激光检测技术研究现状与发展趋势

激光检测技术研究现状与发展趋势

提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。

1.测量原理

1.1激光测距原理

先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

1.2激光测位移原理

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

2.激光测量系统的应用

激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数，激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器。随着激光技术的不断发展，对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求。由于调Q和锁模激光的出现和应用，要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上。激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔。脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级。光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段。激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发展，对激光测量的精度也提出了非常高的要求。

2.1激光非球面检测技术

长期以来，非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高，尤其对于高精度非球面的检测。规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等，对于检测工件表面来说都有一定的局限性。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与

样品表面原子问的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图。AFM突破了扫描隧道显微镜(STM)只能够用于扫描不容易氧化的良导体样品的限制，可以扫描导体和绝缘体。AFM具有多种扫描模式：接触扫描模式是原子力显微镜的基本工作模式；轻敲扫描模式(Tapping Mode)特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。在光学系统中聚焦的激光束照射到试样表面，入射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉，使光束发生频移，由干涉仪检测器检测出频移。从而测量试样振动位移，从检测出的超声波可判断试样内部缺陷和微结构。Trokel公司几年前生产了一种计算机垒息圈检验非球面的干涉仪，其操作仅比球面检验稍难。国内也开展了相应的研究工作，也有一些产品。如上海光机所的数字显示激光平面干涉仪，能自动测量光学平面面形质量，快速，高精度。

2.2偏心光束对焦系统

近年来，非接触式测量技术在表面测量领域得到比较广泛的应用，其中自动对焦测量已从微米尺度进入纳米尺度，在非球面检测中大大提高了非球面的测量精度，因此具有重大的研究价值和广阔的发展前景。自动对焦是利用物体光反射的原理，将反射光照射在光电探测器上，经过光电转换而带动电动对焦装置进行对焦的方式。偏心光束对焦精度取决于光源的质量、光电探测器对光源的敏感度及电动对焦装置的合理设计等。根据偏心光束对焦系统设计方案进行对焦实验。固

定光路系统与位置敏感探测器的位置，调节移动工作台上下移动，位置敏感探测器光敏面上的激光光斑也随之变化，于是电动机随之转动。转动情况决定了偏心光束是否对焦。当电动机停转时，即工件内表面位于物镜平面，对焦成功。

2.3激光扫描显微镜

激光扫描显微镜是融合光、机、电以及计算机和图像处理等技术的高新技术产品，它广泛应用于检测领域，已经成为这个领域强有力的研究工具。激光共焦显微镜是利用激光光束经照明针孑L形成点光源，对标本内焦平面的每一点扫描，标本上的被照射点在探测孑L处成像，由探测孑L后的光电倍增管(PMT)接收，在计算机屏幕上迅速形成荧光图像。由于扫描过程是逐点进行的，因此需要由电动机驱动玻片沿y平面运动。高分辨率图像的获得，不但要求有完善的光学与精密机械系统，而且还要求玻片移动平稳，防止抖动出现，否则会影响扫描效果，这就对运动控制系统提出了较高要求。采用基于数字信号处理技术的移动控制器很好地解决了共焦扫描显微镜的运动控制问题。

激光共焦扫描显微镜系统由光学扫描单元、数据传输及图像处理、运动控制单元和主机组成。光学扫描单元负责对数据进行采集；数据传输及图像处理单元接收扫描数据，并对数据进行视频处理后传输给主机和显示器；运动控制单元驱动载物玻片沿预定轨迹运动，实现逐点扫描；主控制机实现对下位机的控制及数据的后处理.

3.比较国内外开展激光检测研究与应用的现状

(1)技术上——在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。

(2)应用上——周内应用类别不少。但由于产品化程度不高，影响使用面。

4.激光检测的前景与设想

检测整机销售额统计缺乏连续数据，因为国际上统计方法在变、现在的方法是统计包括电源在内的“激光器”，因为包括太多的整机部分“会使激光工业和汽车工业一样庞大”。因此在此讨论检测州激光器的销售额。其实，激光器价值常占整机微小一部分，所以实际上的经济效益变化幅度大于这里钓统计值。这里取用的检测庄用范围系国外激光市场评述中的“检测”、“条码扫描器”及“农业与建筑”三项之和。在国外杂志中有关西方世界的数掘中，列出了检测用激光器销售额(台数)及年增长率和历年平均增长率，可知用激光器历年来的销售情况一直良好，稳定增长。

4.1转换元件

随着激光功率能量水平的不断提高．光热型转换元件逐渐由过去的面吸收(吸收黑层)向津吸收(半透明吸收体)发展，以避免强光辐射引起的破坏。逐渐采用真空蒸键的热电堆和电校准加热器代替过去常用的金属丝热电堆和电阻丝．缩小了体积，使仪器更如稳定可靠。光电元件在扩展波段方面已取得了～定成效，蓝光增强型光电二极管可响应到0.3微米，0.5微米处的响应比过去提高了一倍多。MOS光电