激光测量技术第六章激光其他测量技术优秀课件
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激光检测技术PPT课件
实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种： (1) 光泵浦 (2) 电泵浦 (3) 化学反应
3. 谐振腔的共振作用与激光的形成
在增益介质的两端安装两块相互平行的反射镜，一块为全反射镜（反射 率近似为1），另一块为部分反射镜（反射率必须大于某一值），构成一 个光学共振腔（又称谐振腔）。谐振腔对光的模式有选择作用，即对光的 频率、相位、偏振及传播方向有严格的选择。
和。
.
5
二、激光的特性与用途
1. 激光的高方向性：根据这一特性可制成激光准直仪； 2. 激光的高亮度：利用激光能量高度集中的特性，进行
精密焊接、打孔及切割 ； 3. 激光的高单色性 ：在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍
射测量中得到了广泛的应用； 4. 激光的高相干性：全息摄影就是利用了激光相干性好
的这一特征。
.
8
四、应用举例
1. 激光的载波测温技术
激光载波测温原理方框图
.
9
激光载波测温的发射部分
RT-热敏电阻；V1-单结晶体管；V2-晶闸管； T1，T2-脉冲变压器
.
f
1
RT CT
ln
1 1
脉冲调频波
10
调频波解调原理
(a) LC谐振电路；（b）谐振曲线；（c）调频波及调幅波
.
11
2. 激光准直测量技术
8. ● 其他激光器 X射线、薄膜、光纤激光器等
.
7
2. 激光器的结构与工作原理
以氦氖激光器为例
除激励电源之外，氦氖激光器通常包括放电管、电极和谐振腔等基 本组成部分。根据放电管和组成谐振腔的两块反射镜的连接方式，可将 氦氖激光器分为内腔式、半内腔式（半外腔式）和外腔式三种结构型 式。在放电管中按一定比例和压力充上氦氖混合气体。
3. 谐振腔的共振作用与激光的形成
在增益介质的两端安装两块相互平行的反射镜，一块为全反射镜（反射 率近似为1），另一块为部分反射镜（反射率必须大于某一值），构成一 个光学共振腔（又称谐振腔）。谐振腔对光的模式有选择作用，即对光的 频率、相位、偏振及传播方向有严格的选择。
和。
.
5
二、激光的特性与用途
1. 激光的高方向性：根据这一特性可制成激光准直仪； 2. 激光的高亮度：利用激光能量高度集中的特性，进行
精密焊接、打孔及切割 ； 3. 激光的高单色性 ：在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍
射测量中得到了广泛的应用； 4. 激光的高相干性：全息摄影就是利用了激光相干性好
的这一特征。
.
8
四、应用举例
1. 激光的载波测温技术
激光载波测温原理方框图
.
9
激光载波测温的发射部分
RT-热敏电阻；V1-单结晶体管；V2-晶闸管； T1，T2-脉冲变压器
.
f
1
RT CT
ln
1 1
脉冲调频波
10
调频波解调原理
(a) LC谐振电路；（b）谐振曲线；（c）调频波及调幅波
.
11
2. 激光准直测量技术
8. ● 其他激光器 X射线、薄膜、光纤激光器等
.
7
2. 激光器的结构与工作原理
以氦氖激光器为例
除激励电源之外，氦氖激光器通常包括放电管、电极和谐振腔等基 本组成部分。根据放电管和组成谐振腔的两块反射镜的连接方式，可将 氦氖激光器分为内腔式、半内腔式（半外腔式）和外腔式三种结构型 式。在放电管中按一定比例和压力充上氦氖混合气体。
《激光干涉测量技术》PPT课件
···
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
I 1 I 2
我们研发各种偏振片和延迟器件
o光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体
CaCO 3
纸面
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折
光光
射
方解石 晶体
晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。
在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信 息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相 同点联成的轨迹。而光程差△是干涉仪两支光路光程之差， 可用下式表示
式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li， lj分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入
干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的 位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条
激光干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一 门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件 的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到 长足发展。
干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵 敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、 长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测 量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马 赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年 代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速， 如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉 仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。
(4)“猫眼”反射器 如下图(c)所示，它由一个透镜L和一 个凹面反射镜M组成、反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来 的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜又把光束反射到透镜， 并沿与入射光平行的方向射出(与反射镜的曲率无关)。若反 别镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射 镜一起绕C点旋转时，光程保持不变：“猫眼“反射器的优点 是容易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也 可考虑用平面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调 整。
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
I 1 I 2
我们研发各种偏振片和延迟器件
o光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体
CaCO 3
纸面
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折
光光
射
方解石 晶体
晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。
在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信 息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相 同点联成的轨迹。而光程差△是干涉仪两支光路光程之差， 可用下式表示
式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li， lj分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入
干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的 位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条
激光干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一 门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件 的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到 长足发展。
干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵 敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、 长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测 量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马 赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年 代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速， 如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉 仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。
(4)“猫眼”反射器 如下图(c)所示，它由一个透镜L和一 个凹面反射镜M组成、反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来 的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜又把光束反射到透镜， 并沿与入射光平行的方向射出(与反射镜的曲率无关)。若反 别镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射 镜一起绕C点旋转时，光程保持不变：“猫眼“反射器的优点 是容易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也 可考虑用平面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调 整。
《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
1
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
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
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：
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：
激光测量技术-总结ppt课件
18
18
第四章 激光准直及多自由度测量
第一节 准直测量原理 1）振幅/光强测量法:a．菲涅耳波带片法b. 位相板法c. 双光
I
I
0(
sin2 2
)
b sin
I 0 0lightstrength
b
k sin
b
kL Xk
三、圆孔衍射测量 Airy斑
d
1.22 f a
测控教研室
16
16
第二节 激光衍射测量方法
常用的测量方法主要有：
1、间隙测量法 2、反射衍射测量法 3、分离间隙法 4、互补测屏法 5、爱里斑测量法 6、衍射频谱检测法
二、激光的高亮度 三、激光的单色性
线宽的定义是什么? 影响因素有哪些? 介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方
式 工作的状态 四、激光的时间相干性和空间相干性
什么是时间相干性和空间相干性 相干长度 Lc=C Δt
tcΔυ=1 横向相干长度
测控教研室
4
4
第三节 激光的基本物理性质
五、激光的纵模与横模物理性质
每一个谐振频率的振荡,成为一个模式 沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模或者纵模 如何形成单模激光? 横模
TEMmnq
对称 轴向 旋转
m X向暗条纹数 圆周向暗条纹数
测控教研室
n Y向暗条纹数 径向暗条纹数
q 纵模数 纵模数
5
5
第四节 高斯光束
一、高斯光束的表达式
束腰的定义
E(x ,y ,z)
测控教研室
12
12
第五节 激光散斑干涉测量技术
什么散斑？ 散斑产生的条件：
1）粗糙表面， h>λ产生均匀散斑 2）必须有高相干光
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
模式匹配实现
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
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
激光多普勒测速课件
信号处理与控制系统的性能直接影响测速结果的准确性和实时性，是整 个测速系统的关键部分。
03
激光多普勒测速技术实验方法
实验准备与操作流程
实验设备
激光多普勒测速仪、水槽、电源、信号发生器、示波器等。
实验材料
水、透明玻璃或有机玻璃板、测量尺等。
实验准备与操作流程
操作步骤
1
2
1. 安装激光多普勒测速仪，确保其稳定运行。
材料科学、纳米技术等领域。
在材料表面形貌测量中，激光多普勒测速技术可以测 量材料表面的粗糙度、形貌和纹理等信息，提供材料
表面的三维形貌和表面动力学特征。
激光多普勒测速技术还可以用于测量材料表面的应力 、应变和热流等参数，为表面工程和材料科学研究提
供重要数据。
06
结论与展望
技术总结
激光多普勒测速技术是一种非接触、无损、高 精度、高分辨率的测量 技术，具有广泛的应用 前景。
在流体速度测量中，激光多普勒测速技术可以测量液体、气体和等离子体等流体的速度，具有广泛的应 用范围。
激光多普勒测速技术可以测量流体的平均速度和瞬时速度，提供流场的速度分布和流速矢量等信息，为 流体力学研究和工程应用提供重要数据。
粒子速度测量
激光多普勒测速技术在粒子速度测量中 具有高精度、非接触和实时性的优点， 广泛应用于气溶胶、燃烧颗粒、生物细 胞等领域。
未来，激光多普勒测速技术将不断优化，提高测量精度和 稳定性，拓展应用范围，为科学研究和技术创新提供更多 可能性。
同时，随着技术的进步和应用需求的增加，激光多普勒测 速技术的成本将逐渐降低，使得更多的领域和行业能够受 益于该技术的应用。
THANKS
感谢观看
在粒子速度测量中，激光多普勒测速技术可 以测量粒子在气体或液体中的速度，提供粒 子的运动轨迹和速度分布等信息。
03
激光多普勒测速技术实验方法
实验准备与操作流程
实验设备
激光多普勒测速仪、水槽、电源、信号发生器、示波器等。
实验材料
水、透明玻璃或有机玻璃板、测量尺等。
实验准备与操作流程
操作步骤
1
2
1. 安装激光多普勒测速仪，确保其稳定运行。
材料科学、纳米技术等领域。
在材料表面形貌测量中，激光多普勒测速技术可以测 量材料表面的粗糙度、形貌和纹理等信息，提供材料
表面的三维形貌和表面动力学特征。
激光多普勒测速技术还可以用于测量材料表面的应力 、应变和热流等参数，为表面工程和材料科学研究提
供重要数据。
06
结论与展望
技术总结
激光多普勒测速技术是一种非接触、无损、高 精度、高分辨率的测量 技术，具有广泛的应用 前景。
在流体速度测量中，激光多普勒测速技术可以测量液体、气体和等离子体等流体的速度，具有广泛的应 用范围。
激光多普勒测速技术可以测量流体的平均速度和瞬时速度，提供流场的速度分布和流速矢量等信息，为 流体力学研究和工程应用提供重要数据。
粒子速度测量
激光多普勒测速技术在粒子速度测量中 具有高精度、非接触和实时性的优点， 广泛应用于气溶胶、燃烧颗粒、生物细 胞等领域。
未来，激光多普勒测速技术将不断优化，提高测量精度和 稳定性，拓展应用范围，为科学研究和技术创新提供更多 可能性。
同时，随着技术的进步和应用需求的增加，激光多普勒测 速技术的成本将逐渐降低，使得更多的领域和行业能够受 益于该技术的应用。
THANKS
感谢观看
在粒子速度测量中，激光多普勒测速技术可 以测量粒子在气体或液体中的速度，提供粒 子的运动轨迹和速度分布等信息。
激光长度测量ppt课件
Δf2：多普勒频移
f2
2V f2 c
f2dl 输出脉冲数： N
N l 2 2
2
2
l
PM2移动距离
特点： 具有很强的抗干涉性：单频激光干涉仪光强变化50%就不能 作。而对双频激光干涉仪，即使光强损失95%，仪器仍能正常 工作。 测量范围大（>60m）。
衍射测量
细丝的夫琅和费衍射和测径原理
细丝的直径测量
L
X
N sin d
NL XN d
相邻两条纹的间距：
L b d
激光脉冲测距原理
原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲 控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时 间完成测距的。其计算公式为：
1 d ct 2
激光脉冲测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度。 光脉冲的方向性要好。 光脉冲的单色性要好。 光脉冲的宽度要窄。 d
解决办法：采用多个调制频率(即 n 个测尺)进行测距。 短测尺(称为精尺)测定精确的小数。 长测尺(称为粗尺)测定距离的大数。 比如： 精测距离 （精尺为10 m，f ＝15MHz)： 6.678 m 1 粗测距离 （粗尺为2000m，f2 ＝75kHz)： 1350 m 仪器显示距离 1356.678 m
O 干板 O’ O’’ 干板
L
L
干涉条纹A
PCB
激光散斑法
角度测量
1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的不动时，顺时 针和反时针传播一周所需时 间相同，即
L t c
当干涉仪转动时，两束光 （顺时针和反时针）传播的时 间之差为：
4 S L tc c
激光长度测量
激光长度测量
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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。
激光测量技术第六 章激光其他测量技
术
2006年3月6日星期一
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
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
2006年3月6日星期一
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。
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。
2006年3月6日星期一
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
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
2006年3月6日星期一
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
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
从p点看:
cV K
fp
从U处看: fD
cV U
因为:
c fp 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
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。
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
f1TNຫໍສະໝຸດ n Nfn
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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:
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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。
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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。
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一、多普勒测速原理
激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:
基于运动物体散射光线的多普勒 效应
1. 多普勒效应
引起多普勒频移的原因:
a 波源或者接收器的移动
b 波传输通道中的物体运动产生
对于a种情况:
f V cos
f f
V
cos f
V cos V
0
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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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(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
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
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。
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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
激光测量技术第六 章激光其他测量技
术
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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
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。
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
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
2006年3月6日星期一
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
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
从p点看:
cV K
fp
从U处看: fD
cV U
因为:
c fp p
2006年3月6日星期一
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
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。
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
f1TNຫໍສະໝຸດ n Nfn
2006年3月6日星期一
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:
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
B 、参考光束型
2006年3月6日星期一
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。
2006年3月6日星期一
(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。
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一、多普勒测速原理
激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:
基于运动物体散射光线的多普勒 效应
1. 多普勒效应
引起多普勒频移的原因:
a 波源或者接收器的移动
b 波传输通道中的物体运动产生
对于a种情况:
f V cos
f f
V
cos f
V cos V
0
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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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(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
2006年3月6日星期一
(三)信号处理系统
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
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。
2006年3月6日星期一
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