光電測試技術(shù)激光測試技術(shù)

1、光電測試(csh)技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)第4章 激光(jgung)測試技術(shù) 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(shù)發(fā)展(fzhn)極為迅速，并帶動一大批相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用遍布幾乎所有的領(lǐng)域，如信息、醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)和軍事技術(shù)等各個部門，是具有里程碑意義的重要技術(shù)成就。激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用使之成為力學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)、光電子以及醫(yī)學(xué)工程之間的一門交叉學(xué)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(shù)中的最佳光源，也是許多測試技術(shù)的基準(zhǔn)。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(zhì)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(zhì)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(dāng)發(fā)散角較小時，發(fā)散角和立體角的關(guān)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(dǎo)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(zhì)激光的高亮度定義：亮度為單位面積的光源在單位時間內(nèi)向著其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)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(dá)不到的高亮度。激光的亮度水平：一個普通的調(diào)Q紅寶石激光器發(fā)射的激光，其脈沖功率很容易達(dá)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(chǎn)生短至4.6fs的超短脈沖，光功率密度可高達(dá)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(zhì)激光的單色性單色性是指光強(qiáng)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(dá) 。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(zhì)激光的時間相干性概念：激光的時間相干性指在一空間點(diǎn)上，由同一光源分割出來的兩光波之間位相差與時間無關(guān)的性質(zhì)，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(jīng)不同的路徑，在相隔一定時間c后在空間某點(diǎn)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(dāng)兩光路光程差小于光振動波列本身的長度L時，在觀察點(diǎn)P處還有一部分干涉，可看到干涉條紋。當(dāng)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(zhì)(xngzh)激光的時間相干性經(jīng)過簡單推導(dǎo)有下式成立：結(jié)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(dá)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(zhì)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(diǎn)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(diǎn)上有確定的位相關(guān)系，因此可產(chǎn)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(dāng)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(dá)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(zhì)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(dāng)諧振腔的光學(xué)長度等

8、于半波長的整數(shù)倍的那些(nxi)光波，將形成穩(wěn)定的振蕩，因?yàn)檫@些光波在多次反射中相位完全相同而得到最有效的加強(qiáng)。諧振條件：所以原則上諧振腔內(nèi)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“縱模”。 結(jié)論：縱模的頻率間隔與諧振腔的光學(xué)長度成反比，與縱模的模序數(shù)q無關(guān)，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(nèi)，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(zhì)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(fù)雜的光斑，如圖所示。激光的縱模對應(yīng)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(zhuǎn)對稱在實(shí)際應(yīng)用中，希望激光的橫向光強(qiáng)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(gòu)成的穩(wěn)定諧振腔產(chǎn)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(jié)構(gòu)(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(dá)式為光束在縱軸上(x = y = 0)z點(diǎn)的電矢量振幅 光束在z處垂直于縱軸橫截面內(nèi)的振幅 波數(shù)K2/（z）稱為z點(diǎn)的光斑尺寸，它是z的函數(shù)，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(shù) 是與z有關(guān)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(dá)式，得出z = 0處的電矢量表達(dá)式為特點(diǎn)：與x, y有關(guān)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(shù)表達(dá)式，這種指數(shù)函數(shù)叫高斯函數(shù)，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(qiáng)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(diǎn)與平面波相同，但其光強(qiáng)分布是一種特殊的高斯分布，這一點(diǎn)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(dāng)z = z0 0時，電矢量E的表達(dá)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(diǎn)，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(qiáng)，同時按高斯函數(shù)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(diǎn)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(dá)式為當(dāng)z = 0時，20 ；當(dāng) 時，

14、 ；當(dāng)z時， 遠(yuǎn)場發(fā)散角通常稱z = 0到 的范圍為準(zhǔn)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(jié)：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(diǎn)氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸汽為工作物質(zhì)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(diǎn)是：譜線的波長分布區(qū)域?qū)?，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(kuò)展到X射線波段和毫米波波段。其激光器輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)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(dá)數(shù)十萬瓦。與其它激光器相比，轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學(xué)和其它科研領(lǐng)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(diǎn)固體激光器固體激光器是以固體作為激光工作物質(zhì)的激光器。類型：目前(mqin)，實(shí)現(xiàn)激光

16、振蕩的固體工作物質(zhì)已達(dá)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(lán)寶石（Ti3+:Al2O3）等。特點(diǎn)：激光譜線數(shù)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(dá)1013瓦。隨著中小功率固體激光器技術(shù)的發(fā)展，與之有關(guān)光學(xué)元件也相應(yīng)地得到發(fā)展，其中包括電光Q開關(guān)、聲光Q開關(guān)、調(diào)制器、寬帶調(diào)諧、倍頻以及鎖模技術(shù)等裝置均已成熟，已形成產(chǎn)品系列。結(jié)構(gòu)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(biāo)志了激光技術(shù)的誕生，從此固體激光器技術(shù)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(diǎn)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器。半導(dǎo)體激光器主要(zhyo)特點(diǎn)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(zhuǎn)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(dá)百萬小時以上，即使在60的環(huán)境溫度下工作，壽命也可達(dá)20萬小時以上；（5）普通的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率在1100mW，但目前大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展極為迅速，一維相干的大功率半導(dǎo)體激光器連續(xù)輸出已達(dá)500mW，二維相干列陣器件的輸出功率達(dá)1W。部分相干的半導(dǎo)體激光器的最大

18、輸出達(dá)80W，準(zhǔn)連續(xù)輸出為300W，脈沖輸出達(dá)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(diǎn)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的材料主要集中為三大類材料：III族化合物半導(dǎo)體，如GaAs；-族化合物半導(dǎo)體，如CdS；族化合物半導(dǎo)體，如PbSnTe。其中III族化合物半導(dǎo)體材料研制開發(fā)最成熟，應(yīng)用也最廣泛(gungfn)。目前，半導(dǎo)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(lǐng)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(shù)、全息照相、文字記錄、數(shù)碼顯示、辦公自動化、激光準(zhǔn)直、激光防盜及醫(yī)療等方面開發(fā)了應(yīng)用。半

19、導(dǎo)體激光器是光信息處理、光儲存和光計算機(jī)等新領(lǐng)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(diǎn)液體激光器液體激光器有兩類，即有機(jī)化合物（染料）液體激光器和無機(jī)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(nèi)連續(xù)調(diào)諧；激光譜線寬度很窄，目前染料激光器產(chǎn)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(shù)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(dá)數(shù)十焦耳(jio r)量級，峰值功率達(dá)幾百兆瓦；激光能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50；已在光化學(xué)、光生物學(xué)

20、、光譜學(xué)、全息照相、光通信、同位素分離、激光醫(yī)學(xué)、大氣和電離層光化學(xué)等方面獲得日益廣泛的應(yīng)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(diǎn)化學(xué)激光器化學(xué)激光器是指基于化學(xué)反應(yīng)建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生受激輻射的一類激光器。化學(xué)激光器的工作物質(zhì)可以是氣體或液體，但大多數(shù)是氣體，由于化學(xué)激光器在激勵方式等方面的獨(dú)特性，通常將其歸為一個單獨(dú)(dnd)的激光器分支。特點(diǎn)是：1）將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為激光；2）輸出的激光波長豐富，從紫外到紅外，一直進(jìn)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(chǎn)生1.3107焦耳的能量；4)化學(xué)激光器在許

21、多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)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(jī)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(diǎn)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(zhì)是自由電子束。自由電子激光器具有顯著的特點(diǎn)：1)輸出的激光波長可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上可以從厘米波一直調(diào)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(nèi)，已實(shí)現(xiàn)的調(diào)諧范圍是100nm1mm；2)由于自由電子激光器的工作物質(zhì)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(xué)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(zhuǎn)換效率，理論上可高達(dá)50，目前實(shí)驗(yàn)中已做到10。目前，自由電子激光器仍處于試驗(yàn)階段，離實(shí)際應(yīng)用尚有相當(dāng)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(zhì)上看，自由電子激光器是一種把相對論電子束的動能轉(zhuǎn)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(diǎn)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(dú)特特點(diǎn)，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(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)在普通應(yīng)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(zhǔn)。但是(dnsh)在高準(zhǔn)確度應(yīng)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(yuǎn)鏡壓縮激光束高斯光束發(fā)散角的壓縮2L11R3220210L234f1f2當(dāng)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(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)

24、用倒置(dozh)望遠(yuǎn)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(jīng)過一個倒置望遠(yuǎn)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(zhǔn)直(zhn zh)技術(shù)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)用倒置望遠(yuǎn)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(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)零階貝賽爾(Bessel)光束高斯(o s)光束經(jīng)過任何線性光學(xué)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(qiáng)迅速衰減。但是當(dāng)光源用激光器，經(jīng)過特殊的會聚元件而形成的零階貝塞爾光束的光強(qiáng)幾乎不隨傳播距離而衰減，是一條亮而細(xì)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(fù)電場強(qiáng)度 J0(r)是自變量為r的零階貝塞爾函數(shù)，光束由此而得名；k為波數(shù) 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(qiáng)分布J0(r)的光束，即光強(qiáng)分布不隨z而變，因而具有無發(fā)散傳輸?shù)男再|(zhì)。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(nèi)延緩光束的衍射發(fā)散，使橫截面上的光強(qiáng)分布近似不變。7/1

26、5/202235共七十四頁4-2 激光(jgung)準(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)(jsh)零階貝賽爾(Bessel)光束dfZmax實(shí)現(xiàn)零階貝塞爾光束的實(shí)驗(yàn)裝置 I（規(guī)化強(qiáng)度）1.00.5 0-1 1r/mmzZmaxz=100mmz=1000mm光束傳輸中的光強(qiáng)分布7/15/202236共七十四頁4-2 激光準(zhǔn)直(zhn zh)技術(shù)及應(yīng)用2.1 激光束的壓縮技術(shù)產(chǎn)生超細(xì)光束的新光源1989年美國密執(zhí)安大學(xué)的科研人員研制出一種可產(chǎn)生超細(xì)光束的技術(shù)，其光束的直徑可以小至1nm。這項(xiàng)技術(shù)，包括在一支內(nèi)徑僅100nm或更小的微小滴管的尖頭內(nèi)，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(jìn)行激發(fā)，光以分子態(tài)激子形式經(jīng)晶體傳播，并激發(fā)晶體，在滴管尖端產(chǎn)生細(xì)光束。使用不同晶體可產(chǎn)生不同波長的光。這種新裝置是一種可產(chǎn)生極細(xì)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(chǎn)生細(xì)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(xiàng)技術(shù)最重要的特點(diǎn)是它能實(shí)現(xiàn)對極小區(qū)域成像（分子成像），預(yù)示著它將有重要應(yīng)用。7/15/202237共七十四頁4-2 激光準(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.2 激光準(zhǔn)直測試技術(shù)激光自準(zhǔn)直技術(shù)激光束的自準(zhǔn)直技術(shù)是指能實(shí)現(xiàn)反射波面與入射波面完全重合的技術(shù)。1）平面鏡反射的自準(zhǔn)直激光束經(jīng)倒置望遠(yuǎn)鏡后射出，經(jīng)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(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.2 激光準(zhǔn)直測試技術(shù)激光自準(zhǔn)直技術(shù)2）相位共軛技術(shù)實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)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(chǎn)生的會聚光波稱為相位共軛波。相位共軛光束的任意兩點(diǎn)間的相位差與原入射光束相同兩點(diǎn)之間的相位差大小相等符號相反。

29、改變相位符號的數(shù)學(xué)運(yùn)算稱為共軛，故稱該現(xiàn)象為相位共軛。產(chǎn)生方法：受激布里淵（Brillouin）散射四波混頻一束高強(qiáng)度、高方向性的光束進(jìn)入光學(xué)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(chǎn)生布里淵散射的結(jié)果。物光束相位共軛光束介質(zhì)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(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.2 激光準(zhǔn)直測試技術(shù)激光準(zhǔn)直技術(shù)現(xiàn)有的激光準(zhǔn)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(qiáng)）測量法原理：振幅測量型準(zhǔn)直儀以激光束的強(qiáng)度中心作為直線基準(zhǔn)(jzhn)，在需要準(zhǔn)直的點(diǎn)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(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)方便，瞄準(zhǔn)的不確定度上也有一定的提高，但其準(zhǔn)直度受到激光束漂移、光束截面上強(qiáng)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(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.2 激光(jgung)準(zhǔn)直測試技術(shù)激光準(zhǔn)直技術(shù)1）振幅（光強(qiáng)）測量法提高激光準(zhǔn)直儀的對準(zhǔn)準(zhǔn)確度的方法有：菲涅爾波帶片法位相板法雙光束準(zhǔn)直法當(dāng)激光束通過望遠(yuǎn)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(xì)的十字亮線。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)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(diǎn)的連線為一直線，這條線可作為基準(zhǔn)來進(jìn)行準(zhǔn)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(qiáng)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?fù)繉庸獬滩顬?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(zhǔn)可直接進(jìn)行準(zhǔn)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(diǎn)強(qiáng)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(diǎn)的強(qiáng)度來獲得。 激

32、光器位相板方孔PA屏幕PB1432位相板法激光準(zhǔn)直測量原理該準(zhǔn)直法使用一個復(fù)合棱鏡將光束分為兩束，當(dāng)激光器的出射光束漂移時，經(jīng)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(zhǔn)直基準(zhǔn)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(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.2 激光準(zhǔn)直測試(csh)技術(shù)激光準(zhǔn)直技術(shù)2）干涉測量法干涉測量法是在以激光束作為直線基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又以光的干涉原理進(jìn)行讀數(shù)來進(jìn)行直線度測量的。He-Ne激光器 擴(kuò)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(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.2 激光(jgung)準(zhǔn)直測試技術(shù)提高測試準(zhǔn)確度的技術(shù)措施激光準(zhǔn)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(dá)6070）以及周圍環(huán)境溫度的變化引起激光器毛細(xì)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(bǔ)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(fù)雜（機(jī)械、光學(xué)方法）前蘇聯(lián)的直線度和平面度國家基準(zhǔn)采用實(shí)時補(bǔ)償技術(shù)，直線基準(zhǔn)的均方差=0.006m/m。 7/15/202243共七十四頁4-2 激光準(zhǔn)直(zhn zh)技術(shù)及應(yīng)用2.3 激光準(zhǔn)直測試技術(shù)的應(yīng)用大尺寸(ch cun)設(shè)備的裝配和制造的準(zhǔn)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(zhǔn)直系統(tǒng)濾波針孔自準(zhǔn)直探測器 光阱輸出窗波音777客機(jī)裝配用激光準(zhǔn)直系統(tǒng)測量水平：如機(jī)翼長度約61m，其所有部件，如機(jī)翼前緣的對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.13mm，整個機(jī)翼裝配合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.76mm。可以以0.025mm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(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.3 激光(jgung)準(zhǔn)直測試技術(shù)的應(yīng)用直線度的測試激光頭光電靶標(biāo)機(jī)床床身測量機(jī)床床身直線度的激光準(zhǔn)直系統(tǒng) 7/15/202245共七十四頁4-2 激光(jgung)準(zhǔn)直技術(shù)及應(yīng)用2.3 激光準(zhǔn)直測試技術(shù)(jsh)的應(yīng)用多自由度準(zhǔn)直測量PSD激光器角錐棱鏡機(jī)床五維激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)美國Michigan University 0.5m范圍內(nèi)的測試分辨力：線位移為2m，角位移0.05，但滾轉(zhuǎn)角分辨力較低。 7/15/202246共七十四頁4-2 激光準(zhǔn)直技術(shù)(jsh)及應(yīng)用2.3 激光(jgung)準(zhǔn)直測試技術(shù)的應(yīng)用多自由度準(zhǔn)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(shù)1842年奧地利科學(xué)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(zhì)或散射體的運(yùn)動會使頻率發(fā)生變化多普勒效應(yīng)。1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實(shí)了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動速度。目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)(xioyng)當(dāng)波源與觀測者之間有相對運(yùn)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(yīng)。多普勒在其聲學(xué)理論中指出，在聲源、介質(zhì)、觀測者存在相對運(yùn)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(xué)多普勒效應(yīng)。愛因斯坦在論物體的電動力學(xué)中指出，當(dāng)光源與觀測者有相對運(yùn)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(yīng)。聲學(xué)多普勒效應(yīng)與波源及觀測者相對于介質(zhì)運(yùn)動有關(guān)，光學(xué)多普勒效應(yīng)只與光源和觀測者之間的相對運(yùn)動有關(guān)，因此，聲學(xué)（機(jī)械波）和光學(xué)（電磁波）的多普勒效應(yīng)有本質(zhì)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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理聲波是依賴于介質(zhì)傳播的，離開介質(zhì)就談不上波的存在。設(shè)聲源(shn yun)的頻率為 f，聲波在媒質(zhì)中的速度為v，波長=v/f聲源不動，觀測者相對于媒質(zhì)以速度v1運(yùn)動設(shè)聲源相對于介質(zhì)靜止，觀測者迎向聲源運(yùn)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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理聲源相對于媒質(zhì)以速度v2運(yùn)動，觀測者靜

39、止于媒質(zhì)中設(shè)聲源S相對于媒質(zhì)以速度v2迎著觀測者D運(yùn)動。波源在運(yùn)動過程中按照自己的頻率振動，一個周期內(nèi)完成一次全振動，在媒質(zhì)中產(chǎn)生(chnshng)一個完整波形；同時在T內(nèi)，波源前進(jìn)了v2T距離，波長變?yōu)镾1S2v2Dv2T聲源向靜止觀察者運(yùn)動的多普勒效應(yīng)示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測者運(yùn)動有7/15/202251共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)(jch)1. 多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理聲源和觀測者相對于媒質(zhì)運(yùn)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(yùn)動時，取正號；反之取負(fù)號聲源向著觀測者運(yùn)動時，取負(fù)號；反之取正號總

40、之當(dāng)聲源和觀測者相向運(yùn)動時，接收頻率升高；當(dāng)聲源和觀測者背離運(yùn)動時，接收頻率降低；強(qiáng)調(diào)：聲學(xué)只有縱向多普勒效應(yīng)，沒有橫向多普勒效應(yīng)7/15/202252共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(nèi)發(fā)射的波數(shù)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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理在觀測者所在坐標(biāo)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(yīng)示意圖在觀測者所在坐標(biāo)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(shè) 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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)

42、2）光多普勒效應(yīng)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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理觀測者接收光波的頻率為根據(jù)時間相對性這就是光學(xué)多普勒效應(yīng)公式7/15/202256共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)(xioyng)2）光多普勒效應(yīng)原理若相對運(yùn)動發(fā)生在觀測者和光源連線上，則cos1（遠(yuǎn)離時取1，接近時取1）：縱向多普勒效應(yīng)若相對運(yùn)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(yīng)同樣的v值下，橫向多普勒效應(yīng)比縱向

43、多普勒效應(yīng)要小很多。7/15/202257共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)展開的前兩項(xiàng)，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(shù)3.1 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)）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(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)（外差干涉）：7/15/202260共七十四頁4-3 激光(jgung)多普勒測速技術(shù)3.1 激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)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?yàn)楫?dāng)物體運(yùn)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(yùn)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(dāng)物體運(yùn)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(yùn)動的方向，換言之，零差對兩個運(yùn)動速率相同，方向相反的運(yùn)動會給出相同的測量結(jié)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(shù)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(shù)3.2 激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用1. 管道內(nèi)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(shù)據(jù)處理7/15/202262共七十四頁4-3 激光(jgun

46、g)多普勒測速技術(shù)3.2 激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)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(shù)(jsh)利用激光進(jìn)行遠(yuǎn)距離（幾千米）測量的技術(shù)，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(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。光波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)的相移可表示為若光從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)所用時間為t，則A、B兩點(diǎn)之間的距離 L2相位的調(diào)制波形AB7/15/202264共七十四頁4-4 激光測距技術(shù)(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(shù)m和余數(shù)m，便可由公式求出被測距離L。所以，調(diào)制光波的波長是相位測距的一把“光尺”。實(shí)際上，用一臺測距儀直接測量A和B兩點(diǎn)光波傳播的相移是不可能的。因此，采用在B點(diǎn)設(shè)置一個反射器（即測量靶標(biāo)），使從測距儀發(fā)出(fch)的光波經(jīng)靶標(biāo)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(jìn)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(shù)(jsh)4.1 激光相位測距1激光相位測距原理相位測量技術(shù)只能測量出不足2的相位尾數(shù)，即只能確定余數(shù)m ，而不能確定相位的整周期數(shù)m。因此當(dāng)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(shí)現(xiàn)長距高準(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)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(shù)(jsh)4.1 激光相位測距2激光相位測距技術(shù)1）直接測尺頻率由測尺量度Ls可得光尺的調(diào)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(yīng)，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(yīng)光調(diào)制頻率分別為fs1