激光在精密測量中的應用

激光在精密測量中的應用1第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日6.5激光多普勒測速激光多普勒測速的原理：用一束單色激光照射到隨流體一起運動的微粒上，測出其散射光相對于入射光的頻率偏移，即所謂的多普勒頻移，進而確定流體的速度。2第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日運動微粒上接收到的光源入射光的頻率如圖6-30所示，靜止光源O發(fā)出一束頻率為的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運動(速度為)的微粒Q上，微粒Q接收到的光的頻率是圖6-30頻率為的單色光入射到速度為的微粒Q3第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率

如圖6-31所示，因此在S處接收到的散射光的頻率應為常采用差頻法測量多普勒頻移。即將入射光與散射光混頻，兩

束光“混頻”產生的拍頻信號的

頻率就是多普勒頻移。圖6-31S處接收到的微粒Q散射光的頻率4第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日差頻法測速可分為兩類：參考光束型多普勒測速：檢測散射光和入射光之間的頻移（多普勒頻移）；雙散射光束型多普勒測速：檢測兩束散射光之間的頻差（多普勒頻差）。5第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日參考光束型多普勒測速圖6-32所示為參考光束型測速方法的光路的原理圖設和分別表示參考光和散射光的電矢量的瞬時值則合成光強I應正比于合成電矢量的模平方，由四項組成6第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日參考光束型多普勒測速(續(xù))光電倍增管實際感受到的合成光強可表示為光電倍增管輸出的光電流正比于它接收到的光強，用復指數函數的實部表達它的規(guī)律為多普勒頻移為如圖6-32可得若入射光在真空中的波長為i，則有7第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日雙散射光束型多普勒測速

雙散射光束型測速方法是通過檢測在同一測量點上的兩束散射光的多普勒頻差來確定被測點處流體的流速的。如圖6-33所示為干涉條紋型。

8第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日血液流速的測量

圖6-34是激光多普勒顯微鏡光路圖9第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日光纖多普勒測速儀原理圖

圖6-35用于血液流速測量的光纖激光多普勒測速儀原理圖10第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日管道內水流的測量

雙散射型測量光路圖6-36測量管道內水流速度分布的激光多普勒測速系統原理圖11第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日環(huán)形激光精密測角Sagnac效應：利用一種環(huán)形干涉儀，當環(huán)形干涉儀轉動時，沿順時針方向傳播和沿逆時針方向傳播產生的光程差，測量該光程差引起的干涉條紋變化，達到測角的目的。圖6-37環(huán)形干涉儀的Sagnac效應二者之差為

12第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日光纖陀螺光纖陀螺也是基于Sagnac效應。以長度為的光纖繞成直徑為的由個圓圈組成的光纖圈，其直徑和圓面積可以分別表示為：光程差則可以表示為提高測角精度的方法：加大直徑、增加圈數。實用的環(huán)形激光測角采用光纖陀螺儀。圖6-39光纖陀螺儀示意圖13第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日第5章典型激光器介紹各種工作物質、運轉方式的激光器不斷出現。按工作波段分類：紅外和遠紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。按運轉方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。按激光器工作物質分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導體激光器。14第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日固體激光器固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質的激光器。常采用的固體工作物質仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋:YAG)等三種。固體激光器的特點：輸出能量大(可達數萬焦耳)，峰值功率高(連續(xù)功率可達數千瓦，脈沖峰值功率可達千兆瓦、幾十太瓦)，結構緊湊，牢固耐用。廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、焊接、劃片、微調、激光測距、雷達、制導、激光視網膜凝結、全息照相、激光存儲、大容量通信等。15第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日Nd3＋:YAG激光器

突出優(yōu)點：閾值低和具有優(yōu)良的熱學性質，這就使得它適于連續(xù)和高重復率工作。Nd3＋:YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固體工作物質，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復率的脈沖器件中，目前應用Nd3＋:YAG的量，遠遠超過其它固體工作物質?？梢哉f，Nd3＋:YAG從出現至今，大量使用，長盛不衰。16第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質的激光器。與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點:輸出光束的質量好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。因此，在工農業(yè)生產、國防和科學研究中，都有廣泛的應用。三種典型氣體激光器：He-Ne激光器：具有結構簡單、使用方便、光束質量好、工作可靠和制造容易等優(yōu)點，至今仍然是應用最廣泛的一種氣體激光器。主要譜線是0.6328m紅光，黃光(0.594m)、綠光(0.543m)和橙光(0.606m、0.612m)17第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日典型氣體激光器(續(xù))二氧化碳(CO2)激光器：是以CO2氣體分子作為工作物質的氣體激光器。其激光波長為10.6m和9.6m。優(yōu)點：它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能量轉換效率高達(2025)％，連續(xù)輸出功率可達萬瓦量級，脈沖輸出能量可達萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。被廣泛用于材料加工、通信、雷達、誘發(fā)化學反應、外科手術等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應，激光分離同位素以及激光武器等。18第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日典型氣體激光器(續(xù))離子(Ar＋)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進行工作的氣體激光器。Ar＋激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，以0.4880m藍光和0.5145m綠光兩條譜線最強。Ar＋激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運轉。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它已廣泛應用于全息照相，信息處理，光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領域。19第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日染料激光器染料激光器受到人們重視的原因是：①輸出激光波長可調諧，某些染料激光波長可調寬度達上百毫微米；②激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒(10－15秒)量級；③染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但價格便宜，同樣的輸出功率，它只是固體激光器的千分之一；④染料激光器工作物質具有均勻性好等優(yōu)良的光學質量。它在光化學、光生物學、光譜學、化學動力學、同位素分離、全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應用

20第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日半導體激光器半導體激光器：以半導體材料作為激光工作物質的激光器。它具有超小型、高效率、結構簡單、價格便宜以及可以高速工作等一系列優(yōu)點。它是目前光通信領域內使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放機、計算機光盤驅動器、激光打印機、全息照相、激光準直、測距、及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應用。21第二十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期日其它激光器

準分子激光器：(如ArF，193nm，用于光刻機)自由電子激光器：工作物質是自由電子束，利用電子加速器。輸出的激光波長可在相當寬