / 蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。
除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。
所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。
下面来推导多普勒效应的公式：随后介绍课件中的多普勒效应是如何演示的。
设观察者运动速度为，c 为光速，那么单位时间内观察者运动距离为，观察者接收频率为B v B v 'ν，光源频率为0ν。
那么'ν指观察者在单位时间内接收到的光波的数目。
分两种情况进行讨论1、波源静止，观察者运动首先假定观察者向波源运动。
在这种情况下，观察者在单位时间内所接收到的完全波的数目比静止时要多。
这是因为，在单位时间内，原来位于观察者处的波阵面向右传播了c 的距离，同时观察者自己向左运动了的距离，这就相当于波通过观察者的总距离为+c,因而这时在单位时间内，观察者所接收的波的数目为B v B v '0/B B B c v c v c v c c0νλν+++=== (1) 即 'ν0B c v c+= （2） 当观察者远离波源运动时，同理，取负号。
光的衍射和多普勒效应
光的衍射和多普勒效应光的衍射和多普勒效应是光学中两个重要的现象和原理。
光的衍射是指光通过一个孔或绕过一个障碍物时发生偏离直线传播的现象，而多普勒效应则是光源或观察者相对运动时，光波频率的改变。
本文将对光的衍射和多普勒效应进行详细的介绍和探讨。
一、光的衍射1. 基本概念光的衍射是光波传播中的一种特殊现象，当光波通过一个尺寸接近光波波长的孔或绕过一个物体时，原本直线传播的光波会发生偏离直线传播的现象。
这种现象是由光的波动性质引起的。
2. 衍射的条件光的衍射需要满足一定的条件：①光波的波长与孔口尺寸或障碍物尺寸相接近；②光波传播的距离远大于波长；③衍射的物体需要具备一定的透光性。
3. 衍射的类型光的衍射根据衍射物体的形状可以分为多种类型，常见的有单缝衍射、双缝衍射、圆孔衍射等。
不同的衍射类型对光的传播和干涉产生不同的影响，从而形成不同的衍射图样。
4. 应用光的衍射在实际生活中有着广泛的应用，例如在显微镜和望远镜中的物镜和目镜的设计中，衍射的原理可以提高成像的清晰度和分辨率。
此外，在激光技术、光纤通信、光栅等领域，光的衍射也扮演着重要的角色。
二、多普勒效应1. 基本概念多普勒效应是指当光源和观察者之间存在相对运动时，光的频率和观察者所感知到的频率发生变化的现象。
多普勒效应不仅存在于声波和电磁波中，也适用于光波。
2. 多普勒效应的原理当光源和观察者相对运动时，观察者接收到的光波频率与源频率之间存在差异。
在光的多普勒效应中，当光源和观察者接近时，光波频率增大，被称为蓝移；当光源和观察者远离时，光波频率减小，被称为红移。
3. 应用多普勒效应在天体物理学中有广泛的应用，例如观测星系中的天体运动以及判断行星运动方向等。
此外，在激光雷达、光谱学和地震测量等领域，多普勒效应也有着重要的应用。
总结：光的衍射和多普勒效应是光学中两个重要的现象和原理。
光的衍射是光波传播中经过孔或绕过物体时发生偏离直线传播的现象，而多普勒效应是光源和观察者相对运动时光波频率发生变化的现象。
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光学多普勒效应及其在激光中的应用
刘韬
北京工业大学 应用数理学院 000611班
指导教师：俞宽新
摘要 讨论了光学多普勒效应，分别按照光源静止、观察者运动和观察者静止、光源运动两种情况推导出频移公式。
将光学多普勒效应用于激光发光机理中，给出表观中心频率和共振速度的计算公式。
关键词 光学多普勒效应，频移公式，表观中心频率，共振速度
一、光学多普勒效应
1842年，德国一位名叫多普勒的数学家，一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。
他对这个物理现象很感兴趣，并进行了研究。
发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。
这就是频移现象。
因为是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。
辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。
在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift))。
在运动的波源后面，产生相反的效应。
波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift))。
波源的速度越高，所产生的效应越大。
根据光波红 / 蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。
除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。
所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。
下面来推导多普勒效应的公式：随后介绍课件中的多普勒效应是如何演示的。
设观察者运动速度为，c 为光速，那么单位时间内观察者运动距离为，观察者接收频率为B v B v 'ν，光源频率为0ν。
那么'ν指观察者在单位时间内接收到的光波的数目。
分两种情况进行讨论
1、波源静止，观察者运动
首先假定观察者向波源运动。
在这种情况下，观察者在单位时间内所接收到的完全波的数目比静止时要多。
这是因为，在单位时间内，原来位于观察者处的波阵面向右传播了c 的距离，同时观察者自己向左运动了的距离，这就相当于波通过观察者的总距离为+c,因而这时在单位时间内，观察者所接收的波的数目为
B v B v '0/B B B c v c v c v c c
0νλν+++=
== (1) 即 'ν0B c v c
+= （2） 当观察者远离波源运动时，同理，取负号。
2、波源运动，观察者静止
波源运动时，仍按自己的频率发射波，在一个周期T 内，波传播了cT 距离,波源位置由S1运动到了S2,移过距离为VsT 。
由于，波源的运动，波长变小了，实际波长为
'0()s
s s c v cT v T c v T λν−=−=−= （3）
由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频率
''0/s
c c c v νλ==
−ν （4）即 'ν0s c c v ν=− (5)
此时观察者接受的频率大于波源的频率。
当波源远离观察者远动时，取+号。
二、多普勒效应的应用
在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时，他们发现了最奇异的现象：它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样相对的量。
为了理解这个含意，我们必须先理解多普勒效应。
我们已经知道，可见光即是电磁场的起伏或波动，其频率（或每秒的振动数）高达4到7百万亿次的振动。
对不同频率的光，人的眼睛看起来为不同颜色，最低的频率出现在光谱的红端，而最高频率在蓝端。
想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的频率发出光波，显然我们接受到的波频率和发出时的频率一样（星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应）。
现在假定这恒星光源开始向我们运动，当光源发出第二个波峰时，它离开我们更近一些，这样此波峰到达我们处所用的时间比恒星不动时要少。
这意味着，这两个波峰到达我们的时间间隔变小了，所以我们接收到的波的每秒振动数（频率）比恒星静止时高。
同样，如果光源离我们而去，我们接收到的波频率就变低了。
所以对于光来说，这意味着，当恒星离开我们而去时，它们的光谱向红端移动（红移）；而当恒星靠近我们而来时，光谱则蓝移。
这个称之为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常所熟悉的，例如我们听路上来往小汽车的声音：当它开过来时，它的发动机的音调变高（对应于声波的高频率）；当它通过我们身边而离开时，它的音调变低。
光波或无线电波的行为与之类似。
警察就是利用多普勒效应的原理，以无线电波脉冲从车上反射回来的频率来测量车速。
三、光学多普勒效应在激光中的应用
1、表观中心频率
对于气体激光器来说，产生非均匀加宽的主要物理因素是多普勒频移效应。
如果声源与接收器相对运动时，光接收器接收到的声波频率将随两者的相对速度的不同而改变。
这一现象称为光波多普勒频移效应。
设光源与接收器之间的相对运动速度比光速c 小得多，则光接收器探测到的光波频率为：
'0(1)o c
ννν=+ （6） 0ν为光源发出的光波频率，ν是光源与接收器的相对速度，如果两者是互相接近运动，则ν为+，如果两者是相互远离，则ν取-号。
假设有一个光接收器放在谐振腔输出镜的一侧，向接收器运动的发
光粒子所发光的中心频率测量值将高于这些静止时所发光的中心频率，而背离接收器运动的发光粒
子中心频率测量值侧低于静止时的中心频率。
称接收器所测量到的运动粒子中心频率值'o ν为表观中
心频率。
下面来推导表观中心频率的公式，已经推导了波源运动，观察者静止时的多普勒效应的公式，'ν表观中心频率和它极为类似，同样也是光源运动，接收器静止。
所以公式只有形式上的区别。
即
'ν=0z c c v ν− (7)
z v 为光子速度。
2、共振速度
从多普勒效应的公式推倒共振速度的公式。
接收器运动，光源静止时的多普勒效应的公式为 '0B c v c
υυ+= （8） 其中0υ是光源本身的固有频率，是接收器的运动速度，B v 'υ是接收器认为光源的频率。
接收器向光源运动取+，背离光源运动取-。
在共振速度的公式中，假设一个光源发出频率为s υ的光，对照上图，现在的s υ也就是多普勒效应里的0υ。
运动的粒子固有频率为0υ，相当于多普勒效应里'υ，z υ是共振速度，相当于多普勒效应里，所以多普勒效应的公式变为：
B v 0z s c v c
υυ+=
（9）
所以 0(1)z s
v c υυ=− （10） 这就是共振速度的计算公式，符号，规定粒子与光线传播方向相反为正，相同为-。
共振速度的意义是当粒子发生共振时就会发生受激辐射，这样可以增大激光的能量。
z v
参考文献
（1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月
（2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月
（3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月
（4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月
（5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月。