激光原理技术器件及应用

激光原理、技术、器件及应用

实验指导书

目录

激光扫描技术 (3)

氦—氖激光器 (6)

相位式激光测距原理 (8)

CO

激光器 (11)

2

激光扫描技术

旋转多面镜扫描主要应用在激光高速扫描的情况。转镜扫描的最大特点是它

统来驱动。具有N Ψ=N

720度=N 4π弧度（N>2） 下面来介绍两种扫描形式转镜系统光路布置:

1. 入射型扫描

入射型扫描亦称为物空间扫

描.入射型扫描如图.

激光束经过扩束入射到旋转的转

镜上,而偏转的光束由一个透镜或

凹面镜聚焦到扫描平面上.值得注

意的是,扫描光斑轨迹在平面上,

所以,透镜设计应保证在接受平面

上聚焦成像时不产生大于设计要

求的像差.因为由图来看,光束经

过转镜扫描后会形成一个扇形非

匀速扫描平面,称为f-θ工作状态,

据此设计的透镜称为f –θ透镜.

这种透镜工作时能保证:平面聚焦,

在整个扫描范围内,聚焦光斑均匀,直径不变;在聚焦平面内光斑线形扫描(假设光束以均匀的角速度扫描入射);有一个足够大的视场.

2．出射型扫描 转镜扫描原理图

出射型扫描，也称为像空间扫描，这种扫描的特点是转镜位于扫描透镜之后，如图。

由于成像透镜位于转镜前，因此，入射到透镜上的光束是固定不动的，这样透镜设计就简单了。但出射型扫描的轨迹是一条曲线，曲线中心就是转镜表面上光斑的位置。一般来说，接收信号的存储介质是平面，所以我们往往选择大f 数，譬如f/50的透镜，这样，聚焦曲面的弦深会小于扫描光束的焦深，用平面型光电接收器接收时，光信号不会出现任何畸变。比较以上两种，本文建议在激光电视中采用前者，即入射型扫描。所以还需对其中的关键部件f -θ透镜进行一下说明。

设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。 在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：

H=f '.tg θ

将此式两边对时间微分得： dt dH =dt

d f θθ2sec ' 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。

对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为：

H=f '.θ

这样： ωθ..f dt

d f dt dH '='= 其中，ω是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f '.θ范围内的等速扫描。这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θθtg /倍，其线畸变为：

∆ H=f '.tg θ-f '.θ=(f 'tg θθ-）

其相对畸变为：

100⨯-='θ

θθtg tg T D % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于f '·θ，故常简称为F-θ透镜。

在各种扫描应用中，

有四种类型的转镜：等边

多面转镜（简称多面镜，

柱形转镜或转镜），非等边

多面转镜，内多边形转镜

及塔形转镜。本实验是用

转镜扫描原理图

等边多面转镜。这种棱镜

主要优点是它能进行重复性直线扫描。由于等边棱镜本身的几何对称性，便于大批量生产，工厂制造时，可以若干块多面镜轴向叠加在一起加工，成本大大降低。

一束细激光束照射在转镜镜面上，转镜每转过一个角度θ，反射光就以θ2角反射出来，随着转镜的转动，光束在镜面上移动，直至镜面的边缘。此时，细激光束的一部分继续完成扫描，而另一部分已射到相邻的镜面，并准备下一次扫描。这个时刻叫“扫描间歇”，这时有一段信号空白。这个状态有以下特点：首先信号或信息的传输是不连续的，因为多面转镜的棱边在转动时会不断产生这种间歇。其次对给定的分辨率，最好增加转镜的直径，这样能使镜面口径增大，以减小空白区间。为了保证足够的镜面工作范围，镜面大小必须数倍于落在其上的光斑大小。如图（b）所示镜面宽度为D，光束直径为W，可以用镜面工作效率来表达它的工作范围U=（D-W）/D。假如D=10W，则U=90%，这意味着在整个扫描时间内，90%的时间在真正地扫描，其余10%的时间就是所谓的“扫描间歇”。U也称占空系数。还由于是细光束照明，只有很少一部分镜面被利用，并且由于转镜不得不增加尺寸，使得高速旋转时，惯性变大，无疑会给材料选择和结构设计带来困难。最后光斑扫描时，在径向偏离预定的轨迹，就产生了所谓的寻迹误差。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。它来源于：转镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是无法消除的固有误差；转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆动，但可以控制；马达转子在高速旋转时，由于有限的刚性形变和产生的焦耳热的梯度变化所带来的动态不平衡；各转镜镜面的不平度误差。

实验目的：掌握转镜激光扫描和f –θ透镜原理，验证转镜激光扫描和f –θ透镜原理。

实验仪器：He-Ne激光器、He-Ne激光电源

氦—氖激光器

He-Ne激光器的基本组成是放电管、电极和谐振腔。

He-Ne激光器是目前应用最广泛的气体激光器，主要产生632.8nm的激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性。

对管长350毫米的管子,电流为5毫安左右，输出功率2毫瓦左右。

He-Ne激光的放电管由毛细管和贮气管构成。放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。贮气管与毛细管相连，并且毛细管的一端有隔板，这是为了使放电只限于毛细管，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量，延长器件寿命。普通的He-Ne激光器的放电管一般用GG17硬质玻璃制成，对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热胀系数更小的石英玻璃制作。

光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹镜形式，平面镜为输出镜。毛细管长度约15～20cm的He-Ne激光器的输出镜的反射率98.5％～99.5％。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。凹面镜为全反镜，要求反射率接近100%。

管内主要按5：1～10：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约200～400Pa。

He-Ne激光器结构分为三部分：既放电管、谐振腔和激发的电源。

He-Ne激光器的放电电极多采用冷阴极形式，冷阴极材料多用溅射率小和电子发射率高的铝或铝合金。为了增加电子发射面积和减低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸，阳极一般用钨针制成。

连续工作的He-Ne激光器多采用支流放电激励的方式，起辉电压和工作电压