激光测量技术激光原理与技术
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.
激光原理与技术实验报告.doc
激光原理与技术实验报告.doc概述激光技术是一种应用广泛、发展迅速的新技术，在工业、医学、通讯等领域都有着广泛的应用。
本实验旨在了解激光的基本原理，掌握激光器的构造和激光束的生成与测量方法，以及掌握激光的一些基本特性和应用。
实验原理激光是指具有高度纯度、单色性好、方向性和相干性极强的光，其产生和放大是通过受激辐射过程完成的。
具体来说，激光器的工作原理是通过激发介质内的原子或分子，使其受激辐射，在辅助的反射镜的作用下，从而在激光器中形成一束具有极强方向性和相干性的激光。
实验装置实验装置如图所示，主要由He-Ne激光器、反射镜组、光路组件和功率测量仪等组成。
其中，He-Ne激光器是实验的主体部分，可产生波长为632.8nm的激光。
反射镜组是用来控制和调整激光束传输方向、聚焦和扩展等方面的效果。
光路组件包括凸透镜、切向波片、偏振片等，主要用来调整、过滤和分析激光束的偏振状态、强度和相位，以及产生不同的波长和形状的激光束。
功率测量仪主要用来测量激光束的功率、光密度和曲率等参数。
实验步骤1. 准备工作：检查实验装置的连接和安全，确认激光幽灵系统处于正常工作状态，注意保护眼睛。
2. 初步调整：用反射镜组将激光束从He-Ne激光器中传输到实验台上的观测屏幕上，调整反射镜组的位置和角度，以便获得尽可能高的反射率和强度。
3. 改变激光束的偏振状态：加入偏振片，以控制激光束的偏振状态和方向，观察不同偏振状态的激光束在屏幕上的反映情况，了解激光束的偏振特性。
4. 产生不同波长的激光束：加入切向波片和凸透镜组件，改变激光束的相位和波长，观察不同波长激光束在观察屏幕上的差异，掌握不同波长激光束的产生和调制方法。
5. 测量激光束的功率和强度：用功率测量仪测量激光束的功率和光密度等参数，掌握不同位置和距离的激光束的功率和强度变化情况，应用激光干涉和相位空间法等技术分析和处理激光束。
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。
激光检测原理
激光检测原理激光检测是一种利用激光技术进行测量和检测的方法，它在工业、医疗、科研等领域有着广泛的应用。
激光检测原理是基于激光的特性和相互作用规律，通过对激光的发射、传播、接收和处理，实现对被测对象的测量和检测。
本文将从激光的特性、激光检测的基本原理和应用实例等方面进行介绍。
激光的特性。
激光是一种具有高亮度、高直线度、高单色性和高相干性的光束。
这些特性使得激光在检测领域有着独特的优势。
高亮度和高直线度使得激光能够远距离传播而不发散，保持较小的光斑；高单色性使得激光具有特定的波长，适用于特定的测量和检测需求；高相干性使得激光能够产生干涉和衍射现象，实现精密的测量。
激光检测的基本原理。
激光检测的基本原理是利用激光束与被测对象相互作用后产生的光学信号进行测量和分析。
激光检测可以通过测量激光的反射、散射、吸收、干涉等方式来获取被测对象的信息。
例如，通过测量激光的反射光强来确定目标的距离和形状；通过测量激光的散射光强来分析目标的表面粗糙度和形貌；通过测量激光的吸收光强来检测目标的化学成分和浓度；通过测量激光的干涉图案来实现精密的位移和形变测量。
激光检测的应用实例。
激光检测在工业、医疗、科研等领域有着广泛的应用。
在工业领域，激光检测被应用于精密加工、质量检测、无损检测等方面，例如激光测距仪、激光干涉仪、激光扫描仪等设备；在医疗领域，激光检测被应用于医学影像、激光治疗、生物检测等方面，例如激光扫描显微镜、激光手术系统、激光生物传感器等设备；在科研领域，激光检测被应用于物理、化学、生物等学科的实验和研究，例如激光光谱仪、激光干涉仪、激光散射仪等设备。
总结。
激光检测是一种基于激光技术的测量和检测方法，它利用激光的特性和相互作用规律，实现对被测对象的精密测量和分析。
激光检测具有高亮度、高直线度、高单色性和高相干性的特性，适用于工业、医疗、科研等领域。
通过对激光的发射、传播、接收和处理，激光检测可以实现对目标的距离、形状、表面粗糙度、化学成分、位移和形变等信息的获取，为各个领域的应用提供了有力的技术支持。
激光测试技术 原理
激光测试技术原理激光测试技术是一种利用激光器发射出的激光束对目标进行测量和分析的技术。
它通过测量激光束在目标上的反射或散射情况，来获取目标的相关信息，如距离、形状、表面特性等。
激光测试技术在工业、科学研究、医学等领域有着广泛的应用。
激光测试技术的原理主要包括激光器的发射、激光束的传输、目标的反射或散射以及接收和处理信号等几个关键步骤。
首先，激光器会产生一束单色、相干性强、方向性好的激光束。
这个激光束经过适当的光学元件传输到目标上。
目标可以是一个物体的表面，也可以是一个空间中的点。
当激光束与目标发生作用时，会发生反射、散射或折射等现象。
在激光束照射到目标上后，一部分激光束会被目标表面反射回来，形成反射光。
另一部分激光束会被目标表面散射或折射，形成散射光或透射光。
这些光束经过光学系统的聚焦和收集后，被接收器接收到。
接收器可以是光电二极管、光电倍增管或光电探测器等。
接收到的光信号会经过电路放大、滤波等处理后，转化成电信号。
接收到的电信号可以用来计算目标与激光器的距离。
利用激光束的速度已知，通过测量激光束从发射到接收的时间差，可以计算出目标与激光器之间的距离。
同时，还可以通过测量激光束的强度变化，获取目标表面的反射率信息。
利用激光束的聚焦性和方向性，还可以测量目标的形状和表面特性。
激光测试技术具有许多优点。
首先，激光束具有高方向性和高亮度，可以实现远距离测量和高精度测量。
其次，激光束具有短脉冲宽度和窄光谱宽度，可以实现高速测量和高分辨率测量。
此外，激光测试技术还可以实现非接触式测量，避免了测量过程中的物理接触和干扰。
激光测试技术在工业领域有着广泛的应用。
例如，在制造业中，可以利用激光测试技术对产品进行尺寸测量、形状检测和缺陷分析等。
在航空航天领域，可以利用激光测试技术对飞机表面进行检测和维修。
在医学领域，可以利用激光测试技术进行眼科手术和皮肤治疗等。
此外，激光测试技术还可以应用于地质勘探、环境监测、军事侦察等领域。
激光原理与技术的名词解释
激光原理与技术的名词解释激光（Laser）是一种通过光的放大和受激辐射而产生的高度聚焦的、单色的、高能量的光束。
激光技术是一项重要的现代科学技术，广泛应用于医疗、通信、制造业等领域。
本文将从激光原理、激光器种类、激光应用等方面对激光技术进行深入解释。
激光原理是指通过特定的装置和工作介质来产生激光的物理过程。
激光原理的关键在于能级跃迁和受激辐射。
能级跃迁是指原子或分子在受到外界能量激发后，电子从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级跃迁回到低能级释放出光子。
受激辐射是指在一个已经存在的光子的作用下，原子或分子激发态上的电子从高能级跃迁回到低能级，产生与外界光子一致的光子。
通过这种循环的过程，激光得以产生和放大。
根据激光器的工作方式和工作介质的不同，激光器可以分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
气体激光器利用气体（如氦氖）放电时的原子或分子跃迁产生激光。
固体激光器则利用固体晶体（如钛宝石）中的掺杂物在激光器外加入能量时跃迁产生激光。
而半导体激光器是基于半导体材料的PN结构或异质结构，在电流作用下产生激光。
激光技术具有独特的特点和广泛的应用。
首先，激光具有高度聚焦的特点，可以实现对微小区域的精确加工和切割。
例如，在制造业中，激光切割可用于金属板材、塑料制品等的切割加工。
其次，激光具有高单色性，在通信领域中，激光器可以作为发射源，通过光纤传输信息。
另外，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术刀可实现精确切割，激光治疗可用于皮肤病的治疗。
此外，激光还可以应用于测距、测速、材料分析等领域。
除了常见的激光器外，还有一些特殊种类的激光器。
例如，有色激光器是指通过改变激光输出波长，使激光具有红、绿、蓝等特定颜色的激光器。
这种激光器广泛应用于舞台灯光、激光显示器等领域。
另外，超快激光器是指脉冲宽度极短的激光器。
它具有很高的能量密度和短时间尺度，可用于材料表面改性、光学显微镜等领域。
激光技术的应用还在不断发展和创新。
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通 过泵浦光激发染料分子产生激光 ，具有宽调谐范围和短脉冲输出 能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、 氚等聚变燃料的靶丸，实现核聚 变反应，是惯性约束聚变研究的 重要手段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴 复合释放能量形成激光输出，具有体 积小、效率高、寿命长等优点。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
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激光测量与检测技术
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
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干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
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干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
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1、时间相干性
相干长度: 两列光波间允许的最大光程差 Lc Lc=C Δt
B
E st
单位: W/cm2.Sr
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二、高亮度
• 太阳光的亮度约为1.03W/cm2·Sr • 普通的1mW氦氖激光1.05W/cm2·Sr • 大功率脉冲激光1014~ 1017W/cm2·Sr • 飞秒激光可达1020W/cm2·Sr
是太阳的1011倍以上
激光是最亮的光
应用: 通信光源、测距、激光光盘、唱片、 印刷术、办公自动化、泵浦源
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4．液体激光器
常见有机染料激光器
特点：
输出的激光波长在很大 范围内连续可调(0.341.2um)
应用:
在光化学、光生物学、
激光医学等方面
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5.化学激光器
常有HF、碘原子激光器等 特点: • 可将化学能直接转换为激
二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布
1、原子能级
玻尔理论: ① 电子非任意轨道,且是一定半径或能
级的轨道
② 定态:处在一定轨道上的电子 ③ 基态:能量最低的定态 ④ 激发态:除基态以外的其他定态 ⑤
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1、原子能级
② 电子运动状态的变化要吸 收或者释放能量: hv=E2E1
激光照排，水下通讯
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3．半导体激光器
特点: • 超小型，质量轻，成本低，批量生产 • 能量转换效率高(＞30％)，波长范围
广(0．5—30 74m)，寿命长(＞百万小 时)，功率小(一般在1—00mw)，发散 角大，单色性差
• 易于调制．改变驱动电流，可将输出 光调制到G赫兹
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三、谐振腔
由提I高(ZZ)的大I小0e，GZ常知常，采Z用越以大下，结光构越: 强， 为减小体积，
目的:
1. 光往返,增加Z的大小,利于光放大
2. 腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选 择作用.
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四、激光产生的条件
条件： 三要素加一阀值条件
三要素: 1. 泵浦 2. 增益介质 3. 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.
2、泵浦
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二、光放大
1、增益介质 能量波与物质的相互作用：
1、物理、化学作用 2、反射、散射 3、受激吸收
4、自发辐射
损耗 应当减弱,利于放大
泵浦 容易实现粒子数反转 杂散光，影响单色性、相干性
增益介质：
易于通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质中受激辐射 大于受激吸收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用
一、光量子学说及波粒二象性
几何光学 波动光学 电磁理论 量子理论
微粒说
波动说
电磁说 量子说
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2
一、光量子学说及波粒二象性
1. 光具有反/折射、衍射、干涉、光电效应
2. 牛顿：粒子说 ——折/反射现象
3.
Yang：波动说——衍射、干涉
b a
4. 波粒二象性解释不了光电效应：
45 NO 34 fg 79
67 PQ
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2.简并度、简并能级
从图上看出：
1、电子运行的状态不同，其能量相同。
2、能量相同的能级对应不同的电子运动状态。 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
三、光与物质的相互作用
3.受激辐射 特点:
相同的频率、相位、偏振方向和传播方向
E2
h
E1
发光前
发光后
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h h
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三、光与物质的相互作用
当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程
光场能量
自发辐射
受激辐射 受激吸收
粒子能量
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可能达到平衡
也可能达不到平衡
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第一章 激光原理与技术
本章主要内容: 1. 辐射理论概要（重点） 2. 激光产生的条件:泵浦、增益介质、谐振腔、阀值条件
（重点）
3. 结构及分类 4. 物理性质（重点） 5. 高斯光束（重点） 6. 稳频技术 7. 调制技术（重点） 8. 半导体激光器
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1第一节 辐射理论概要 Nhomakorabea2006年3月6日星期一
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三、单色性
由 C 知 , 线宽也对应着一定波长宽度
1 2
工程上一般也用 或
来度量线宽的大小.
单色光源是氪（Kr86）灯，中心波长为605.7 nm，
中心频率为4.95×108 MHz，其谱线宽度为
3.8×102 MHz，即4.7×10－4 nm
Δλ/λ为7.96×10-7 一般He-Ne激光Δλ/λ为10-11 中心波长6328埃
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三、光与物质的相互作用
作用种类:
1. 自发辐射
2. 特点: 辐射光没有固定频率、相位i、偏振
方向
和传播方向
E2
E1
发光前
发光后
hE2E1
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三、光与物质的相互作用
2、受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
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2. 气体激光器
常见: CO2,He-Ne, Ar+激光器 特点: • 种类多，波长分布区域宽
• 应用广，频率稳定性好，是很好 的相干光源
• 可实现最大功率连续输出 • 结构简小，造价低，转换效率高 • CO2, 常用于机械加工
He-Ne 测量、计量 Ar+ 化学分析，全息摄影，
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2、受激放大
增益介质对光的放大作用：
I(Z) I0eGZ
G为增益介质的增益系数,G>0,Z为增益介
质的长度,I0为入射光强
结论:
不考虑损耗的情况下, G越大,Z越大,对光的放 大作用越好, 但是G,Z有限,也可能形成不了激 光
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通用结构
全 反 镜
五、结构形式
泵浦源
部分反部分透射镜
增益介质
激光
谐振腔
以He-Ne激光器为例：
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五、结构形式
He-Ne激光器的三种结构： A. 外腔式
B. 半内腔式
C. 内腔式
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六、激光器的分类及特点
③ 定态限制:即电子的轨道 运动的角动员P必须等于 h/2π的整数倍:
PФ=nh/2π 玻尔量化条件 n为整数 主量子数
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2.简并度、简并能级
表 13-1 角动量状态
主量子数 (n)
1 23
符号
K LM
角动量 l (n-1) 0 1 2
符号
s pd
简并度 g = 2l+1 1 3 5
请勿对准眼睛
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三、单色性
单色性是指光强按频率(波长)的分布状况。
激光的频率受以下条件影响：
• 腔长变化
P
Pmax
• 泵浦 • 温度
1/2Pmax
• 震动 • 能级分裂
V1 V0 V2
V
激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度 Δν= ν2- ν1(线宽)描述。
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1. 固体激光器
工作物质主要是掺杂晶体和掺杂 玻璃，最常用的是红宝石 (掺铬)Al2O3、钕玻璃(掺钕)、 钇铝石榴石(掺钕)YAG。
激励方式:光激励(简称光泵)
特点: 输出功率大可达1000W以 上, YAG最好,可连续运行 多模输出
常用于机械加工
1是脉冲氙灯；2是红宝石棒， 3是椭圆柱形聚光器，4是全 反射镜，5是部分反射镜
固体激光: 10-2
半导体激光: 5-10x10-2
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激光的方向性
影响因素：
介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方式 工作的状态
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二、高亮度
亮度定义:
单位面积的光源在单位时间内向着其法线 方向上的单位立体角范同内辐射的能量
h h6.62610 34Js
② 1905年Einstein光量子学说
光的能量是不连续的，光由一粒粒的光子
组成，每个光子的具有确定的能量。只能 作为一个整体被吸收或产生。
h
h1m2 A 2
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