光電測試技術激光測試技術

1、光電測試(csh)技術 哈爾濱工業(yè)大學第4章 激光(jgung)測試技術 共七十四頁引 言 自從1960年由Maiman研制成功世界上第一臺紅寶石固體激光器以來，激光技術發(fā)展(fzhn)極為迅速，并帶動一大批相關學科和技術的發(fā)展，其應用遍布幾乎所有的領域，如信息、醫(yī)學、工農業(yè)和軍事技術等各個部門，是具有里程碑意義的重要技術成就。激光技術的廣泛應用使之成為力學、物理、化學、材料科學、光電子以及醫(yī)學工程之間的一門交叉學科。激光是一種高亮度的定向能束，單色性好，發(fā)散角很小，具有優(yōu)異的相干性，既是光電測試技術中的最佳光源，也是許多測試技術的基準。7/15/20222共七十四頁4-1 激光(jgung)

2、概述1.1 激光的基本性質激光的方向性描述方法：發(fā)散角：光源發(fā)光面所發(fā)出光線中，兩光線之間的最大角，一般(ybn)用2表示，單位為rad。立體角：球冠曲面S對光源O所張的空間角，單位為sr，可用下式描述整個球面對球心所張的立體 角是4(sr)。O2(a)O2(b)RS光束的發(fā)散角a）和立體角b）7/15/20223共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.1 激光的基本性質激光的方向性激光器的發(fā)散角接近該激光器的出射孔徑所決定(judng)的衍射極限?？梢员硎緸槔簩つ始す馄?，若=0.63m，d = 3mm，則光束發(fā)散角為2210-4rad。 當發(fā)散角較小時，發(fā)散角和立體角的關系可簡化為

3、常用激光器的光束方向性能：氣體激光器方向性最好，其發(fā)散角約為10-310-6rad；固體激光器的方向性較差，一般為10-2rad量級。半導體激光器的方向性最差，一般在（510）10-2rad，且兩個方向的發(fā)散角不一樣。7/15/20224共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光(jgung)的基本性質激光的高亮度定義：亮度為單位面積的光源在單位時間內向著其法線方向上的單位立體角范圍內輻射的能量，可表示為亮度的單位是W/m2 sr；輻射出射能量光束出射立體角光源表面積一般激光器的發(fā)光立體角大約為10-6sr，其發(fā)光亮度比普通光源大百萬倍。正是由于激光能量在空間和時間上的高度集中，才

4、使得激光具有普通光源所達不到的高亮度。激光的亮度水平：一個普通的調Q紅寶石激光器發(fā)射的激光，其脈沖功率很容易達到106W的水平，其亮度是太陽的1010倍。目前的超短脈沖激光器能產生短至4.6fs的超短脈沖，光功率密度可高達1020W/cm2，其亮度就更高了。7/15/20225共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光的基本性質激光的單色性單色性是指光強按頻率（波長）的分布狀況。描述(mio sh)方法：用頻譜或波長分布的寬度（線寬）來描述(mio sh)激光的單色性能：單模穩(wěn)頻He-Ne激光器，其發(fā)出的譜線的線寬與波長的比值可達 。普通光源中，單色性最好的同位素86Kr放電燈在低

5、溫下發(fā)出波長0.6057m的光， 7/15/20226共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光的基本性質激光的時間相干性概念：激光的時間相干性指在一空間點上，由同一光源分割出來的兩光波之間位相差與時間無關的性質，即光波的時間延續(xù)性?？梢岳斫鉃?，同一光源發(fā)出的兩列光波經不同的路徑，在相隔一定時間c后在空間某點會合(huh)，尚能發(fā)生干涉，c稱為相干時間。概念：在邁克爾遜干涉儀中，當兩光路光程差小于光振動波列本身的長度L時，在觀察點P處還有一部分干涉，可看到干涉條紋。當光程差大于振動波列本身的長度L時，兩列波完全不相干，則看不到干涉條紋。我們把兩波列間允許的最大光程差稱為光源的相干長

6、度，記作Lc，它等于光振動的波列本身的長度。激光器M2M1P 121 2邁克爾遜干涉儀7/15/20227共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光的基本性質(xngzh)激光的時間相干性經過簡單推導有下式成立：結論：光譜線寬度和越窄，光的相干長度Lc和相干時間c越長，光的時間相干性越好。所以激光的時間相干性比普通光源所發(fā)出的光好得多。 例如，用86Kr燈作光源的干涉儀，理論上其相干長度Lc=77cm，這與非受激發(fā)射的普通光源相比已是最長的了；但利用穩(wěn)頻He-Ne激光器（0.6328m）作光源，若其頻率穩(wěn)定度為10-11，干涉儀的相干長度可達幾千公里。7/15/20228共七十四頁

7、4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光的基本性質激光的空間(kngjin)相干性概念：空間相干性是指同一時間，由空間不同點發(fā)出的光波的相干性。如果用單模激光器作光源，由于這種激光光束在其截面不同點上有確定的位相關系，因此可產生干涉條紋，即單模激光光束的空間相干性很好。例如：尺寸為100m的矩形汞弧燈光源，當針孔屏距光源500mm放置時，橫向相干長度大約為.25mm，而激光器的橫向相干長度可達100mm以上。7/15/20229共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.1 激光的基本性質激光的縱模與橫模1）激光的縱模光波是一種電磁波，每種光都是具有一定頻率的電磁振蕩。當諧振腔的光學長度等

8、于半波長的整數倍的那些(nxi)光波，將形成穩(wěn)定的振蕩，因為這些光波在多次反射中相位完全相同而得到最有效的加強。諧振條件：所以原則上諧振腔內有無限多個諧振頻率。每一種諧振頻率的振蕩代表一種振蕩方式，稱為一個“模式”。對于上述沿軸向傳播的振動，稱為“軸向模式”，或簡稱為“縱?！?。 結論：縱模的頻率間隔與諧振腔的光學長度成反比，與縱模的模序數q無關，在頻譜上呈現(xiàn)為等間隔的分立譜線，稱之為諧振頻率。只有那些落在增益曲線范圍內，并且增益大于損耗的那些頻率才能形成激光。其他頻率的光波都不能形成激光振蕩。在這里諧振腔起了一種頻率選擇器的作用，正是由于這種作用，才使激光具有良好的單色性。l諧振腔中的駐波c/

9、2nl閾值a)b)縱模的頻譜分布及增益特性7/15/202210共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1. 1 激光的基本性質激光的縱模與橫模2）激光的橫模激光光束的截面形狀除對稱(duchn)的圓形光斑以外，還會出現(xiàn)一些形狀較為復雜的光斑，如圖所示。激光的縱模對應于諧振腔中縱向不同的穩(wěn)定的光場分布。光場在橫向不同的穩(wěn)定分布，通常稱為不同的橫模。激光的各種橫模 a) TEM00 b) TEM10 c) TEM13 d) TEM11 e) TEM00 f) TEM03 g) TEM10 軸對稱旋轉對稱在實際應用中，希望激光的橫向光強分布越均勻越好，而不希望出現(xiàn)高階模。 7/15/202211共

10、七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的描述由凹面鏡構成的穩(wěn)定諧振腔產生的激光束既不是均勻平面光波，也不是均勻球面光波，而是一種結構(jigu)比較特殊的高斯光束，如圖所示。xzy0(z)高斯光束7/15/202212共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的描述(mio sh)沿z軸方向傳播的高斯光束的電矢量表達式為光束在縱軸上(x = y = 0)z點的電矢量振幅 光束在z處垂直于縱軸橫截面內的振幅 波數K2/（z）稱為z點的光斑尺寸，它是z的函數，即0是z = 0處的光斑尺寸，它是高斯光束的一個特征參量，稱為光束的“束腰”； R(z)是在z

11、處波陣面的曲率半徑，它也是z的函數 是與z有關的位相因子 7/15/202213共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的特性1）z = 0的情況將z = 0代入電矢量表達式，得出z = 0處的電矢量表達式為特點：與x, y有關的位相部分消失，即z = 0的平面是等相面，它與平面波的波陣面一樣； 振幅部分是一指數表達式，這種指數函數叫高斯函數，通常稱振幅的這種分布(fnb)為高斯分布光斑中心最亮，向外逐漸減弱，但無清晰的輪廓。通常以電矢量振幅下降到中心值1/e（光強為中心值的1/e2）處的光斑半徑作為光斑大小的量度，稱為束腰。注意：高斯光束在z = 0處的波陣面是一平面

12、，這一點與平面波相同，但其光強分布是一種特殊的高斯分布，這一點不同于平面波。也正是由于這一差別，決定了它沿z方向傳播時不再保持平面波的特性，而以高斯球面波的特殊形式傳播。7/15/202214共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的特性(txng)2）z = z0 0的情況當z = z0 0時，電矢量E的表達式為上式的相位部分表示高斯光束在z = z00處的波陣面是一球面，其曲率半徑為R（z0） ，由定義式知 即波陣面的曲率半徑R（z0）大于z0，且R隨z而異，即作為波陣面的球面的曲率中心不在原點，而且隨中心不斷變化，如圖所示。高斯光束電矢量分布z(z1)R(z1)(

13、z2)R(z2)7/15/202215共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯(o s)光束高斯光束的特性2）z = z0 0的情況電矢量E的振幅值與z = 0處相仿，但仍中心最強，同時按高斯函數形式向外逐漸減弱，此時光斑尺寸為從上式可知，在z = 0處的光斑尺寸最小，該點的光斑尺寸0為束腰，而(z)隨z增大，表示光束逐漸發(fā)散。 高斯光束電矢量分布z(z1)R(z1)(z2)R(z2)7/15/202216共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的特性(txng)2）z = z0 0的情況通常以2來描述光束的發(fā)散角，其表達式為當z = 0時，20 ；當 時，

14、 ；當z時， 遠場發(fā)散角通常稱z = 0到 的范圍為準直距離，在此區(qū)間發(fā)散角最小。 7/15/202217共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.2 高斯光束高斯光束的特性3）zz0的情況與zz0相似，它的振幅分布在zz0處完全一樣，只是 R（z0）R（z0），在z0處是一個沿z方向(fngxing)傳播的發(fā)散球面波，而在z0處，則是沿z方向傳播的會聚球面波，兩者曲率半徑的絕對值相等。小結：高斯光束在zf 時，有7/15/202223共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類(fn li)和特點氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸汽為工作物質的激光器。氣體激光器可分為三大類：

15、原子（如He-Ne）、分子（如CO2）和離子（如Ar+）氣體激光器。氣體激光器的特點是：譜線的波長分布區(qū)域寬，已觀察到的上萬條譜線，覆蓋了從紫外到紅外光譜區(qū)，目前已向兩端擴展到X射線波段和毫米波波段。其激光器輸出光束的質量相當高，具有良好的單色性和發(fā)散度。目前是連續(xù)輸出功率最大的激光器，如CO2激光器連續(xù)輸出量級已達數十萬瓦。與其它激光器相比，轉換效率高，結構簡單，造價低廉。被廣泛應用于工農業(yè)、國防、醫(yī)學和其它科研領域中。7/15/202224共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點固體激光器固體激光器是以固體作為激光工作物質的激光器。類型：目前(mqin)，實現(xiàn)激光

16、振蕩的固體工作物質已達百余種，如紅寶石（Cr3+:Al2O3）、摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）、釹玻璃和摻鈦藍寶石（Ti3+:Al2O3）等。特點：激光譜線數千條。脈沖激光能量從幾千焦耳到幾十萬焦耳，最高峰值功率達1013瓦。隨著中小功率固體激光器技術的發(fā)展，與之有關光學元件也相應地得到發(fā)展，其中包括電光Q開關、聲光Q開關、調制器、寬帶調諧、倍頻以及鎖模技術等裝置均已成熟，已形成產品系列。結構緊湊、堅固可靠和使用方便等。1960年由梅曼(Maiman)制成世界上第一臺紅寶石脈沖激光器，它標志了激光技術的誕生，從此固體激光器技術獲得了飛速發(fā)展。7/15/202225共七十四頁4-1 激光(j

17、gung)概述1.3 激光器的分類和特點半導體激光器半導體激光器是指以半導體材料為工作物質的一類激光器。半導體激光器主要(zhyo)特點有：（1）超小型、重量輕，激活面積為0.50.5mm2；（2）效率高、微分量子效率大于50，能量轉換效率大于30；（3）發(fā)射的激光波長范圍寬，通常譜寬在0.530m之間；（4）使用壽命長，可達百萬小時以上，即使在60的環(huán)境溫度下工作，壽命也可達20萬小時以上；（5）普通的半導體激光器的發(fā)射功率在1100mW，但目前大功率半導體激光器的發(fā)展極為迅速，一維相干的大功率半導體激光器連續(xù)輸出已達500mW，二維相干列陣器件的輸出功率達1W。部分相干的半導體激光器的最大

18、輸出達80W，準連續(xù)輸出為300W，脈沖輸出達1000W以上。7/15/202226共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點半導體激光器半導體激光器的材料主要集中為三大類材料：III族化合物半導體，如GaAs；-族化合物半導體，如CdS；族化合物半導體，如PbSnTe。其中III族化合物半導體材料研制開發(fā)最成熟，應用也最廣泛(gungfn)。目前，半導體激光器已成為激光器家族中最主要的成員之一，是光通信領域中發(fā)展最快和最為重要的光纖通信的光源，并在激光電視唱片、光盤、激光高速印刷術、全息照相、文字記錄、數碼顯示、辦公自動化、激光準直、激光防盜及醫(yī)療等方面開發(fā)了應用。半

19、導體激光器是光信息處理、光儲存和光計算機等新領域的主要角色。7/15/202227共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點液體激光器液體激光器有兩類，即有機化合物（染料）液體激光器和無機化合物液體激光器。染料激光器輸出的激光波長可以在從紫外(340nm)到近紅外(1200nm)的范圍內連續(xù)調諧；激光譜線寬度很窄，目前染料激光器產生的超短光脈沖的時間寬度已壓縮到幾納秒，利用鎖模技術還可以獲得從皮秒（10-12s）到飛秒（10-15s）量級的激光脈沖；染料激光器每個脈沖的能量可達數十焦耳(jio r)量級，峰值功率達幾百兆瓦；激光能量轉換效率高達50；已在光化學、光生物學

20、、光譜學、全息照相、光通信、同位素分離、激光醫(yī)學、大氣和電離層光化學等方面獲得日益廣泛的應用。7/15/202228共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點化學激光器化學激光器是指基于化學反應建立粒子數反轉而產生受激輻射的一類激光器?；瘜W激光器的工作物質可以是氣體或液體，但大多數是氣體，由于化學激光器在激勵方式等方面的獨特性，通常將其歸為一個單獨(dnd)的激光器分支。特點是：1）將化學能直接轉換為激光；2）輸出的激光波長豐富，從紫外到紅外，一直進入微米波段；3）高功率、高能量激光輸出，如氟化氫激光器，每公斤氫和氟作用就能產生1.3107焦耳的能量；4)化學激光器在許

21、多領域中具有廣闊的應用前景，特別是要求大功率的場合，如同位素分離、激光武器等方面，利用氟化氘(DF)激光器擊落靶機已見報道。7/15/202229共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點自由電子激光器自由電子激光器是最近發(fā)展起來的一種新型激光器。其工作物質是自由電子束。自由電子激光器具有顯著的特點：1)輸出的激光波長可在相當寬的范圍內連續(xù)調諧，原則上可以從厘米波一直調諧到真空紫外，甚至x光的波段，在目前電子加速器可利用的能量范圍內，已實現(xiàn)的調諧范圍是100nm1mm；2)由于自由電子激光器的工作物質是電子束本身，因而不會出現(xiàn)自聚焦、自擊穿等非線性光學損傷(snshng

22、)現(xiàn)象，只要電子能量足夠大，就可以獲得極高的光功率輸出；3)具有極高的能量轉換效率，理論上可高達50，目前實驗中已做到10。目前，自由電子激光器仍處于試驗階段，離實際應用尚有相當一段距離。它和普通激光器的根本區(qū)別在于：輻射不是基于原子、分子或離子的束縛電子能級間的躍遷。本質上看，自由電子激光器是一種把相對論電子束的動能轉變成相干輻射能的裝置。7/15/202230共七十四頁4-1 激光(jgung)概述1.3 激光器的分類和特點其它激光器除了上面介紹的激光器外，還有很多其它類型的激光器，并且(bngqi)各有自己獨特特點，如：1）x射線激光器2）受激喇曼散射激光器3）薄膜激光器4）自電離激光器

23、和離解激光器5）光纖激光器等7/15/202231共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.1 激光束的壓縮技術在普通應用中，可以把激光束看成平面波，直接作為直線性測量的基準。但是(dnsh)在高準確度應用中，必須考慮激光束的波面既非平面波也不是球面波，而是高斯光束，其發(fā)散的形式與球面波是不一樣的。所謂激光束的壓縮，即要壓縮光束的發(fā)散角，改善激光束的方向性。用倒置望遠鏡壓縮激光束高斯光束發(fā)散角的壓縮2L11R3220210L234f1f2當透鏡L1為短焦距的薄透鏡時 同樣，就透鏡L2而言所以7/15/202232共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.1 激光束的壓縮技術

24、用倒置(dozh)望遠鏡壓縮激光束而在透鏡L2處入射光束的曲率半徑為R3，R3f2。則由此可見，高斯光束經過一個倒置望遠鏡系統(tǒng)后，從透鏡L2出射光束的曲率半徑為無窮大，即出射光在透鏡L2處為一平面波，出射光的束腰位于透鏡L2處，其尺寸為7/15/202233共七十四頁4-2 激光準直(zhn zh)技術及應用2.1 激光束的壓縮技術用倒置望遠鏡壓縮激光束所以(suy)，出射光的發(fā)散角為而入射光的發(fā)散角為此時發(fā)散角的壓縮比7/15/202234共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.1 激光束的壓縮技術零階貝賽爾(Bessel)光束高斯(o s)光束經過任何線性光學系統(tǒng)的變換仍然是高斯

25、(o s)光束，隨著光束的傳播，高斯(o s)光束截面上光強迅速衰減。但是當光源用激光器，經過特殊的會聚元件而形成的零階貝塞爾光束的光強幾乎不隨傳播距離而衰減，是一條亮而細的光束。零階貝塞爾光束是波動方程在無界空間的一個特解，其形式為：復電場強度 J0(r)是自變量為r的零階貝塞爾函數，光束由此而得名；k為波數 光束沿z軸方向傳播 由該式可知，這是一個在垂直于傳播方向z的橫截面上具有相同光強分布J0(r)的光束，即光強分布不隨z而變，因而具有無發(fā)散傳輸的性質。必須指出，在有界空間中，零階貝塞爾光束是波動方程的一個近似解，即在某一傳輸距離內延緩光束的衍射發(fā)散，使橫截面上的光強分布近似不變。7/1

26、5/202235共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.1 激光束的壓縮技術(jsh)零階貝賽爾(Bessel)光束dfZmax實現(xiàn)零階貝塞爾光束的實驗裝置 I（規(guī)化強度）1.00.5 0-1 1r/mmzZmaxz=100mmz=1000mm光束傳輸中的光強分布7/15/202236共七十四頁4-2 激光準直(zhn zh)技術及應用2.1 激光束的壓縮技術產生超細光束的新光源1989年美國密執(zhí)安大學的科研人員研制出一種可產生超細光束的技術，其光束的直徑可以小至1nm。這項技術，包括在一支內徑僅100nm或更小的微小滴管的尖頭內，生長一顆分子態(tài)晶體，通過用激光或其它手段對這顆晶

27、體進行激發(fā)，光以分子態(tài)激子形式經晶體傳播，并激發(fā)晶體，在滴管尖端產生細光束。使用不同晶體可產生不同波長的光。這種新裝置是一種可產生極細光束的主動光源，而不是以某種形式將光壓縮變窄、被動限制(xinzh)地產生細光束，并且由于晶體可以放大信號，因此其亮度要大得多。這項技術最重要的特點是它能實現(xiàn)對極小區(qū)域成像（分子成像），預示著它將有重要應用。7/15/202237共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.2 激光準直測試技術激光自準直技術激光束的自準直技術是指能實現(xiàn)反射波面與入射波面完全重合的技術。1）平面鏡反射的自準直激光束經倒置望遠鏡后射出，經平面鏡反射回來，射在距平面鏡一定(ydn

28、g)距離的四象限平面光電接收器或面陣CCD上，垂直光束移動光電接收器，確定了激光斑的位置；若平面鏡有小量傾斜，則反射光束的偏角為平面鏡傾角的兩倍，再移動光電接收器，又一次確定了激光斑中心的位置后，由其移動距離和平面鏡到光電接收器的距離，即可求出平面鏡的傾角。7/15/202238共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.2 激光準直測試技術激光自準直技術2）相位共軛技術實現(xiàn)自準直若光波入射到相位共軛鏡上，不論是否垂直入射，都按原路反射回去(hu q)，而且發(fā)散光變成了會聚光，產生的會聚光波稱為相位共軛波。相位共軛光束的任意兩點間的相位差與原入射光束相同兩點之間的相位差大小相等符號相反。

29、改變相位符號的數學運算稱為共軛，故稱該現(xiàn)象為相位共軛。產生方法：受激布里淵（Brillouin）散射四波混頻一束高強度、高方向性的光束進入光學非線性材料時，只要光束功率大于某一閾值，光束就幾乎全部向后反射回來，后向反射光的出現(xiàn)就是產生布里淵散射的結果。物光束相位共軛光束介質參考光束參考光束四波混頻相位共軛原理圖7/15/202239共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.2 激光準直測試技術激光準直技術現(xiàn)有的激光準直儀按照工作原理可以分為振幅測量法、干涉測量法和偏振測量法等。1）振幅（光強）測量法原理：振幅測量型準直儀以激光束的強度中心作為直線基準(jzhn)，在需要準直的點上用

30、光電探測器接收。探測器輸出對中和偏心信號。這種方法比用人眼通過望遠鏡瞄準方便，瞄準的不確定度上也有一定的提高，但其準直度受到激光束漂移、光束截面上強度分布不對稱、探測器靈敏度不對稱，以及空氣擾動造成的光斑跳動等的影響。7/15/202240共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.2 激光(jgung)準直測試技術激光準直技術1）振幅（光強）測量法提高激光準直儀的對準準確度的方法有：菲涅爾波帶片法位相板法雙光束準直法當激光束通過望遠系統(tǒng)后，均勻地照射在方形波帶片上，并使其充滿整個波帶片，則在光軸的某一位置出現(xiàn)一個很細的十字亮線。調節(jié)望遠系統(tǒng)的焦距，則十字亮線就會出現(xiàn)在光軸的不同位置

31、上，這些十字亮線中心點的連線為一直線，這條線可作為基準來進行準直測量。由于十字亮線是干涉的效果，所以具有良好的抗干擾性。同時，還可克服光強分布不對稱的影響。在激光束中放一塊二維對稱位相板，它由四塊扇形涂層組成，相鄰涂層光程差為/2（即位相差）。在位相板后面的光束任何截面上都出現(xiàn)暗十字條紋。暗十字線的中心連線是一條直線，利用這條直線作基準可直接進行準直測量。若在暗十字中心處插一方孔PA，在孔后的屏幕PB上可觀察到一定的衍射分布。假若方孔中心與光軸有偏移，那么在PB上的衍射圖像就不對稱。這些亮點強度的不對稱隨著孔的偏移而增加。因此，這個偏移的大小和方向可以通過測量PB上的四個亮點的強度來獲得。 激

32、光器位相板方孔PA屏幕PB1432位相板法激光準直測量原理該準直法使用一個復合棱鏡將光束分為兩束，當激光器的出射光束漂移時，經過棱鏡以后的兩個光束的漂移方向相反，采用兩光束的平分線作為準直基準可以克服激光器的漂移和部分空氣擾動影響。7/15/202241共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.2 激光準直測試(csh)技術激光準直技術2）干涉測量法干涉測量法是在以激光束作為直線基準的基礎上，又以光的干涉原理進行讀數來進行直線度測量的。He-Ne激光器 擴束系統(tǒng) 分光鏡 光柵 石英晶片 雙面反射鏡 光電探測器 偏振分光鏡 滑板 拖板+1,-1+1+1,0（+1,+1）（-1，-1）

33、-1,+1-1,0-1(測量范圍0.1-8m，不確定度0.3m/m)光柵衍射干涉法測量直線度原理圖7/15/202242共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.2 激光(jgung)準直測試技術提高測試準確度的技術措施激光準直儀大多采用單模（TEM00）輸出的He-Ne激光器，其功率約為12mW，波長為0.6328m。由于諧振腔反射鏡支架的變形、激光器的發(fā)熱（一般可達6070）以及周圍環(huán)境溫度的變化引起激光器毛細管彎曲或諧振腔變形，都可能引起光束方向的漂移。減小激光器輸出光束的漂移，可以采取以下幾種措施:1）熱穩(wěn)定裝置2）光束補償裝置3）在激光管周圍對稱地放置自動溫控加熱器減小空

34、氣擾動的影響比較復雜（機械、光學方法）前蘇聯(lián)的直線度和平面度國家基準采用實時補償技術，直線基準的均方差=0.006m/m。 7/15/202243共七十四頁4-2 激光準直(zhn zh)技術及應用2.3 激光準直測試技術的應用大尺寸(ch cun)設備的裝配和制造的準直激光頭透明靶（PSD）端靶(PSD或反射鏡)激光二極管微型柱面鏡準直系統(tǒng)濾波針孔自準直探測器 光阱輸出窗波音777客機裝配用激光準直系統(tǒng)測量水平：如機翼長度約61m，其所有部件，如機翼前緣的對準標準不確定度小于0.13mm，整個機翼裝配合成標準不確定度為0.76mm?？梢砸?.025mm的不確定度探測激光束的位置。 7/15/

35、202244共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.3 激光(jgung)準直測試技術的應用直線度的測試激光頭光電靶標機床床身測量機床床身直線度的激光準直系統(tǒng) 7/15/202245共七十四頁4-2 激光(jgung)準直技術及應用2.3 激光準直測試技術(jsh)的應用多自由度準直測量PSD激光器角錐棱鏡機床五維激光準直測量系統(tǒng)美國Michigan University 0.5m范圍內的測試分辨力：線位移為2m，角位移0.05，但滾轉角分辨力較低。 7/15/202246共七十四頁4-2 激光準直技術(jsh)及應用2.3 激光(jgung)準直測試技術的應用多自由度準直測量PSD

36、激光器光電探測器六自由度激光測量系統(tǒng)日本Nihon University和Sophia University 7/15/202247共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術1842年奧地利科學家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任何(rnh)形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質或散射體的運動會使頻率發(fā)生變化多普勒效應。1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實了可用激光多普勒頻移技術來確定粒子流動速度。目前，激光多普勒頻移技術已廣泛地應用到流體力學、空氣動力學、燃燒學、生物醫(yī)學以及工業(yè)生產中的速度測量。7/15/202248共七十四頁4-3 激光(jgung

37、)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應(xioyng)當波源與觀測者之間有相對運動時，觀測者所接收到的頻率不等于波源振動頻率，此現(xiàn)象稱為多普勒效應。多普勒在其聲學理論中指出，在聲源、介質、觀測者存在相對運動時，觀測者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學多普勒效應。愛因斯坦在論物體的電動力學中指出，當光源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應。聲學多普勒效應與波源及觀測者相對于介質運動有關，光學多普勒效應只與光源和觀測者之間的相對運動有關，因此，聲學（機械波）和光學（電磁波）的多普勒效應有本質區(qū)別。7/15/202

38、249共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應1）聲多普勒效應原理聲波是依賴于介質傳播的，離開介質就談不上波的存在。設聲源(shn yun)的頻率為 f，聲波在媒質中的速度為v，波長=v/f聲源不動，觀測者相對于媒質以速度v1運動設聲源相對于介質靜止，觀測者迎向聲源運動，則聲波相對于觀測者的速度不再是v，而是v+v1，則觀測者接收到聲波的頻率為同理，觀測者背離聲源有7/15/202250共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應1）聲多普勒效應原理聲源相對于媒質以速度v2運動，觀測者靜

39、止于媒質中設聲源S相對于媒質以速度v2迎著觀測者D運動。波源在運動過程中按照自己的頻率振動，一個周期內完成一次全振動，在媒質中產生(chnshng)一個完整波形；同時在T內，波源前進了v2T距離，波長變?yōu)镾1S2v2Dv2T聲源向靜止觀察者運動的多普勒效應示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測者運動有7/15/202251共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎(jch)1. 多普勒效應1）聲多普勒效應原理聲源和觀測者相對于媒質運動，速度分別為v2和v1綜合上述情況，可以得到：觀測者向著聲源運動時，取正號；反之取負號聲源向著觀測者運動時，取負號；反之取正號總

40、之當聲源和觀測者相向運動時，接收頻率升高；當聲源和觀測者背離運動時，接收頻率降低；強調：聲學只有縱向多普勒效應，沒有橫向多普勒效應7/15/202252共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應2）光多普勒效應原理對于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，所以，光源和觀測者誰相對于誰運動(yndng)是等價的，只取決于相對速度的大小。如圖示。yDOK 系K 系O xxys1s2r1r2v光多普勒效應示意圖K系中靜止的光源從K系的t1時刻開始發(fā)出一列光波，這個波列的發(fā)射截止時間為t2，于是在K系中此波列發(fā)射的時間為（t2 t1 ），在這段時

41、間內發(fā)射的波數為N，光源的頻率為7/15/202253共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應2）光多普勒效應原理在觀測者所在坐標系K中來看，此波列發(fā)射始于t1時刻（光源在S1處），接收(jishu)這個波列的時刻是yDOK 系K 系O xxys1s2r1r2v光多普勒效應示意圖在觀測者所在坐標系K中來看，此波列發(fā)射截止于t2時刻（光源在S2處）。t2時刻光源發(fā)出的光波傳到觀測者的時刻為設 很小， 變化很小，則有7/15/202254共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術(jsh)基礎1. 多普勒效應

42、2）光多普勒效應原理觀測者D收到這N個波共需時7/15/202255共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術(jsh)基礎1. 多普勒效應2）光多普勒效應原理觀測者接收光波的頻率為根據時間相對性這就是光學多普勒效應公式7/15/202256共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎1. 多普勒效應(xioyng)2）光多普勒效應原理若相對運動發(fā)生在觀測者和光源連線上，則cos1（遠離時取1，接近時取1）：縱向多普勒效應若相對運動發(fā)生在觀測者和光源連線的垂直方向上，則cos0橫向多普勒效應同樣的v值下，橫向多普勒效應比縱向

43、多普勒效應要小很多。7/15/202257共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎2. 激光多普勒測速原理(yunl)1）多普勒測速原理如圖。由于v/c非常小，只取級數展開的前兩項，即 考慮流體中的速度為c/n，將v換成縱向分量激光多普勒測速原理圖L12vQDSR2vcos2RQ1SQvcos17/15/202258共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光(jgung)多普勒測速技術基礎2. 激光多普勒測速原理1）多普勒測速原理探測器接收到的兩束光頻率之差為（忽略橫向效應）因 ，若 則得于是，流速為測量出探測器上的拍頻信號，就可以得

44、到f，也就可以得到v7/15/202259共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎2. 激光多普勒測速原理2）頻移信號的檢測(jin c)光混頻技術（外差干涉）：7/15/202260共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.1 激光多普勒測速技術基礎2. 激光多普勒測速原理(yunl)2）頻移信號的檢測 方式（零差、外差）：若入射至物體前，兩束光頻率相同，稱為零差干涉。因為當物體運動速度為零時，f1 = f2= f0，輸出信號為直流；若入射至物體前兩束光頻率不等，相差fm，則即使物體運動速度為零，兩束光混頻后輸出的信號頻率仍為fm，成為交流

45、信號。前者當物體運動時，多普勒信號可以看成是載在零頻上，稱為零差；后者是載在一個固定的頻率fm上，稱為外差。由上述公式可見，零差不能判斷物體運動的方向，換言之，零差對兩個運動速率相同，方向相反的運動會給出相同的測量結果；而外差則可以區(qū)分這一差異，同時可利用與無線電外差技術相同的手段抑制噪聲，從而提高信噪比。一般的裝置都采用外差的方法。7/15/202261共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術3.2 激光多普勒測速技術應用1. 管道內水流(shuli)的測量Q管道水流多普勒測速原理示意圖=1412 v 16mm 探測器 數據處理7/15/202262共七十四頁4-3 激光(jgun

46、g)多普勒測速技術3.2 激光多普勒測速技術應用(yngyng)2血液流速測量 流體探測器 顯微物鏡觀察目鏡激光器激光多普勒顯微鏡7/15/202263共七十四頁4-4 激光測距技術(jsh)利用激光進行遠距離（幾千米）測量的技術，通常(tngchng)有激光相位測距和脈沖激光測距兩種。4.1 激光相位測距1激光相位測距原理相位測距是通過對光的強度進行調制來實現(xiàn)的。光波從A點傳播到B點的相移可表示為若光從A點傳到B點所用時間為t，則A、B兩點之間的距離 L2相位的調制波形AB7/15/202264共七十四頁4-4 激光測距技術(jsh)4.1 激光相位測距1激光相位測距原理只要測出光波相移中周

47、期2的整數m和余數m，便可由公式求出被測距離L。所以，調制光波的波長是相位測距的一把“光尺”。實際上，用一臺測距儀直接測量A和B兩點光波傳播的相移是不可能的。因此，采用在B點設置一個反射器（即測量靶標），使從測距儀發(fā)出(fch)的光波經靶標反射再返回到測距儀，由測距儀的測相系統(tǒng)對光波往返一次的相位變化進行測量。 LALAB傳播2L后的光波相位7/15/202265共七十四頁4-4 激光測距技術(jsh)4.1 激光相位測距1激光相位測距原理相位測量技術只能測量出不足2的相位尾數，即只能確定余數m ，而不能確定相位的整周期數m。因此當被測距離L大于Ls 時，用一把光尺是無法(wf)測定距離的。為能實現(xiàn)長距高準確度測量可同時使用Ls不同的幾把光尺。最短的尺用于保證必要的測距準確度，最長的尺用于保證測距儀的量程。目前，采用的測距技術主要有直接測尺頻率和間接測尺頻率兩種。 7/15/202266共七十四頁4-4 激光測距技術(jsh)4.1 激光相位測距2激光相位測距技術1）直接測尺頻率由測尺量度Ls可得光尺的調制頻率這種方法所選的測尺頻率fs直接和測尺長度Ls相對應，即測尺長度直接由測尺頻率決定。若測距儀測程為100km，要求精確到0.01m。如相位測量系統(tǒng)測量不確定度為1，則需要(xyo)三把光尺，即Ls1 =105m，Ls2 =103m，Ls3=10m，相應光調制頻率分別為fs1