激光测量技术总结

激光测量技术第一章激光原理与技术1、 简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫简并能级2、 泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、 激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种损耗之和.4、 He-Ne激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）夕卜腔式；3）半内腔式5、 激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、 激光的基本物理性质：1）激光的方向性。不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性，最好！例1：对于直径3mm腔镜的632.8nmHe-Ne激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为0«1.22九/dq2x10-4rad2） 激光的咼亮度。3） 单色性。激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化一泵浦、温度、振动4） 相干性：时间相干性（同地异时）：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置,尚能发生干涉，其经过的时间差TC称为相干时间。相干长度：L=cAt=c/AV=A2/AXcAvt=1例：He-Nelaser的线宽和波长比值为10-7求Michelson干涉仪的最大测量长度是多少？解:Lc=入2/AX=6.328m，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m。空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。7、相邻两个纵模频率的间隔为干性。7、相邻两个纵模频率的间隔为AvC2nL谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。例设He-Ne激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n〜1，试求纵模频率间隔各为多少？Av=2nLL=0.30m,Av=3x108=5x108Hz1 2x1x0.3L=1.0m,Av=3x1°8=1.5x108Hz2 2x1x1.08、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用，光束不再是平行光，光强也改变为非均匀的。

9、 稳频的必要性：在精密计量中，通常以波长为基准，测量精度很大程度上决定于波长的精确程度。要求：激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小。S=S=△v/v—vR=5/v v频率再现性频率漂移远大于线宽极限！！10、 引起频率变化原因：1）温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化，同时，温度变化会引起介质折射率的变化；2）振动：振动会引起反射镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化；3）大气的影响：外腔式氦氖激光管，谐振腔的一部分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率，使谐振频率发生变化。11、 稳频方法：1）被动稳频：控制温度；腔体材料互补；防震、密封2）主动稳频：基本原理：采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。12、 主动稳频方法：1）兰姆（Lamb）下陷法Lamb下陷：由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上，在中心频率v0处输出功率出现凹陷的现象稳频原理：利用激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值△v转换成输出功率的起伏值AP,从而获得误差信号，用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率v0。2） 饱和吸收法原理：利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法3） 塞曼（Zeeman）效应法塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。特点：由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别，而且偏振态也不同。双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。稳频方法：纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞曼吸收稳频。纵向塞曼效应：激光器产生频率较低的右旋圆偏光和频率较高的左旋圆偏光。稳频方法：测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。13、 激光调制可分为：内调制和外调制14、 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化。弹光效应：当一块各向异性的透明介质受外力作用时，介质的折射率发生变化的现象。声光效应：声波作用于介质时所引起的弹光效应；超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光波衍射。旋光效应：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着传播距离而逐渐转动。【旋光现象与双折射现象的对比:双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的圆偏振光的传播速度不同。】磁光效应：在强磁场的作用下，物质的光学性质发生变化。磁致旋光效应（法拉第效应Faradayeffect）：在强磁场的作用下，本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。15、 米定义的复现：飞行时间法；真空波长法；稳频激光器。第二章激光干涉测量技术1、 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术，非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。常用干涉仪：迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪。激光干涉测量一般是：1）相对测量2）增量式测量 3）中间过程不可忽略，要监视整个测量的过程。2、 干涉仪光路系统主要包括：光源、分束器和反射器。激光干涉仪常用的分光方法：分波阵面法、分振幅法、分偏振法（PBS）、衍射分光法激光干涉仪常用的反射器：平面反射器，特点：对偏转将产生附加的光程差角锥棱镜反射器,特点：可消除偏转将产生附加的光程差，抗偏摆和俯仰直角棱镜反射器，特点：只对一个方向的偏转敏感猫眼反射器，特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，光程保持不变；容易加工，不影响偏振光的传输3、 常用移相器种类：机械法移相、阶梯板和翼形板移相、金属膜移相、分偏振法移相。4、 按照分光原理，光谱仪器可分为三类：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪。基于干涉原理的典型光谱仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪。5、 单频激光干涉仪的特点：测量精度高，但前置放大器为直流放大器；对环境要求高，不允许干涉仪两臂光强有较大的变化；6、 光学拍频原理:两个振幅相同、振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加也能产生干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍”塞曼效应和声光调制是实现光学“拍”的常用方法。7、 利用激光移相相干测试技术可以快速而高准确度地检测波面面形误差，可达到1/100波长的测试不确定度。8、 全息技术的基本原理：两步成像即全息图的记录和物光波的再现。全息干涉测量技术：实时法、二次曝光法、时间平均法。由于全息图再现具有三维性质，故用全息技术就可以从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图可相当于用一般干涉测量进行的多次观察。9、 激光散斑干涉测量技术，特点：记录和再现本质上与全息干涉测量相同，但在形式上更加灵活，即不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学和数字方法实现。10、 散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面（例如铝板）上时，在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑，这些亮斑与暗斑的分布杂乱，故称为散斑（Speckle）。11、 散斑形成条件：1）必须有能发生散射的粗糙表面：为了使散射光较均匀，则粗糙表面的深度必须大于光波波长。2）入射光的相干度足够高，如使用激光。12、 直接散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的成像散斑：经过一个光学系统，在它的像面上形成的散斑，也称为主观散斑。13、 激光散斑干涉测量技术：被激光照射的粗糙物面在透镜的像面上形成散斑图，此方法称散斑照相。同全息一样，散斑照相并不能提供测量的一些信息。如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息，利用变化前后形成的散斑干涉，可以进行测量工作。14、 常用的光纤干涉仪结构型式：迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪、马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪、萨格奈克（Sagnac）光纤干涉仪、法布里-珀罗（Fabry-Perot）光纤干涉仪。15、 合成波长：双波长激光器发出的波长为入1和入2的光，其干涉条纹由光电探测器接收，探测器输出一个受空间频率调制的波长为入s的空间拍波。

第三章激光衍射测量技术dbdxkb2kLk1、单缝衍射测量原理：观察屏上的光强分布1=1（必dbdxkb2kLk0B2 久，测量分辨力是指激光单逢衍射能分辨的最小量值，衍射测量灵敏度t=——缝宽b越小，级数越高，L越大，波长越长，分辨力越高。例：取L=1000mm,b=0.1mm,k=4,九二0.63pm,可得t=1/250如果X的测量分辨力是0.01mm,则衍射测量能达到的分辨力为0.04pmk2、激光衍射测量方法：间隙测量法、反射衍射测量法、分离间隙法、互补测屏法、爱里斑测量法、衍射频谱检测法。反射衍射测量法：利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。特点：灵敏度提高一倍：入射光可以以一定角度入射，布置方便。3、 常用衍射测量的器件：PD、二分型的硅光电池、四分型的硅光电池、一维/二维PSD、CCD（二维或线阵）。4、 防止振动/跳动：隔振扩束透镜成像5、 测量方法：直接测量：CCD，转镜/狭缝扫描式（测量时间），一般测量Xk或者S,由d=kL入/Xk=LA/s求出。间接测量:PD、二分型的硅光电池、四分型的硅光电池、一缠二维PSD、测量明/暗条纹的移动量的大小。6、 光学接收器件的选择与布置：衍射级数的选择一般2,3级、条纹计数越大（相对测量），越灵敏，但是强度变弱、光电器件尺寸一般不要超过条纹间距、条纹移动量不应该超过器件的尺寸或者条纹间隔、否则容易发生误判。第四章激光准直及多自由度测量1、 直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量：直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础。2、 激光准直仪按工作原理可分为：1）振幅测量法2）干涉测量法3）偏振测量法3、 振幅（光强）测量法：以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它，光电探测器一般采用光电池或PSD。由四象限光电池两对象限输出电压的差值决定光束中心位置。振幅测量型准直仪提高基准精度的常用方法：菲涅耳波带片法、位相板法、双光束法。1） 菲涅耳波带片法：十字划线，是干涉形成的，有良好的抗干扰能力，光强分布均匀，经过扩束后照射波带片，避免的激光光束的漂移及振动因素的影响。2） 位相板法：位相板由四块扇形涂层组成；相邻涂层光程差半波长，即相位相希。在位相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹，暗十字条纹中心的连线可作为基准线进行准直测量。3） 双光束法：采用复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动的影响。4、 干涉测量法：在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。主要有：楔形板干涉法、双频激光干涉法、光栅干涉法。5、 激光准直仪主要组成：产生基准光束的激光器、光束准直扩束系统、光电接收及处理电路部分。激光束方向的漂移：平漂和角漂。为减小激光器输出光束的漂移，可以采取以下措施：热稳定装置、光束补偿装置、主动温控加热器、其他措施（采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔热、用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度、隔振、实验室环境控制、特殊材料，结构设计等措施都可以降低激光器输出激光束的漂移）。6、 光学准直扩束系统种类：1）开普勒式望远镜2）伽利略式望远镜3）组合式倒置望远镜7、 常用于激光准直的光电探测器:硅光电池（二分型、四象限器（四分型））、PSD（—维PSD、二维PSD）、光电倍增管、CCD8、 克服大气挠动的方法主要有：机械法、光学法9、 多自由度测量的必要性：1）空间物体的姿态：飞机、火箭等风洞实验2）机器运动部件的装配、运行精度：导轨精度3）空间吊装的运动轨迹误差。10、 一般根据测量的自由度的数量划分：两自由度测量系统、四自由度测量系统、五六自由度测量系统、测量滚转角。第六章激光其他测量技术1、 任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化,即所谓的多普勒频移。2、 激光多普勒测速技术（LDV）的工作原理是基于运动物体散射光线的多普勒效应。3、 引起多普勒频移的原因：a波源或者接收器的相对运动b波传输通道中的物体运动4、 多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此必须用频带窄及能量集中的激光作光源；为便于连续工作，通常使用气体激光器。5、 LDV按光学系统的结构不同，可分为：双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。6、 多普勒信号处理方法主要有：频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法、扫描干涉法等。7、 多普勒全场测速技术（DopplerGlobalVelometerDGV）可对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求，特别适合于气流测量。测量原理：利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测量。8、 为扩大转镜激光扫描法的测量范围受到透镜尺寸的限制，可采用相对测量法。9、 影响激光扫描测量精度的主要因素：工件边缘的衍射现象。10、 常用的测距技术：雷达/无线电测距超声测距激光测距11、 激光测距：指的是无导轨测距短程：合成波长半导体激光调频测距远距离（几千米）测量的技术：激光相位测距脉冲激光测距12、 激光相位测距原理：相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的，即通过增大波长来变相地增大测量范围。l上（m+Am）二L（m+Am）2 s——调制光波的波长是相位测距的一把“光尺”为能实现长距高精度测量，可同时使用Ls不同的几把光尺：最短的尺用于保证必要的测距精度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率。13、直接测尺频率：由测尺量度Ls可得光尺的调制频率——测尺长度直接由测尺频率决定例：直接测距仪测程为100km，要求精度0.01m,若相位测量系统的精度为1%,则需三把光尺：f=C/2LTOC\o"1-5"\h\zs sL二105m,L二103m,L二10m,相应光的调制频率分另为S1 S2 S3f=1.5kHz,f=150kHz,f=15MHzS1 S2 S3间接测尺频率(合成波长)基本原理：即通过测量fs1和fs2频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。第0章背景知识1、获得偏振光的方法：1)利用偏振片获得偏振光：二向色型偏振片一一某些晶体对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性。将二向色性的晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片。制成偏振片后，其上有一特殊的方向，沿着该方向的光振动不被吸收一偏振化方向。优点：孔径角几乎达180°，可以做的薄且大，价格低廉；缺点：有颜色，透过率低，消光比差(98%),不能用在大功率场合。散射型偏振片——利用双折射晶体的散射起偏。优点：本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中。反射和折射产生的偏振：自然光反射和折射后产生部分偏振光，ib+y=90o时，反射光为线偏振光，ib—布儒斯特角或起偏角。布儒斯特定律tani=n=nbn211利用双折射产生偏振双折射现象一一一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。双折射光的特性：两束折射光皆为线偏振光。寻常光与非寻常光(o光与e光)偏振棱镜补充：三次作业一、填空L光线入射到空气和玻璃的界面，空气和玻璃的折射率分别是L0和1.5，则布儒斯特角是*2一自然光以布儒斯特角入射到空气与水的界面，则反射光是线偏振光o3■—束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当偏振片以光线