激光在精密测量中的应用ppt课件

1、第第6章章 激光在精细丈量中的激光在精细丈量中的运用运用36.5 激光多普勒测速激光多普勒测速6.6 环形激光丈量角度和角加速度环形激光丈量角度和角加速度6.5 激光多普勒测速激光多普勒测速 激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到随流体一同运动的微粒上，测出其散射光相对于随流体一同运动的微粒上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定流体的速度。确定流体的速度。运动微粒上接纳到的光源入射光的频率 如图如图6-30所示，静止光源所示，静止光源O发出一束频率为发出一束频率为 的单色光，的

2、单色光，该单色光入射到与被测流体一同运动该单色光入射到与被测流体一同运动(速度为速度为 )的微粒的微粒Q上，微粒上，微粒Q接纳到的光的频率是接纳到的光的频率是图6-30 频率为 的单色光入射到速度为 的微粒Qi)1 ()-1 (ceceiiiiQi静止接纳器上接纳到的运动微粒散射光静止接纳器上接纳到的运动微粒散射光的频率的频率 如图如图6-31所示，因此在所示，因此在S处接纳到的散射光的频率应为处接纳到的散射光的频率应为 常采用差频法丈量多普勒频移。常采用差频法丈量多普勒频移。 即将入射光与散射光混频，两即将入射光与散射光混频，两束光束光“混频产生的拍频信号的混频产生的拍频信号的频率就是多普勒

3、频移。频率就是多普勒频移。图6-31 S处接纳到的微粒Q散射光 的频率siisisiisQseeccecece)( )1)(1 ()1 (差频法测速差频法测速 可分为两类：可分为两类： 参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移多普勒频移；多普勒频移； 双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差多普勒频差。多普勒频差。参考光束型多普勒测速参考光束型多普勒测速图图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图所示为参考光束型测速方法的光路的原理图设设 和和 分别表示参考光和散射光的电矢

4、量的瞬时值分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 那么那么合成光强合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成( )iE t( )SEt iiiitjEtE2exp SSSStjEtE2exp222( )( )( )( )exp2 ()() exp2 ()()iSiSiSiSiSiSiSiSIE tEtEtEtE EjtE Ejt参考光束型多普勒测速参考光束型多普勒测速(续续)光电倍增管实践感遭到的合成光强可表示为光电倍增管实践感遭到的合成光强可表示为光电倍增管输出的光电流正比于它接纳到的光强，用复指数函数的实光电倍增管输出的光电流正比于它接纳到的光强

5、，用复指数函数的实部表达它的规律为部表达它的规律为0exp2 ()()iSiSiSIIE Ejt0cos2()mDiSiii t多普勒频移为多普勒频移为 iisisDeec)(如图如图6-326-32可得可得2sin22sin2)(cuueeueeiDisis假设入射光在真空中的波长为假设入射光在真空中的波长为i，那么有，那么有2sin22sin22sin2DiiiDuccucu双散射光束型多普勒测速双散射光束型多普勒测速 双散射光束型测速方法是经过检测在同一丈量点上的两束散射光的多普双散射光束型测速方法是经过检测在同一丈量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图勒频差来确

6、定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。所示为干涉条纹型。 2sin22sin2)()()(122211DsiiDsiiiDsiisisiisisuueeceeceec或应用前面的推导血液流速的丈量血液流速的丈量 图图6-34是激光多普勒显微镜光路图是激光多普勒显微镜光路图 光纤多普勒测速仪原理图光纤多普勒测速仪原理图 图图6-35 用于血液流速丈量的光纤激光多普勒测速仪原理图用于血液流速丈量的光纤激光多普勒测速仪原理图管道内水流的丈量管道内水流的丈量 双散射型丈量光路双散射型丈量光路图图6-36 丈量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图丈量管道内水流速度分布的激光多普勒

7、测速系统原理图环形激光精细测角环形激光精细测角Sagnac效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，丈量该光程差引起的针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，丈量该光程差引起的干涉条纹变化，到达测角的目的。干涉条纹变化，到达测角的目的。图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应l drccLl drcl dctcw22111l drccLtccw21二者之差为二者之差为 cStcLcSl drcl drctl drSl drct44222122222光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺也是基于光纤陀螺

8、也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为： 光程差那么可以表示为光程差那么可以表示为提高测角精度的方法：加大直径、添加圈数。提高测角精度的方法：加大直径、添加圈数。适用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。适用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。图6-39 光纤陀螺仪表示图NLD22244NLDScLDcSNL4第第5章章 典型激光器引见典型激光器引见 各种任务物质、运转方式的激光器不断出现。各种任务物质、运转方式的激光器不断出现。 按任务波段分类：红外和远红外激

9、光器、可见光激光器、按任务波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、紫外和真空紫外激光器、X X射线激光器。射线激光器。 按运转方式分类：延续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激按运转方式分类：延续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。光器。 按激光器任务物质分类：固体激光器、气体激光器、染料按激光器任务物质分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。激光器和半导体激光器。固体激光器固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为任务物质的激固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为任务物质的激光器。光器。 常采用的固体任务物质依然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴

10、常采用的固体任务物质依然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石石(Nd3:YAG)等三种等三种 。固体激光器的特点：输出能量大固体激光器的特点：输出能量大(可达数万焦耳可达数万焦耳)，峰值功率高，峰值功率高(延续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦延续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦)，构造紧凑，结实耐用。构造紧凑，结实耐用。广泛运用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、广泛运用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通讯等。

11、照相、激光存储、大容量通讯等。Nd3:YAG激光器激光器 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于延续和高反复率任务。于延续和高反复率任务。 Nd3:YAG是目前能在室温下延续任务的独一适用的固是目前能在室温下延续任务的独一适用的固体任务物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高反复率体任务物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高反复率的脉冲器件中，目前运用的脉冲器件中，目前运用Nd3:YAG的量，远远超越其的量，远远超越其它固体任务物质。可以说，它固体任务物质。可以说， Nd3:YAG从出现至今，大从出现至今，大量运用，长盛不衰。量运用

12、，长盛不衰。气体激光器气体激光器气体激光器是以气体或蒸气作为任务物质的激光器。气体激光器是以气体或蒸气作为任务物质的激光器。与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点:输出光束的质量输出光束的质量好好(单色性、相关性、光束方向和稳定性等单色性、相关性、光束方向和稳定性等)。因此，在工农业消费、国。因此，在工农业消费、国防和科学研讨中，都有广泛的运用。防和科学研讨中，都有广泛的运用。三种典型气体激光器：三种典型气体激光器：He-Ne激光器：具有构造简单、运用方便、光束质量好、任务可靠和激光器：具有构造简单、运用方便、光束质量好、任务可靠和制造容易

13、等优点，至今依然是运用最广泛的一种气体激光器。主要谱制造容易等优点，至今依然是运用最广泛的一种气体激光器。主要谱线是线是0.6328m红光，黄光红光，黄光(0.594m)、绿光、绿光(0.543m)和橙光和橙光(0.606m、0.612m) 典型气体激光器典型气体激光器(续续)二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器：是以激光器：是以CO2气体分子作为任务物质的气气体分子作为任务物质的气体激光器。其激光波长为体激光器。其激光波长为10.6m和和9.6m。优点：它既能延续任务，又能脉冲任务，输出大，效率高。它优点：它既能延续任务，又能脉冲任务，输出大，效率高。它的能量转换效率高达的能量转换效率高达(20

14、25)，延续输出功率可达万瓦量级，延续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可紧缩到毫微秒。脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可紧缩到毫微秒。被广泛用于资料加工、通讯、雷达、诱发化学反响、外科手术被广泛用于资料加工、通讯、雷达、诱发化学反响、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反响，激光分别同位素以及激等方面，还可用于激光引发热核反响，激光分别同位素以及激光武器等。光武器等。典型气体激光器典型气体激光器(续续)离子离子(Ar)激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进展任务的气体激光器。进展任务的气体激光器。Ar激光器的激光谱线很丰

15、富，主要分布在蓝绿光区，其中，激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以以0.4880m蓝光和蓝光和0.5145m绿光两条谱线最强。绿光两条谱线最强。Ar激光器既可以延续任务，又可以脉冲形状运转。延续功率激光器既可以延续任务，又可以脉冲形状运转。延续功率普通为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区普通为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区延续输出功率最高的气体激光器。延续输出功率最高的气体激光器。它已广泛运用于全息照相，信息处置，光谱分析及医疗和工业它已广泛运用于全息照相，信息处置，光谱分析及医疗和工业加工等许多领域加工等许多领域 。染料激光器染料激光器染料激光

16、器遭到人们注重的缘由是：染料激光器遭到人们注重的缘由是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可紧缩至飞秒冲宽度可紧缩至飞秒(1015秒秒)量级；量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比较，但价钱廉染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比较，但价钱廉价，同样的输出功率，它只是固体激光器的千分之一；价，同样的输出功率，它只是固体激光器的千分之一；染料激光器任务物质具有均匀性好等优良的光学质量。染料激光器任

17、务物质具有均匀性好等优良的光学质量。它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分别、它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分别、全息照相和光通讯中，正获得日益广泛的重要运用全息照相和光通讯中，正获得日益广泛的重要运用 半导体激光器半导体激光器 半导体激光器：以半导体资料作为激光任务物质的激光器。半导体激光器：以半导体资料作为激光任务物质的激光器。 它具有超小型、高效率、构造简单、价钱廉价以及可以高它具有超小型、高效率、构造简单、价钱廉价以及可以高速任务等一系列优点。速任务等一系列优点。 它是目前光通讯领域内运用的最重要光源，并且在它是目前光通讯领域内运用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距、及医疗等许多方面都获得了重息照相、激光准直、测距、及医疗等许多方面都获得了重要运用。要运用。其它激光器其它激光器 准分子激光器：准分子激光器：(如如ArF，193nm，用于光刻机，用于光刻机)自在电子激光器：任务物质是自在电子束，利用电子加速器自在电子激光器：任务物质是自在电子束，利用电子加速器 。输出的激光波长可在相当宽的范围内延续调谐，原那么上可从厘米波输出的激光波长可在