激光測試技術(shù)課件

光電測試技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)第3章激光測試技術(shù)10/18/20231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)開展極為迅速，并帶動一大批相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的開展，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)中的最正確光源，也是許多測試技術(shù)的基準。10/18/20232§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)①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，一般用2θ表示，單位為rad。立體角：球冠曲面S對光源O所張的空間角Ω，單位為sr，可用下式描述整個球面對球心所張的立體角是4π(sr)。O2θ(a)O2θ(b)RSΩ光束的發(fā)散角a）和立體角b）10/18/20233§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)①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的衍射極限。可以表示為例：對氦氖激光器，假設(shè)λ=0.63μm，d=3mm，那么光束發(fā)散角為2θ≈2×10-4rad。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10-3～10-6rad；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〔5～10〕×10-2rad，且兩個方向的發(fā)散角不一樣。10/18/20234§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)②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/m2sr；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π×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(diào)Q紅寶石激光器發(fā)射的激光，其脈沖功率很容易到達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1020W/cm2，其亮度就更高了。10/18/20235§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)③激光的單色性單色性是指光強按頻率〔波長〕的分布狀況。描述方法：用頻譜或波長分布的寬度〔線寬〕來描述激光的單色性能：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放電燈在低溫下發(fā)出波長λ＝0.6057μm的光，10/18/20236§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)④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(guān)的性質(zhì)，即光波的時間延續(xù)性?？梢岳斫鉃椋还庠窗l(fā)出的兩列光波經(jīng)不同的路徑，在相隔一定時間τc后在空間某點會合，尚能發(fā)生干預(yù)，τc稱為相干時間。概念：在邁克爾遜干預(yù)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P處還有一局部干預(yù)，可看到干預(yù)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，那么看不到干預(yù)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度，記作Lc，它等于光振動的波列本身的長度。激光器M2M1P1212圖3-3邁克爾遜干涉儀10/18/20237§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)④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Δλ和Δν越窄，光的相干長度Lc和相干時間τc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燈作光源的干預(yù)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〔＝0.6328μm〕作光源，假設(shè)其頻率穩(wěn)定度為10-11，干預(yù)儀的相干長度可達幾千公里。10/18/20238§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)⑤激光的空間相干性概念：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(guān)系，因此可產(chǎn)生干預(yù)條紋，即單模激光光束的空間相干性很好。例如：尺寸為100μm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100mm以上。10/18/20239§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)⑥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)長度等于半波長的整數(shù)倍的那些光波，將形成穩(wěn)定的振蕩，因為這些光波在屢次反射中相位完全相同而得到最有效的加強。諧振條件：所以原那么上諧振腔內(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圖3-5諧振腔中的駐波c/2nl閾值a)b)圖3-6縱模的頻譜分布及增益特性10/18/202310§3－1激光概述1.激光的根本性質(zhì)⑥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3-7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。圖3-7激光的各種橫模a)TEM00b)TEM10c)TEM13d)TEM11e)TEM00f)TEM03g)TEM10軸對稱旋轉(zhuǎn)對稱在實際應(yīng)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。10/18/202311§3－1激光概述2．高斯光束①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)比較特殊的高斯光束，如下圖。xzyω0ω(z)圖3-8高斯光束10/18/202312§3－1激光概述2．高斯光束①高斯光束的描述沿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(nèi)的振幅波數(shù)K＝2π/λω（z）稱為z點的光斑尺寸，它是z的函數(shù)，即ω0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

10/18/202313§3－1激光概述2．高斯光束②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：①與x,y有關(guān)的位相局部消失，即z=0的平面是等相面，它與平面波的波陣面一樣；②振幅局部是一指數(shù)表達式，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，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。也正是由于這一差異，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。10/18/202314§3－1激光概述2．高斯光束②高斯光束的特性2〕z=z0>0的情況當(dāng)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=z0>0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。圖3-10高斯光束電矢量分布zω(z1)R(z1)ω(z2)R(z2)ρ10/18/202315§3－1激光概述2．高斯光束②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(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，該點的光斑尺寸ω0為束腰，而ω(z)隨z增大，表示光束逐漸發(fā)散。

圖3-10高斯光束電矢量分布zω(z1)R(z1)ω(z2)R(z2)ρ10/18/202316§3－1激光概述2．高斯光束②高斯光束的特性2〕z=z0>0的情況通常以2θ來描述光束的發(fā)散角，其表達式為當(dāng)z=0時，2θ＝0；當(dāng)

時，；當(dāng)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。

10/18/202317§3－1激光概述2．高斯光束②高斯光束的特性3〕z＝－z0的情況與z＝z0相似，它的振幅分布在z＝－z0處完全一樣，只是R〔－z0〕＝－R〔z0〕，在z0處是一個沿z方向傳播的發(fā)散球面波，而在－z0處，那么是沿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z<0處是沿z方向傳播的會聚球面波，當(dāng)它到達z=0處變成一個平面波，當(dāng)繼續(xù)傳播時又變成一個發(fā)散的球面波。光束各處上的光強分布均為高斯光束。10/18/202318§3－1激光概述2．高斯光束③高斯光束的變換1〕高斯光束的復(fù)曲率半徑將高斯光束電矢量公式改寫為定義復(fù)曲率半徑為參數(shù)q〔z〕將高斯光束的兩個根本參數(shù)ω〔z〕和R〔z〕統(tǒng)一在一個表達式中，它是表征高斯光束的又一個重要參數(shù)。一旦確定光束在某位置處的q〔z〕值，便可求出該位置處的ω〔z〕和R〔z〕。10/18/202319§3－1激光概述2．高斯光束③高斯光束的變換1〕高斯光束的復(fù)曲率半徑如果以q0=q(0)表示z=0處的復(fù)曲率半徑，并注意到R(0)→∞，ω(0)=ω0，那么按定義式，有由此得出

將ω（z）和R（z）的定義式代入q（z）的定義式，經(jīng)適當(dāng)運算可得這就是高斯光束的復(fù)曲率半徑在自由空間〔或均勻各向同性介質(zhì))中的傳輸規(guī)律10/18/202320§3－1激光概述2．高斯光束③高斯光束的變換2〕高斯光束通過薄透鏡的變換MM′ω′ωRR′高斯光束通過薄透鏡的變換ω′=ω

入射球面波M，經(jīng)過薄透鏡后將轉(zhuǎn)變成球面波M′，有強調(diào)：高斯光束的復(fù)曲率半徑q(z)和普通球面波的曲率半徑R(z)有一樣的形式和作用。10/18/202321§3－1激光概述2．高斯光束③高斯光束的變換3〕高斯光束通過復(fù)雜透鏡的變換高斯光束通過復(fù)雜透鏡系統(tǒng)的變換關(guān)系，遵循ABCD變換定律，表示為q1為高斯光束輸入光學(xué)系統(tǒng)處的復(fù)曲率半徑。q2為高斯光束輸出光學(xué)系統(tǒng)處的復(fù)曲率半徑。簡化光學(xué)元件的光線變換矩陣，參見書上的110頁表3.2同理，對復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)有:10/18/202322§3－1激光概述2．高斯光束④高斯光束的聚焦為使高斯光束獲得良好的聚焦，通常采用短焦距透鏡，或者使高斯光束束腰離透鏡甚遠。

在入射光束的束腰處L

R′ωRω0′高斯光束的聚焦ω′ω0ABll′在A處在B處在出射光束的束腰處再考慮到解得當(dāng)l>>f時，有10/18/202323§3－1激光概述3．激光器的分類和特點①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：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?qū)挘延^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(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。10/18/202324§3－1激光概述3．激光器的分類和特點②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，實現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)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(shù)千條。脈沖激光能量從幾千焦耳到幾十萬焦耳，最頂峰值功率達1013瓦。隨著中小功率固體激光器技術(shù)的開展，與之有關(guān)光學(xué)元件也相應(yīng)地得到開展，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、鞏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(shù)的誕生，從此固體激光器技術(shù)獲得了飛速開展。10/18/202325§3－1激光概述3．激光器的分類和特點③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)體激光器主要特點有：〔1〕超小型、重量輕，激活面積為0.5×0.5mm2；〔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0.5－30μm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(dǎo)體激光器的發(fā)射功率在1～100mW，但目前大功率半導(dǎo)體激光器的開展極為迅速，一維相干的大功率半導(dǎo)體激光器連續(xù)輸出已達500mW，二維相干列陣器件的輸出功率達1W。局部相干的半導(dǎo)體激光器的最大輸出達80W，準連續(xù)輸出為300W，脈沖輸出達1000W以上。10/18/202326§3－1激光概述3．激光器的分類和特點③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－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，如GaAs；Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，如CdS；Ⅳ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，如PbSnTe。其中III－Ⅴ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。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)域中開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、激光準直、激光防盜及醫(yī)療等方面開發(fā)了應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器是光信息處理、光儲存和光計算機等新領(lǐng)域的主要角色。10/18/202327§3－1激光概述3．激光器的分類和特點④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(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數(shù)十焦耳量級，峰值功率達幾百兆瓦；激光能量轉(zhuǎn)換效率高達50％；已在光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、全息照相、光通信、同位素別離、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。10/18/202328§3－1激光概述3．激光器的分類和特點⑤化學(xué)激光器化學(xué)激光器是指基于化學(xué)反響建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生受激輻射的一類激光器?；瘜W(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)激光器在鼓勵方式等方面的獨特性，通常將其歸為一個單獨的激光器分支。特點是：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1.3×107焦耳的能量；4)化學(xué)激光器在許多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是要求大功率的場合，如同位素別離、激光武器等方面，利用氟化氘(DF)激光器擊落靶機已見報道。10/18/202329§3－1激光概述3．激光器的分類和特點⑥自由電子激光器自由電子激光器是最近開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：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，原那么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)，已實現(xiàn)的調(diào)諧范圍是100nm～1mm；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(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。10/18/202330§3－1激光概述3．激光器的分類和特點⑦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〕自電離激光器和離解激光器5〕光纖激光器等10/18/202331§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用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。但是在高準確度應(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。①用倒置望遠鏡壓縮激光束高斯光束發(fā)散角的壓縮ω2L1ω1R32ω202ω10L2ω3ω4f1f2當(dāng)透鏡L1為短焦距的薄透鏡時同樣，就透鏡L2而言所以10/18/202332§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用1．激光束的壓縮技術(shù)①用倒置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，R3≈f2。那么由此可見，高斯光束經(jīng)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10/18/202333§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用1．激光束的壓縮技術(shù)①用倒置望遠鏡壓縮激光束所以，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10/18/202334§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用1．激光束的壓縮技術(shù)②零階貝賽爾(Bessel)光束高斯光束經(jīng)過任何線性光學(xué)系統(tǒng)的變換仍然是高斯光束，隨著光束的傳播，高斯光束截面上光強迅速衰減。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(fù)電場強度J0(αr)是自變量為αr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分布J0(αr)的光束，即光強分布不隨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，使橫截面上的光強分布近似不變。10/18/202335§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用1．激光束的壓縮技術(shù)②零階貝賽爾(Bessel)光束θdfZmaxρ實現(xiàn)零階貝塞爾光束的實驗裝置I（規(guī)化強度）1.00.5

0-11r/mmz<Zmaxz=100mmz=1000mm光束傳輸中的光強分布10/18/202336§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用1．激光束的壓縮技術(shù)③產(chǎn)生超細光束的新光源1989年美國密執(zhí)安大學(xué)的科研人員研制出一種可產(chǎn)生超細光束的技術(shù)，其光束的直徑可以小至1nm。這項技術(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體進行激發(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、被動限制地產(chǎn)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(shù)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(yù)示著它將有重要應(yīng)用。10/18/202337§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)①激光自準直技術(shù)激光束的自準直技術(shù)是指能實現(xiàn)反射波面與入射波面完全重合的技術(shù)。1〕平面鏡反射的自準直激光束經(jīng)倒置望遠鏡后射出，經(jīng)平面鏡反射回來，射在距平面鏡一定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；假設(shè)平面鏡有小量傾斜，那么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。10/18/202338§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)①激光自準直技術(shù)2〕相位共軛技術(shù)實現(xiàn)自準直假設(shè)光波入射到相位共軛鏡上，不管是否垂直入射，都按原路反射回去，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。改變相位符號的數(shù)學(xué)運算稱為共軛，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度、高方向性的光束進入光學(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10/18/202339§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)②激光準直技術(shù)現(xiàn)有的激光準直儀按照工作原理可以分為振幅測量法、干預(yù)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，在需要準直的點上用光電探測器接收。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。10/18/202340§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)②激光準直技術(shù)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(dāng)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，那么在光軸的某一位置出現(xiàn)一個很細的十字亮線。調(diào)節(jié)望遠系統(tǒng)的焦距，那么十字亮線就會出現(xiàn)在光軸的不同位置上，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。由于十字亮線是干預(yù)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?fù)繉庸獬滩顬棣?2（即位相差π）。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(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直基準可以克服激光器的漂移和局部空氣擾動影響。10/18/202341§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)②激光準直技術(shù)2〕干預(yù)測量法干預(yù)測量法是在以激光束作為直線基準的根底上，又以光的干預(yù)原理進行讀數(shù)來進行直線度測量的。1234561110987+1,-1+1+1,0（+1,+1）（-1，-1）-1,+1-1,0-1

1-He-Ne激光器2-擴束系統(tǒng)3-分光鏡4-光柵5-石英晶片6-雙面反射鏡7-拖板8-滑板9-偏振分光鏡10,11-光電探測器光柵衍射干涉法測量直線度原理圖10/18/202342§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用2．激光準直測試技術(shù)③提高測試準確度的技術(shù)措施激光準直儀大多采用單?！睺EM00〕輸出的He-Ne激光器，其功率約為1~2mW，波長為0.6328μm。由于諧振腔反射鏡支架的變形、激光器的發(fā)熱〔一般可達60~70℃〕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氣擾動的影響——比較復(fù)雜〔機械、光學(xué)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(shù)，直線基準的均方差δ=0.006μm/m。10/18/202343§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用3．激光準直測試技術(shù)的應(yīng)用①大尺寸設(shè)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圖3-27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。

10/18/202344§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用3．激光準直測試技術(shù)的應(yīng)用②直線度的測試激光頭光電靶標機床床身圖3-28測量機床床身直線度的激光準直系統(tǒng)

10/18/202345§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用3．激光準直測試技術(shù)的應(yīng)用③多自由度準直測量PSD激光器角錐棱鏡圖3-29機床五維激光準直測量系統(tǒng)美國MichiganUniversity0.5m范圍內(nèi)的測試分辨力：線位移為2μm，角位移0.05〞，但滾轉(zhuǎn)角分辨力較低。10/18/202346§3-2激光準直技術(shù)及應(yīng)用3．激光準直測試技術(shù)的應(yīng)用③多自由度準直測量PSD激光器光電探測器圖3-30六自由度激光測量系統(tǒng)日本NihonUniversity和SophiaUniversity

10/18/202347§3-3激光多普勒測速技術(shù)概述1842年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運動會使頻率發(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。10/18/202348§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底1.多普勒效應(yīng)當(dāng)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(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動有關(guān)，因此，聲學(xué)〔機械波〕和光學(xué)〔電磁波〕的多普勒效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。10/18/202349§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底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)聲源的頻率為f，聲波在媒質(zhì)中的速度為v，波長λ=v/f①聲源不動，觀測者相對于媒質(zhì)以速度v1運動設(shè)聲源相對于介質(zhì)靜止，觀測者迎向聲源運動，那么聲波相對于觀測者的速度不再是v，而是v+v1，那么觀測者接收到聲波的頻率為同理，觀測者背離聲源有10/18/202350§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底1.多普勒效應(yīng)1〕聲多普勒效應(yīng)原理②聲源相對于媒質(zhì)以速度v2運動，觀測者靜止于媒質(zhì)中設(shè)聲源S相對于媒質(zhì)以速度v2迎著觀測者D運動。波源在運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)生一個完整波形；同時在T內(nèi)，波源前進了v2T距離，波長變?yōu)镾1S2v2Dv2Tλ'λ圖3.31聲源向靜止觀察者運動的多普勒效應(yīng)示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測者運動有10/18/202351§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底1.多普勒效應(yīng)1〕聲多普勒效應(yīng)原理②聲源和觀測者相對于媒質(zhì)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；反之取正號總之當(dāng)聲源和觀測者相向運動時，接收頻率升高；當(dāng)聲源和觀測者背離運動時，接收頻率降低；強調(diào)：聲學(xué)只有縱向多普勒效應(yīng)，沒有橫向多普勒效應(yīng)10/18/202352§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底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動是等價的，只取決于相對速度的大小。如圖示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv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'

），在這段時間內(nèi)發(fā)射的波數(shù)為N，光源的頻率為10/18/202353§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底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系K中來看，此波列發(fā)射始于t1時刻〔光源在S1處〕，接收這個波列的時刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應(yīng)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(shè)很小，θ變化很小，則有10/18/202354§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底1.多普勒效應(yīng)2〕光多普勒效應(yīng)原理觀測者D收到這N個波共需時10/18/202355§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底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10/18/202356§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底1.多普勒效應(yīng)2〕光多普勒效應(yīng)原理假設(shè)相對運動發(fā)生在觀測者和光源連線上，那么cosθ＝±1〔遠離時取1，接近時?。?〕：縱向多普勒效應(yīng)假設(shè)相對運動發(fā)生在觀測者和光源連線的垂直方向上，那么cosθ＝0橫向多普勒效應(yīng)同樣的v值下，橫向多普勒效應(yīng)比縱向多普勒效應(yīng)要小很多。10/18/202357§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底2.激光多普勒測速原理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，即激光多普勒測速原理圖Lα1α2vQDSR考慮流體中的速度為c/n，將v換成縱向分量10/18/202358§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底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，就可以得到Δf，也就可以得到v10/18/202359§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.1激光多普勒測速技術(shù)根底2.激光多普勒測速原理2〕頻移信號的檢測光混頻技術(shù)〔外差干預(yù)〕：

方式：零差；外差。10/18/202360§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.2激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用1.管道內(nèi)水流的測量Qθ圖3-37管道水流多普勒測速原理示意圖θ=14°12′v

16mm探測器數(shù)據(jù)處理10/18/202361§3-3激光多普勒測速技術(shù)3.2激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用2．血液流速測量流體探測器顯微物鏡觀察目鏡激光器圖3-38激光多普勒顯微鏡10/18/202362§3-4激光測距技術(shù)利用激光進行遠距離〔幾千米〕測量的技術(shù)，通常有激光相位測距和脈沖激光測距兩種。3.4.1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(diào)制來實現(xiàn)的。光波從A點傳播到B點的相移可表示為假設(shè)光從A點傳到B點所用時間為t，那么A、B兩點之間的距離Lλ2π相位的調(diào)制波形AB10/18/202363§3-4激光測距技術(shù)3.4.1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期2π的整數(shù)m和余數(shù)Δm，便可由公式求出被測距離L。所以，調(diào)制光波的波長λ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(shè)置一個反射器〔即測量靶標〕，使從測距儀發(fā)出的光波經(jīng)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。ΔλLλA′LAB傳播2L后的光波相位10/18/202364§3-4激光測距技術(shù)3.4.1激光相位測距1．激光相位測距原理相位測量技術(shù)只能測量出缺乏2